Способ измерения фазовых сдвигов Советский патент 1986 года по МПК G01R25/00 

to

11219980

Изобретение относится к фазоизме- рительной технике и может быть исполь зовано для измерения фазовых сдвигов при наложении двух гармонических сигналов с неизвестными частотами.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы; на фиг. 2 - структурная схема одного из возможных вариантов устройства в качестве примера реализации способа.

На фиг. 1а показан один из наложенных сигналов, на фиг. - другой. В общем случае сигналы имеют разные амплитуды, частоты и начальные фазы. На фиг. 16 - изображена смесь U(t) этих сигналов, поступающая на один из входов фазометра. На фиг. 1г и 1а показаны наложенные сигналы, имеющие фазовые сдвиги и соответственно относительно наложенных сигналов на фиг. lo,. На фиг. 1в

Uj(t),h(uJ,t-V,)(J,

где и (t), UjCt) - наложенные си

лы; А, А,- iuJ,j, соответственн

Ч ч U/ Ч амплитуда, ч iv ii -ii a

та, начальна

фаза и измер фазовый сдви вого и второ сигналов. После вычитания и суммирования и

Up(t)2A,sin(4 y2)cosU,t+4 ) + ., +sin()cos(cJ,,t+4 ,,), (t) (VF,/2) sin(cJ,t+4,)-н ()sin(),

где Up (t), Uj. (t) - соответствен

разностный и марный сигна (фиг. ,-.

2Qi

о После сдвига суммарного сигнала

изображена сумма ) сдвинутых -..,

по фазе сигналов, поступающая на дру- /2 получаем (фиг. 1х) :

гой вход фазоизмерительного устрой- i Ucc (t)2A cos ( )008 ( ) +

ства. Входные сигналы могут быть

представлены в виде:

и,,5-,и(и),Ьч ,,,п(),

()cos( + fJ. Вьщеляют огибающие разностного сдвинутого суммарного сигналов (фиг. 1ж,О. Аналитическое

f. I . . 1 TV., Л / . 1 n

(ч) 30 огибающих имеет вид:

вырд

Up(t)2A,.. 5-,п(Ч ,|2),$т(Т,(2)-8Л,Л,5т(Т,( 2)-51п()Со5(),)ЬУ,-Ч ,

iu,,U)42 ;CogC%|2),(%/2) +8|,A,Cos((YJ2)Cbз(oJ,-uJ,)ЬЧ,,

где Up(t), U(i(. (t) - соответственно ного сигнала. Огибающая разностного

огибающие разност- сигнала принимает экстремальные зна- ного и сдвинутого .Q чения в моменты времени, когда пер- суммарного сигналов; вая производная от ее аналити Определяют моменты появления и значе- ческого выражения обращается в

ния экстремумов огибающей разнос - ноль;

u (t)-8A,((uJ,-cJJs-,bL(uJ,-iJJt-b4 -Ч .

ai|C2A,Sm(H J2)2 i:2- jSmC4 il2)+8/,AjSih(K,/)-5;r,(4J /2;CosCt4-o4),-4

откуда

.. ЛГп- . р. ,/04Запищем разностньй сигнал в следуюС.; , I f у

uJ -О)

где tj - моменты времени, при котощем виде: Up(t)(4/,/2)cos(uJ,t+4 +uJ.f ) ..„.....„. „г, -....у и,. : IJJ.

рых огибающая разностного сигнала -u)t+Ч,-vf)+2A,sin()cos ,),

Определим значение разностного и

имеет экстремум

Откуда:ипрсмслим значение рызииии ИШ и и

Up(ti) () t2Ag,sin()/,(10)сдвинутого суммарного сигналов в

Ucc.(ti)()±2A4sin()/, (11)моменты времени tj :

(12)

Uj(t),h(uJ,t-V,)(J,),

to

С) где и (t), UjCt) - наложенные сигна-.

лы; А, А,- iuJ,j, соответственно

Ч ч U/ Ч амплитуда, часто- iv ii -ii a

та, начальная

фаза и измеряемый фазовый сдвиг первого и второго сигналов. После вычитания и суммирования имеем:

Up(t)2A,sin(4 y2)cosU,t+4 ) + ., +sin()cos(cJ,,t+4 ,,), (3) (t) (VF,/2) sin(cJ,t+4,)-н ()sin(), (4)

где Up (t), Uj. (t) - соответственно

разностный и суммарный сигналы (фиг. ,-.

