Способ одновременного измерения фазовых сдвигов при наложении двух гармонических сигналов с неизвестными частотами и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения фазовых сдвигов при наложении двух гармонических сигналов с неизвестными частотами. Известен способ измерения фа. зовых сдвигов при наложении сигналов, включающий предварительную фильтрацию и последующее измерение , фазовых сдвигов между соответствующими парами сигналов l . Известно также устройство для осуществления данного способа, содержащее четыре фильтрующих элемента, входы которых попарно соедииены с входами устройства, и два фазометра, входы которых соединены с выходами фильтрующих элементов l Недостатком известного способа и устройства является низкая точность измерения при, наличии широкой полосы возможных частот сигналов. Наиболее близким к предложенному по технической сущности является способ одновременного измерения фазовых сдвигов при наложении двух гармонических сигналов с неизвестными частотами путем формирования суммарного и разностного сигналов, -сдвига суммарного сигнала на ti/2, подачи сдвинутого суммарного и разностного сигналов на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), измерения углов наклона соответствующих сторон параллелограмм полученного на экране ЭЛТ (2l. Наиболее близким к предложенному по технической сущности является ус ройство для одновременного измерени фазовых сдвигов при наложении двух гармонических сигналов с неизвестными частотами,содержащее сумматор, вычитатель, входы которых соединены с входными клеммами устройства, фазовращатель на 11/2, вход которого соединен с выходом суммато ра, два усилителя, причем вход одно го усилителя соединен с выходом выч тателя, а вход другого - с выходом фазовращателя, и ЭЛТ, отклоняющие пластинь которой соединены с выходами усилителей 2 .. Недостатком известного способа и устройства является низкая точность измерения и невозможность автоматизации. Цель изобретения - повышение точности и автоматизация процесса измер ния.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу одновременного 60 измерения фазовых сдвигов при наложении двух гармонических сигналов с неизвестными частотами цутем формирования суммарного и разностного сигналов, сдвига суммарного сигнала 5

На фиг.1 приведены временные диаграммы; на фиг.2 - структурная схема устройства.

Устройство содержит вычитатель 1, сумматор 2, фазовращатель 3, амплитудные детекторы 4-1 и 4-2, блоки 5-1 и 5-2 определения полярности. на1|/2 выделяют, огибающие разностного и сдвинутого суммарного сигналов, находят экстремумы огибающей . разностного сигнала, определяют . полярность разностного сигнала, а также полярность сдвинутого суммарного сигнала и значения огибающей сдвинутого суммарного и разностного сигналов в моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет экстремумы и измеряемые фазовые сдвиги находят из соотношения jNpjtWidnrUpU) Vpa)(t)3 . N1 ,U) )Vcc UMei gntUcc И где 1 измеряемые фазовые сдвиги; I- ,L - моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет максимум и минимум соответственно; Vp(t),V,..ltl- огибающие разностного и сдвинутого суммарного сигналов соответственно;Up(t),IJc(.ttl - разностный и сдвинутый суммарный сигналы соответственно. Поставленная цель достигается тем, что в устройство содержгицее сумматор, вЕПитатель, входы которых соединены с входными клеммами устройстBd, и фазовращатель, вход которого соединен с выходом сумматора, введены два амплитудных детектора, два блока определения полярности, блок определения экстремумов, блок выборки-хранения и блок обработки информации, причем вход первого ампли тудного детектора соединен с выходом вычитателя и входом первого блока определения полярности, вход второго амплитудного детектора соединен с выходом фазовращателя и входом второго блока определения полярности, выход первого амплитудного детектора соединен с входом блока определения экстре.мумов, а выход второго - с входом блока выборки-хранения, задающий выход блока определения экстремумов соединен с управляющими входами блоков определения пЪлярности и блока выборки-хранения, выходы которых и выходы блока опрееления экстремумов соединены с вхоами блока обработки информации, два выхода которого соединены с выходными клеммами устройства.

блок 6 определения экстремумов, блок 7 выборки-хранения, блок 8 d6работки информации.

;На,фиг.1 а показан один из наложенных сигналов, на фиг.1 б - другой В общем случае сигналы имеют разныеамплитуды, частоты и начальные фа- зы. На фиг.1в изображена смесь йД) этих сигналов, поступающая на один .. из входов фазоизмерительного устройств.а, реализующего предложенный J1WOCO6. На фиг.1г и 1д показаны наложенные сигналы, имеющие .фазовые сдвиги ср, и (у соответственно относительно наложенных сигналов на. фиг.1а и 16. На.фиг.1е изображена сумма U-i (t) сдвинутых по фазе сигналов, поступающая на другой вход фазоизмерительного устройства. Сформированный суммарный сигнал Uc{.t) приведен на фиг.1ж.

