Способ измерения фазового сдвига (его варианты) Советский патент 1984 года по МПК G01R25/00 

Ч|

:л

;:

1

Изобретение относится к радиоиэмерительной технике и может быть использовано для определения разности фаз. гармонических сигналов.

Известен способ измерения фазового сдвига с трансформацией частоты, заключающийся в умножении частоты измеряемых сигналов в п раз последующем вьщелении и усилении tt -и гармоники ,сигналов и определении увеличенного в п раз, по сравнению с измеряемым, сдвига фаз tj

Однако данный способ имеет сложнзгю систему индикации для устранения неоднозначности отсчета, .малый частотный и динамический диапазон входных сигналов, а также предусматривае весьма высокие требования к стабильности и идентичности умножения частоты измеряемых сигналов, что вызывает тезцнические трудности при реализации устройств.

Наиболее близким по технической сущности к изабретению является способ измерений разности фаз с преобразованием частоты, заключающийся в первоначальном смещении спектров измеряемых сигналов на вбличину частоты первого гетеродинаг и получения, таким образом, спектров первой промежуточной частоты ,пов-. торном смещении одного из спектров первой промежуточной частоты на величину частоты опорного генератора, смешивании полученного спектра второй промежуточной частоты одного сигнала со спектром первой промежуточной частоты другого сигнала, выделении преобразованного спектра сигнала на частоте опорного генератора и определении фазового сдвига полученного преобразованного сигнала относительно текущей фазы опорного генератора. При этом производится перенос измерения фазового угла на фиксированную частоту опорного генератора, чем обеспечивается компрессия рабочего диапазона частот 2 .

Однако наличие многократных преобразований частоты, необходимых дпя компрессии частотного диапазона обусловливает флуктуационные фазовы нестабильности, временные фазовые ошибки, нелинейные погрешности преобразования. Кроме того, наличие генераторных напряжений, обусловленных гетеродинным способом преобра54.2

зованиЛ частоты, приводитк паразитному прохождению на входы устройств, реализующих данный способ,, .напряжений частот гетеродинов, чем/объясняются возникающие, при работе вредные излучения. Плохие параметры электромагнитной совместимостизатрудняют использование известного способа при построении устройств, работающих в составе сложных высокочастотных измерительных систем и комплексов.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения фазового сдвига с компрессией частотного диапазона преобразованием частоты и определением разности фаз преобразованных сигналов, первый, из измеряемых сигналов перемножают с первым и вторым сигналами, пр.едварительно заде ржанными на равномерно изменяющуюся во времени величину, и вьщеляют сигналы .разностных частот, между которыми определяют фазовый сдвиг.

По второму варианту первый и второй измеряемые сигналы перемножают с первым и вторым задержанными на равномерно изменяющуюся во времени: величину сигналами,.вьщеленный после перемножения вторых сигналов сигнал суммарной частоты перемножают с второй гармоникой первого сигнала, и выделяют сигналы разностных частот, между которьми определяют фазовый сдвиг.

Исключение внутренних гетеродинов позволяет СНИЗИТЬ уровень паразитных излучений во внещнИе цепи, а.в паузах между измерениями практически исключить. Снижение вносимых при Преобразовании частоты искажений позволяет повысить точность измерений при большом (до 1СП) коэффициенте сжатия исследуемого диапазона частот. Во втором варианте способа измеряется удвоенное значение разности фаз, что повышает, по сравнению с первым вариантом, точность измерений.Второй вариант обладает также большой помехоустойчивостью.

Сущность первого варианта способа поясняется следующим образом.