2Qi

о После сдвига суммарного сигнала на

-..,

/2 получаем (фиг. 1х) :

Ucc (t)2A cos ( )008 ( ) +

()cos( + fJ. (5) Вьщеляют огибающие разностного и сдвинутого суммарного сигналов (фиг. 1ж,О. Аналитическое

. . 1 TV., Л / . 1 n

огибающих имеет вид:

вырджени€

(61

(7)

щем виде: Up(t)(4/,/2)cos(uJ,t+4 +uJ....у и,. : IJJ.

-u)t+Ч,-vf)+2A,sin()cos ,

-u)t+Ч,-vf)+2A,sin()cos ,),

Определим значение разностного и

ипрсмслим значение рызииии ИШ и и

сдвинутого суммарного сигналов в

(12)

U(t, ){2A,sin(7,/2)cos(uJ-4J f, + + Ч, - Yj+2A,,sin( )} cos ( +У) ,

(13)

U(tT),2A,cos()posC(uJ,-u;,)ti + + ()}.. cos(,)

(14)

Из формул (13; и (14) видно, что вблизи моментов времени t j разностный и сдвинутый суммарный сигналы меня12

Up(t) Up(t)Cos{oJ,t+ +arct

A,jSin(yj2)Slh(cJ,-oJ,,)

,

A,Sm(4, |2)+A Sin(4,(uJ,-A),-4 J- CIS)

,, ,,, ,, /,, r ,, „ (4 i/z)S-mC(uJ,-oJ,,)t+. -4 -. U(t).U.,(t)Q,3{.t Vo-c1,,,,,,(,|(.;|t,.3}.

Очевидно, что фазовый сдвиг между разностным и сдвинутым суммарным сигналами, пропорциональный разности арктангенсов, меняется во време2Т

ни с периодом Т

т.е. с пери0-JJ

одом, соответствующим периоду огибающей биений аддитивной смеси входных сигналов.

Раскрывая модули в формулах (10) и (11), при использовании формул (6) и (7), а для P(t) формул (13) и (14), получаем, что измеряемые фазовые сдвиги могут быть найдены из соотношения:

Ч- 2arctg

Up(t )tUp(t )

1,г

U(t )P(f )±U,,(t)P(t)

де

Up(t), и,

ее (t) t P(t ), P(t) (17)

измеряемые фазовые сдвиги; огибающие разностного и сдвинутого суммарного сигналов соответственно;моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет разно.ймен- ные экстремумы; знаки фазового сдвига между разностным и сдвинутьм суммарным сигналами в моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет разно1219980

ются по закону cos (,+ч), причем при совпадении знаков выражений перед косинусами фазовый сдвиг равен О и знак фазового сдвига + , при противоположных - фазовый сдвиг- tfr и знак фазового сдвига -.

Кроме того, разностньй и сдвинутый суммарньй сигналы могут быть записаны в следующем виде

,

-

(16)

именные экстремумы, т.е. , при сдвиге , при сдвиге tfr.

Устройство, реализующее способ, содержит три вычитателя 1-1 - 1-3, три сумматора 2-1 - 2-3, фазовращатель 3, два амплитудных детектора 4-1 и 4-2, фазовый детектор 5, блок 6 определения экстремумов, два ключа 7-1 и 7-2, два блока 8-1 и 8-2 выборки-хранения, два блока 9-F и 9-2 инверсии, два делителя 10-1 и 10-2, два блока 11-1 и 11-2 определения арктангенса, два усилителя 12-1 и 12-2.

