Способ измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами Советский патент 1985 года по МПК G01R25/00 

СХ)

о

00 О)

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к области фазовых измерений и может быть использовано для измерения сдвига фаз между двумя синусо- 5 идальными сигналами в широком диапазоне амплитуд входных сигналов с получением результата в виде цифровогс кода, пригодного для ввода в ЭВМ.

Цель изобретения - повышение О точности измерения сдвига фаз в широком диапазоне изменений амплитуд входных сигналов, что достигается за счет фильтрации сигнала и введения поправки в результат измерения 15 сдвига фаз между опорным и профильтрованным измеряемым сигналами, которая рассчитывается по отношению амплитуд измеряемого сигнала до и после фильтрации до и после приведе- 20 ния профильтрованного измеряемого сигнала к выбранному уровню.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2-структур-. 25 ная схема блока управления; на фиг. 3 - структурная схема вычислителя .

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит два входных зо зажима 1 и 2, два коммутатора 3 и 4, два формирователя 5 и 6, фазовращатель 7, устройство 8 выделения временного интервала (УВВИ), генератор 9

импульсов, делитель 10 частоты (ДЧ),35 ключи 11 и 12, счетчик 13, вычислитель 14, индикатор 15, блок 16 управления (БУ), фильтр 17, дополнительньш коммутатор 18, вольтметр 19. Входной зажим 1 соединен с входом 40 формирователя 5 и первым входом коммутатора 3, входной зажим 2-е первым входом фильтра 17 и первым вхо-. дом дополнительного коммутатора 18. Выход фильтра 17 связан с вторыми 45 входами коммутаторов 3 и 4 и дополнительного коммутатора 18. Выход коммутатора 4 через формирователь 6 связан с вторым входом УВВИ 8. Выход коммутатора 3 через фазовращатель 7 50 соединен с первым входом .коммутатора 4, выход Формирователя 5 подключен к первому входу УВВИ 8 и к третьему входу вычислителя. Выход УВВИ 8 через последовательно соединенные 55 ключи 11 и 12 и счетчик 13 нагружен на первый вход вычислителя 14, первьй выход которого присоединен

к второму входу счетчика 13. Выход генератора 9 соединен с входом ДЧ 10, с вторым входом ключа 11 и нторьм входом вычислителя 14. Выход ДЧ 10 связан с вторым входом ключа 12, второй выход вычислителя нагружен на первьй вход индикатора 15.. Первый и второй выходы БУ 16 связаны соответственно с коммутаторами 3 и 4-, третий выходБУ 16 - с фазовращателем 7, а остальные выходы БУ 16 нагружены соответственно на второй вход индикатора 15, на пятый вход вычислителя 14, на дополнительньй коммутатор 18 и второй вход фильтра 17, выход вольтметра 19 подключен к четвертому входу вычислителя 14. БУ 16 (фиг. 2) содержит кварцевый генератор 20, которьй через последовательно соединенные делитель 21 частоты, первый переключатель 22 нагружен на вход первого кольцевого делителя 23 (КД-1), К-й выход которого через переключатель 24 соединен со входом второго кольцевого делителя 25 (КД-2). Выходы КД-1 23 с первого по К-й, а также выходы КД-2 25 с первого по седьмой нагружены на дешифратор 26 (ДШ), выходы которого подсоединены к выходам (с первого по седьмой) БУ 16.

Вычислитель 14 (фиг. 3) содержит устройства счетно-регистрирующие (УСР-1) 27, (УСР-2) 28, программируемое запоминающее устройство 29 (ПЗУ), мультиплексор 30, устройство 31 арифметическое (УА) и ключ 32 (КС). Приче первый, второй, третий входы вычислителя 14 связаны соответственно с третьим, вторым и первым входами УСР-1 27. Кроме того, первый вход УСР-1 27 подключен к четвертому входу блока ПЗУ 29, а четвертый вход УСР-1 связан с первым выходом мультиплексора 30..Пятый вход УСР-1 27 связан с третьим выходом ПЗУ 29, третьим входом УСР-2 28 и первым выходом вычислителя 14. Первый выход УСР-1 27 нагружен на первый вход, а второй выход УСР-1 27 состыкован с четвертым входом мультиплексора 30. Первый вход УСР-2 28 связан с четвертым входом вычислителя 14, второй вход с третьим выходом мультиплексора 30, а выход УСР-2 28 нагружен на второй вход мультиплексора 30. Вход ПЗУ 29 подключен к второму выходу мультиплекром 17, что необходимо для реализации предлагаемого способа. Выходные сигналы при этом снимаются с шестого и седьмого выходов ДШ 26. При установке переключателей 22 и 24 в положение 1 КД-1 и КД-2 соединены последовательно, при этом используются все семь выходов ДШ. Устройство (фиг. 1) при этом осуществляет сначала определение погрешности f(V) по известному способу, а затем погрешности при неравных уровнях входных напряжений.