Измеряемые входные сигналы

(t)cos(uctfaO

)C05(Wcbtf,), где и (Ч (.t, U с (i) - амплитуды измеря емых сигналов, We -.частота сигналов 4f,,Cf.j - фазы.сигналов, задерживают .во времени на величину & €(Я, например,путем пропускания через перестра 1ваемые линии задержки Сигналы примут вид выv.з- зWco5 wc()iC,, . Г ,,(и г (I л( - Ueb,x.A.4.--U3WcoslWclt cW)ty,iCf, где ), иг() - амплитуды задержа ных сигналов, -q).- дополнительные фазовые сдвиги, вносимые линиями задержки. После перемножения первого сигI нала с соответствуюпщм ему задержанным сигналом U... . . и г ЧЯПРТ.ЖЯН вых. л. % I задержан ным вторым сигналом bwx.A.J на выходах соответствующих перемножителей получают. теых пер n ebix.A.i вх 2 n c iW xJcos QcU+ttt),VCp,-( + + co6 Ucli+5:(.t) t,+ f-i+t iV Un(.t |costcOct (tV C V COS(2Q ct Wet (t) 4-2cp,%. ebixnep n ex аыхл.г у costUctt tit)-Wc(tHi,4 ( -Cf,j 4+ (tbt it)+ CJct + Cfi + q,j t (jf{ Un(i)costcOcu(t)4t(,-Cf,y+ fCos(2Qci+Uj tit) + Cf 1- q « Ц)) .После вьщеления сигналов разностных частотiUjUplDcostWc ltyi-q) u;-Upltkos(Wcttt c,4,-c,), определяют фазовьй сдвиг напряже- . ния Кд относительно U соответственно равный измеряемой разнос ти фаз входных сигналов utfsCpo- y По второму варианту способа, после перемножения второго сигна- x .с соответствующим ему задержанным и Qj,, д,. вьщеляют напря«гсние суммарной частоты l),.U Wcosl2wct + G3cttt)2t,,4 ( которое перемножают со второй гар--: МОНИКОЙ первого-сигнала Ijg exz c2ttlcosC2coc-tf2cf,V После вьщеления из результата переle вьщеления из результата nt множения сигнала разностной частоты (t)cos(wctW+2Ccpj-q),Vq . определяют фазовый сдвиг напряжений .у ц.. учитывая, что он в два Р измеряемой разности фаз &cf. Благодаря умножению фазо ого сдвига повышается точность измерений. При линейном законе изменения задержки сигнала -Dlt} t-t, const, происходит сжатие исследуемогодиапазона частот (от с min Д° ста ) /с раз, поскольку.фазовый сдвиг сигналов разностной частоты определяется в диапазоне частот 1 rriax - тлп а 1 может достигать величин до . На фиг.1:И 2 приведены схемы возможных устройств, реализующих предлагаемый способ. Устройство (фиг.1) содержит перестраиваемые линии задержки 1, к управляющим входам которых подключены выходы элемента управления 2, а выходы перестраиваемых линий задержки 1 соедине1ны с первьми входами перемножителей 3, вторые входы которых связаны с первым входом устройства, а выходы - с фильтрами низкой частоты 4, которые подключены к входам фазового детектора 5, соединенного с индикатором 6. Устройство, приведенное на фиг.1, работает следующим образом. На взсоды 1 и 2 поступают сигналы U U,(t)co5(w,l-tq))-, U;. U|(tVt6SCWvi + 4il. Линии задержки 1, которые могут быть выполнены, например, на коммутируемых отрезках волноводов или на устройствах с поверхностными акустическими волнами, перестраиваются по закону Ъ (Ь) J задаваемому элементом управления 2. Вид этого закона определяется, исходя из конкретной, технической реализации линий задержки 1, Однако наиболее предпочтителен, с точки зрения минимума вносимых искажений, линейный закон перестройки 2(tVtb/ij где С скорость изменения задержки. На выходах линий задержки 1 формируются сигналы Uj-UidlcQsCuAt -tWV-vcp.+ ), U2-UiCi)co5(u,(t4t(U);tpj Q, которые перемножаются с сигналом U в перемножителях 3. Из полученных в результате перемножения сигналов Ъ- )U2U)Cc03lw, It 4t|tn- C0,t ,-1 W- tpt- tf )(со5( ),)+co5(w,t t (i, V u),t фш1ьтрац1ш низкой частоты 4 выделяю ся сигналы разностных частот U4-U iycoslW ltn . CQ,t (t V qii-C(,. в случае линейного закона перестройки линий задержки 1 измерение фазового сдвига прсжзвюдится на частоте U . На выходе фазового детектора 5 формируется напряжение, пропорциональное измеряемому фазово сдвигу вх&дных сигналов Ut и Ul,, которое в случае фазо вого детектора, например, с синусои дальной характеристикой будет иметь вид Uj - (i(i) ui(t)5;n(t$,-cf .fc.5m 0 Индикатором 6, как обычно, прогр дуированным в значениях фазового угла, индицируется измеряемый фазовый сдвиг. Устройство, реализующее -второй вариант предлагаемого способа, содержит перестраиваемые линии задерж ки 1, элемент управления 2, переьшо жители 3, фильтры 4 низкой частоты, фазовый детектор 5 с индикатором 6, згмножитель частоты на два 7, вход к торого соединен с первым входом устройства, а выход - с первым входом дополнительного перемножителя 8 второй вход которого через фильтр 54« высокой частоты 9 связан с выходом перемножителя 3 второгб .