Пусть входные сигналы описываются вырсцкениями:

U,,,b4,V,i)4AjS«n(WjitCf, ) А, (u,tt С|,-v) (uat 4i-V2/zV,

где U It, U/i(-t - наложенные сигнаг

лы;

A,,A,W,,ti)7,CV,.cj,,(V,,4i- соответственно

амплитуды, частоты начальные фазы и измерягемые фазовые сдвиги первого и второго сигналов

pWil A4sin V |2)p4 A2S nltj2fl 8A4ft lVi/2)sin(v7/2ycoe(urb)iH+cirfi, VcДi) {2A,),/2),co6iw,, Aicos t,/ Zkos(c,.2/2)cosUcj ,) P,.

Определяют моменты появления и значения экстремумов огибающей разностного сигнала.

Огибающая разностного сигналапринимает экстремальные значения

откуда

lin-tfi-iPz

0,1;, ..

CO,-W2 .t«- моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет экстремумы (фиг.1ж, з).

Определяют полярность разност«о го сигнала, а также полярность сдвинутого суммарного сигнала и значения его огибающей в моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет экстремумы.

Из входных сигналов формируют суммарный и разностный сигналы, аналитические выражения для которых имеют следующий вид:Upll|2A в n(цl,.,coв{w,,)+2A,(,,)co5.« (.., . .

Uc(.tb5A«cos(,w,|j)si«(((j,)42A.,cos(v2|2l

«ei«(),

где Up|t), Uc (t) - соответственно

0

разностный и суммарный сигналы.

Сформированный разностный сигнал ) приведен на фиг.1з.

Сдвигают суммарный сигнал на

5 с помощью широкоплосного фазовращателя, настроенного на постоянный сдвиг ii/2 во всей рабочей полосе частот. В результате аналитическое .выражение принимает вид

0 :Uccl) 2A,cos(lco5(w,tt(().)i2A,

«C06((0jt+(yj),

где Ugj. (t) - сдвинутый суммарный сигнал (см.фиг. 1ж).

5 Выделяют огибающие разностного и сдвинутого суммарного сигналов посредством амплитудных детекторов.

Изображение огибающих приведено на фиг.1ж и 1з.

0

Up Ity, Ucc ) соответственно огибающие разностного и сдвинутого суммарного сигналов. Аналитическое выраикение для огибающих этих сигналов имеет следующий вид:

в моменты времени, когда первая; производная от ее аналитического выражения обращается в ноль:

В момент времени, когда огибающая разностного сигнала имеет мак- ; симум (t), разностный сигнал имеет

55 положительну1р полярность, сдвинутый суммарный - положительную полярность, а его огибающая - минимум. В момент времени, -когда огибающая раз ностногр сигнала имеет минимум ( t ), раз60ностный сигнал имеет положительную полярность, сдвинутый суммарный ;.положительную, а его огибающая - максимум. .

Измеряемые фазовые сдвиги посред55 {Ством специализированного вычисли8Ал ft n t i2lU 4-Mt)644Ub) Л 2toA,ein(V4(2l +pA25inl{ i|7ll 8A4A2S niVri2)(,/2)co&(aj,-W2)tt(

тельнрго блока находят из соотноше-г ния

V -(

; V(1 g Ucclf)ccl) где (,2 измеряемые фазовые сдви., ,. ™

,- моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет максимум ijt минимум соответст. венно.

Входы шчитателя 1 и сумматора соединены и являются входами устройства. Выход сумматора 2 соединен с входом фазовращателя 3. Выходы вычистателя 1 и фазовращателя 3 сое динены с входами амплитудных детект торов 4-1 и 4-2и с входами блоков 5-1 и 5-2 определения полярности. . Выход амплитудного детектора 4-1, соединенного с вычитателем 1, coe-i динен с блоком б определения экстрёмумов, а выход амплитудного детектора 4-2 - с входом блока 7 выборки-хранения. Задающий выход блока б определения экстремумов соединен.-с управляющими входами блоков 5-1 и 5-2 определения полярности и блоком 7 выборки-хранения, выходы которых и выход блока б определения экстремумов соединены с входами блока 8 обработки инфомации. Блок 8 обработки информации имеет два выхода, которые являются выходами всего устройства.

Вычитатель 1, сумматор 2 имеют стандартную аппаратурную реализацию

Широкополосный фазовращатель 3 для создания двух напряжений с постоянной разностью фаз рассчитывается по общепринятой методике.