При реализации предлагаемого способа кольцевой делитель КД-2 25 формирует управляющие сигналы, необходимые для переключения коммутаторов 3 и.4, дополнительного коммутатора 18 и фильтра 17. Первый импульс с выхода КД-2 25 устанавливает коммутаторы 3 и 4 в положение If, после чего на первый и второй входы подаются сигналы с амплитудой U. Вторым импульсом с КД-2 25 коммутатор 18 устанавливается в положение 1, причем информация о величине U с вольтметра 19 поступает на вход вычислителя 14. Третий импульс с выхода КД2 25 устанавливает на выходе фильтра 17 напряжение Uj. Четвертьй импульс переводит коммутатор 18 в положение П и информация о величине U через вольтметр 19 поступает на вычислитель 14. Пятый импульс переводит коммутатор 18 в положение 1, на второй вход подают напряжение U, информация о величине которого поступает на вьгаислитель 14. Шестой импульс устанавливает на выходе фильтра 17 напряжение U , седьмой переводит коммутатор 18 в положение П, . информация о величине U{ заносится в вычислитель 14. Восьмой импульс КД-2 25 поступает одновременно на индикатор 15 и вычислитель 14, где он дает команду на индикацию результатов измерения с учетом введенных поправок.

При реализации этого способа вычислитель 14 работает следующим образом.

Импульсы с выхода счетчика 13 в количестве, пропорциональном фазовому сдвигу поступают на третий вход УСР-1 27, на его же первьА вход поступают сигналы с выходов формировтеля 5, модулирующие по амплитуде

сигналы, проходящие на второй вход УСР-1 от генератора 9. Количество импульсов пропорционально периоду сигнала t у. Из последовательности модулированных импульсов в УСР-1 формируется базовое время t необходимое для работы ПЗУ 29. Информация о величинах t,t поразрядно под действием управляющих импульсов с первого выхода мультиплексора 30 поступает для дальнейшей обработки в мультиплексор 30. Импульс, соответствующий поступает на первый вход блока ПЗУ 29, где осуществляется временная привязка зтого импульса и сигналов с выхода формирователя 5. В блоке ПЗУ 29 на основании tg-, и двух периодов сигнала формирователя формируется измерительное время работы устройства. По истечении t формируется импульс Сброс поступающий на УСР-1 27, УСР-2 28 и счетчик 13. Информация о величинах напряжений поступает на вход УСр-2 28 с вольтметра 19. Под действием управляющих-импульсов третьего с выхода мультиплексора-30 информа ция с УСР-2 28 также поразрядно поступает на дальнейшую обработку вмультиплексор 30. Импульсы подсвета с микропроцессора, расположенного в УА 31, поступают на второй вход ПЗУ 29 и первый вход КС 32. Эти импульсы участвуют в формировании управляющих сигналов, поступающих на мультиплексор 30 (первый вход). Информация о ty, t и Uji , и j, и U после- обработки в мультиплексоре 30 поступает на третий вход ПЗУ 29, где формируются сигналы, поступающие через трансляторы уровней УА 31 на микропроцессор. В мультнплексоре 30 формируются также управляющие .сигналы, необходимые для перемещения информации в УСР-1 и УСР-2. Информация о целой части результата деления t, на t, осуществляемого в УА 31, поступает на третий вход мультиплексора, где подвергается обработке совместно с информацией о величинах напряжений, к t. При наличии управляющего импульса на втором вход КС 32 информация о величине фазового сдвига с учетом поправки поступает на индикатор 15, где и заканчивается цикл обработки измерительной информации .

сора 30, первый вход которого связан с первым выходом ПЗУ 29, его второй выход нагружен на второй вход УА 31. Четвертый выход мультиплексора 30 нагружен на первый вход УА 31, его же второй выход нагружен на третий вход мультиплексора 30. Второй вход КС 32 связан с пятым входом вычислителя 14, а выход КС 32 нагружен на второй выход вычислителя 14,

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Опорный сигнал поступает на входной зажим 1, а измеряемый - на 2.Для исключения постоянныхсистематических погрешностей производят калибровку устройства, для чего опорный сигнал подают на зажимы 1 и 2 одн временно, БУ 16 переводит дополнительный коммутатор 18 в положение II, при котором вход вольтметра 19 соединен с вькодом.фильтра 17, БУ 16 изменяет частоту среза фильтра 17 таким образом, что его выходное напряжение равно и. Выбранный уровень Uo определяется соотношением

(KC ....ч

7 U;

г 1 2.

где Z - начальное затухание фильтра; Z - динамический диапазон измене кия амплитуды измеряемого сигнала;

макс максимальное значение амплитуды измеряемого сигнала. Например, для а(к.с В (20 дБ), (40 дБ), выбранный постоянный уровень сигнала равен 0,01 В. Значение ujj контролируется вольтметром 19, Затем по команде БУ1 коммутатор 18 переводится в положение 1 и вольтметр 19-измеряет входное напряжение фильтра UQ, значение которого заносится в память вычислителя 14, который определяет отношение амплитуды сигналов на входе и на выходе фильтра 17 (), После этого производится измерение фазового сдвига между опорным сигналом и выходным сигналом фильтра 17, равного

/ V Го 1 Ч л (1

где/д - фазовый сдвиг, вносимый

фильтром 17; - паразитный фазовый сдвиг

в цепяхформирователей 5и 6, Значение tp заносится в память вычислителя 14 и в дальнейшем вычитается из результатов измерения.