канала. Выход дополнительного пе емножителя ,8 подключен к входу фильтра 4 низкой частоты, а второй вход перемножителя второго канала 3 соединен с вторым входом устройства. В этом устройстве, в отличие от устройства. Приведенного на фиг,1, во втором канале из результата перемножения в умножителе 3 сигналов Ол и U u;4Knu;u)u;(t)Ccosiu,((tn-c.,t 2- 4v 2Vcos t w)4 G);t+4 j4tp +tfi5)( фильтром высокой частоты 9 вьщеляется колебание суммарной частоты U UqCi coslZwltU tC-tl+ecpj + Cf), которое перемножается в дополнительном перемножителе 8 со второй гармоникой сигнала, поступающего на первый вход устройства U7 UTAiUo5(1W,,), фильтрами низкой частоты вьщеляются колебания разностных частот U4--U4lt)co5Cu,tit) + t)V u; - и ;(t) cos iw.titv ,2.(Qi2-,} Таким образом, на выходе фазового детектора формируется напряжение, пропорциональное удвоенному значению измеряемого фазового сдвига 54ВДи{(1Клп2(с,-(,); с учетом удвоения индикатором 6 индицируются результаты измерений. В предлагаемом способе наиболее предпочтительной является линейно изменяющаяся задержка сигналов перед умножением. Однако при конкретной реализации устройств по заданному способу в зависимости от технического задания возможно использование пилообразного, ступенчатого , (нарастающих или спадающих) и других законов перестройки задержки. Основньм требованием при. этом является выбор такой функции, описывающей используемый закон изменения задержки, при которой искажения измеряемых сигналов не приводят к погрешностям, превьшающим уровень, заданный техни ческим заданием. В соответствии . 7 . 1 с этим требованием необходимо, например, стремиться обеспечить мини мальное время обратного хода при пилообразном или максимум ступеней при ступенчатом законе. Использовавне перемножения одного из измеряемых сигналов с первым и вторым сигна лами, предварительно задержанными на равномерно изменяющуюся во времени в установленных пределах величину, выделения сигналов разностных частот, между которыми определяете фазовьй сдвиг, позволяет осуществить компрессию частотного диапазона, снизить паразитное излучение мощ4ности на входы (-120 дБ) устройство (а в паузах между измерениями исключить)-, существенно снизить,по сравнению с синхронным гетеродинированием, вносимые искажения, повысить тем самым точность измерений фазовых сдвигов. Изобретение благодаря высокому коэффициенту сжатия (до 10) имеет более широкий ча стотный и динамический диапазоны, позволяет проводить безынерционные измерения, имеет лучшие показатели электромагнитной совместимости, высокую устойчивость и надежность в работе.

1. Способ измерения фазового :сдвига с компрессией частотного диапазона преобразованием частоты и определением разности фаз преобразованных сигналов о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений, первый из измеряемых сигналов перемножают с первым и вторым сигналами, задержанными на равномерно изменяющуюся во времени величину, и вьщеляют сигналы разностных частот, между которыми определяют фазовый сдвиг. 2. Способ измерения фазового сдв1|га с компрессией частотного диапазона преобразованием частоты и определением разности фаз преобразованных сигналов, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьшения точности измерений, первый и второй измеряем -е сигналы перемножают с первым и вторыь задержанными на равномерно изменяющуюся во времени величину сигналами, вьщеленный после перемножения вторых (Л сигналов сигнал суммарной частоты перемножают с второй гармоникой neiJBOro сигнала, и вьщеляют сигналы разностных частот, между ;которыми определяют, фазовый сдвир. ..