Амплитудные детекторы 4-1 и 4-2 представляет собой стандартный . двухполупериодный выпрямитель с фильтром нижних частот, имеющим частоту среза между частотой огибающей и частотой самого сигнала, что обеспечивает выделение огибающей сигнала. Блоки 5-1 и 5-2 определения полярности содержат триггер Шмитта, формирующий из входного сигнала напряжения прямоугольной формы. При положительном значении входного сигнала выходное напряжение триггера имеет значение логической единицы, при отрицательном значении -.логического нуля. На выходе триггера имеется, ключевое устройство, которое в момент прихода разрешающих сигналов из блока б определения экстремумов передает сформированное значение знака входного сигнала в блок 8 обработки информации . /

Блок б определения экстремумов содержит два пиковых детектора и

два компаратора. Один пиковый детектор фиксирует максимум огибаю- . .щей сигнала, другой - миншиум. Компараторы выдают разрещающие сигналы в другие блоки устройства в моменты времени, когда огибающая сигнала принимает экстремальные значения, зафиксированные на пиковых детекторах.

Блок 7 выборки-хранения имеет

стандартную аппаратурную pea lизацию. В момент получения разрешающегося сигнала из блока б опре.деления экстремума на блоке 7 выборки-хранения запомин ается значенив входного сигнала и выдается IB блок 8 обработки информации.

Блок 8 обработки информации pear лизован на базе специализированного вычислительного устройства,предна значенного для вычисления выражения.

Upl 5i-grt Up(f)tVptt))3

2apct Vccii)sign Uccin iMcclf)& gn Ucclt)

Принципиальные ограничения, накладываемые на параметры сигналов, исключают только когерентность частот сигналов. Соотношение амплитуд, на- чальных фаз, фазовых сдвигов, частот сигналов теоретически могут быть произвольны.

Практически полоса рабочих частот и динамический диапазон ограничиваются конкретной аппаратурной реализацией. . .

Устройство работает следующим образом..

Из входных сигналов посредством вычитатёля 1 и сумматора 2 формируют разностный и суммарный- сигналы, затем суммарный .сзигнал сдвигают фазовращателем 3 . Фазовращатель настроен на постоянный сдвиг во всей полосе частот. Амплитудные детекторы-4-1 и 4-2 выделяют огибающие, разностного и сдвинутого суммарного сигналов. Блок 6 определения экстремумов определяет моменты появления и значения экстрему мов огибающей разностного сигнала. В моменты времени, когда огибающая разностного сигнала принимает экстремальное значение, блок б определения экстремумов выдает разрешающие сигналы на блоки 5 определения полярности и блок 7 выборки-хранения. Блоки 5 определения полярности при появлении разрешающего сигнала на управляющих входах определяют знак напряжения входного сигнала, и блок 7 выборки-хранения фиксирует значения огибающей сдвинутого суммарного сигнала. Полученное значение экстремумов огибагацей разностного сигнала, значения огибающей сдвинутого суммарного сигнала, знаки разностно го и сдвинутого суммарного сигна

1. Способ одновременного измерения фазовых сдвигов при наложении двух гармонических сигналов с неизвестными частотами путем формирования суммарного и разностного сигналов, сдвига суммарного сигнала Hall-/2, отличаю щ .и и с я тем, что, G целью повышения точное ти и автоматизации процесса измерения, выделяют огибающие разностного и сдвинутого суммарного сигналов, . , находят экстремумы огибающей разностного сигнала, определяют по- . лярность разностного сигнала, а также полярность сдвинутого суммарного сигнала и значения огибающей сдвинутого суммарного и разностного сигналов в моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет экстремумы, и измеряемые фазовые сдвиги находят из соотношения о .piib in upU).-i :upHT . Ulei ntUccUl W)l измеряемые фазовые f где i,i сдвиги; II III ) - моменты времени, прИ которых огибающая раз-i rr ,,,., ностного сигнала имеет максимум и минимум соответственно Vp(t)V(.(.W- огибающие разностного и сднинутого суммарного сигнала соответственно; UpUVUccW- разностный И сдвинутый суммарный сигналы соответственно. ,2. Устройство для одновременного измерения фазовых сдвигов при на ложении двух гармонических сигналов с неизвестными частотами, содержащее сумматор, вычитатель, входы которьох соединены с входными клеммгили % устройства, и фазовращатель, вход ко-i торого соединен с выходом сумматора, отличающееся тем, что ,в не.го введены два амплитудных детекjTopa, Два блока определения прлярности, блок, определения экстремумов, S блок выборки - хранения и блок обра- ботки информации, причем вход первогЬ амплитудного детектора соединен с О 4 выходом вычитателя и входом первого блока определения полярн ьсти, вход второго амплитудного детектора соединен с выходом фазовращателя и :о ел входом второго блока определения полярности, выход первого амплитудного детектора соединен .. -с входом блока определения экстремумов, а выход второго - с входом блока выборки хранения, задающий выход блока определения экстремумов соединен с управляющими входами блоков определения полярности и блока выборки хранения, выходы которых и выход блока определения экстремумов соединены -с входами блока обработки информации , два выхода которого соединены с выходными клеммами устройства.