После окончания калибровки измеряемьй сигнал подают на входной зажим 2, БУ 16 переводит коммутатор 19 в положение П и, изменяя частоту среза фильтра 1.7, устанавливает его выходной сигнал, равный U, что контролируется вольтметром 19, Затем коммутатор 18 переводится в положение 1и измеряется амплитуда измеряемого сигнала, значение которой заносится в память вычислителя 14, Вычислитель 14 определяет отношение амплитуд К. п После этого производится измерение фазового сдвига между опорным сигналом и выходным сигналом фильтра 17, равного

,.(3)

где дТф - фазовый сдьиг, вносимый

фильтром 17, при измерении коэффициента передачи от K до ..а измеряемый фазовый сдвиг

И Jfl

между опорным и измеряемым

сигналами.

Значение VI, хранящееся в памяти вычислителя 14, определяемое соотношение (3), вычитается из результатов измерений (4), Значение лЧ определяется вычислителем 14 по формуле д ф агссо8 K -arccos К (4) и вычитается из результатов измерени В результате индикатор 15 индицирует значение V,.,.. « соответствующее фазоИЭА

вому сдвигу между измеряемым и оцорным сигналами, и не содержит амплитудно-фазовой погрешности.

При реализации предлагаемого способа измерения БУ 16 работает следующим образом.

Импульсы с выхода делителя частоты 21 с частотой 0,05 Гц поступают на переключатель 22. Такое значение выходной частоты выбрано с той целью, что за соответствующий ему интервал времени (20 с) устройство, реализующее предлагаемьй способ, . осуществит 5-6 измерений значений фазового сдвига. Выбор режима работы БУ 16 осуществляется с помощью переключателей 22 и 24, При установке переключателя 22 в положение 1, а переключателя 24 в положение П осуществляется известный способ, при этом используются пять выходов дешифратора 26, При установке обоих переключателей в положение II (фиг,4) работает только КД-2, осуществляя управление коммутатором 18 и фильт71

Для изменения амплитуды измеряемого сигнала используется аналоговый фильтр, являющийся- минимально-фазовым четырехполюсником, имеющим однозначную зависимость между коэффициентом передачи К и вносимым фазовым сдвигом V при изменении частоты либо значения величины одного из его элементов. При значениях коэффициента передачи ,03 зависимость вносимого фазового сдвига от коэффициента передачи определяется соотношением

К соэ V . (5)

Точность равенства (5) увеличивается при уменьшении коэффициента передачи RC-фильтра, В пределах полосы прозрачности при изменении коэффициента передачи фильтра от 1 до 0,7 фазовый сдвиг меняется от О до 45°. В пределах полосы задерживаний при изменении коэффициента передачи от 0,01 до 0,001 фазовый сдвиг изменяется от 89,42 до 89,942°(на О,522°);при изменении коэффи1шента передачи от 0,001 до 0,0001 фазовый сдвиг изменяется от 89,942 до 89,994°(на 0,052°), т.е. изменения фазового сдвига в данном случае пренебрежи068

тельно малы. Этот факт используется для изменения амплитуды измеряемого сигнала. Для того, чтобы не вводить очень больших затуханий, целесообразно, используя соотношение (5), вводить поправки к измеренному значению фазового сдвига, измеряя коэффициент передачи К. При значениях К, близких к 1, т.е. в полосе прозрачности, для достижения точности измерения фазовых сдвигов + 0,05 - 0,01 необходимо определение К с погрешностью не хуже 0,005%. Достижение такой высокой точности в широкой

полосе частот технически сложная задача. Однако при ,1 для достижения указанной точности измерения поправок необходимо измерение коэффициента передачи с погрешностью передачи 0,5 - 1%, что легко реализуется практически. Поправки к измеренному значению фазовых сдвигов определяются соотношением (4), используя измеренные значения К и К. Как показали экспериментальные.исследования, точность измерения фазовых сдвигов в диапазоне амплитуд 20-40 дБ составляет 0,005 - 0,01 в широком диапазоне частот.

СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ СДВИГА ФАЗ МЕВДУ ДВУМЯ СИНУСОВДАЛЬНЫМИ СИГНАЛАМИ по авт. св. № 1056072, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения сдвига фаз в широком диапазоне амплитуд, измеряемый сигнал фильтруют так, чтобы его частота лежала в полосе задерживания фильтра, при этом измеряют амплитуду измеряемого сигнала до и после фильтрации, определяют отношение измеренных амплитуд, а затем, изменяя частоту среза фильтра, приводят этот сигнал к выбранному уровню, вновь измеряют амплитуду измеряемого сигнала до и после фильтрации, определяют отношение измеренных амплитуд и по отношению амплитуд измеряемого сигнала до и после фильтрации до и после приведения профильтрованного измеряемого сигнала к выбранному уровню вводят повравку в результат измерения сдвига фаз между опорным и профильтрованным измеряемым сигналами.

СЗОЧлИ

1г 1 .