Входы вычитателя 1-1 и сумматора 2-1 попарно объединены и являются входами устройства в целом. Выход сумматора 2-1 через фазовращатель 3 связан с входом амплитудного детектора 4-2 и первым входом фазового детектора 5, второй вход которого подключен к выходу вычитателя 1-1 и входу амплитудного детектора 4-1. Выход амплитудного детектора 4-1 связан с информационным входом блока 6 определения экстремума. Выход фазового детектора 5 связан с информационными входами ключей 7-1 и 7-2. Выход амплитудного детектора 4-2 связан с информационными входами блоков 8-1 и 8-2 выборки-хранения. Первый управляющий выход блока 6 определения экстремумов связан с управляющими .входами ключа 7-1 и блока 8-1 выборки-хранения, а второй - с управляющими входами ключа 7-2 и блока 8-2 выборки-хранения. Два выхода блока 6 определения экстремумов попарно

соединены с входами сумматора 2-2 и вычитателя 1-2. Выход ключа 7-1 связан с управляющим входом блока 9-1 инверсии, информационньй вход которого связан с выходом блока 8-1 выборки-хранения. Выход ключа 7-2 связан с управляющим входом блока 9-2 инверсии, информационный вход которого связан с выходом блока 8-2 выборки-хранения. Выходы блоков 9-1 и 9-2 инверсии попарно связаны с входами сумматора 2-3 и вычитателя Г-3. Выходы сумматоров 2-2 и 2-3 соединены с входами делителя 10-1, выход которого подключен к входу блока 11-1 определения арктангенса, чей выход связан с входом усилителя 12-1 причем выход последнего является первым выходом устройства в целом. Выходы вычитателей 1-2 и 1-3 соединены с входами делителя 10-2, выход которого подключен к входу блока 11определения арктангенса, чей выход связан с входом усилителя 12-2, причем выход последнего является вторым выходом устройства в целом.

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

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

Устройство работает следующим образом.

Из входных сигналов U, (t) и I5y,(t) (фиг. 1&,е) посредством вычитателя 1-1 и сумматора 2-1 формируют разностный Up(t) (фиг. Ij) и суммарный Uc.(t) (фиг. 1) сигналы.Затем суммарный сигнал сдвигают фазовращателем 3 на П /2. Фазовращатель настрог ен на постоянный сдвиг по всей полосе частот. Амплитудные детекторы 4-1 и 4-2 выделяют огибающие разностного и сдвинутого суммарного сигналов Up(t) и Uce (t) (фиг. фазовый детектор 5 измеряет текущую разность фаз между разностным и сдви

нутым суммарным сигналами. Блок 6 определения экстремумов определяет моменты появления и значения экстремумов огибающей разностного сигнала. В момент времени (t ), когда огибающая разностного сигнала Up (t) имеет минимум, блок 6 определения экстремумов вьщает разрешающий сигнал на блок 8-1 выборки-хранения и ключ 7-1. В момент времени (t), когда огибающая разностного сигнала Up (t) имеет максимум, блок 6 определения экстремумов выдает разрешающий сигнал на блок 8-2 выборки-хранения и ключ 7-2. Блоки 8-1 и 8-2 выборки-хранения фиксируют значения огибающей сдвинутого суммарного сигнала. Ключи 7-1 и 7-2 стробируют выход фазового детектора 5. При этом стробированные значения с выхода фазового детектора 5. поступают на управляющие входы блоков 9-1 и 9-2 инверсии соответственно. При наличии нулевого сдвига фаз между разностным и сдвинутым суммарным сигналами на выходе фазового детектора 5 формируется сигнал положительной полярности, который управляет блоком инверсии так, что сигнал с блока выборки-хранения проходит без изменения. При наличии сдвига фаз tl между разностным и сдвинутым суммарным сигналами на выходе фазового детектора 5 формируется сигнал отрицательной полярности, который управляет блоком инверсии, так что сигнал с блока выборки-хранения инвертируется. Полученные таким образом экстремальные значения огибающей разностного и обработанные значения огибающей сдвинутого суммарного сигналов поступают попарно на сумматоры 2-2 и 2-3 и вычитатели 1-2 и 1-3. Найденные суммы подаются на делитель 10-1, а разности - на делитель 10-2. Частные от деления обрабатываются в блоках П и 11-2 определения арктангенсов и затем умножаются на два в усилителях 12-1 и 12-2 соответственно. Результаты вьщаются на выходы, которые являются выходами устройства в целом.

а Ь

6

VJF/((,)

/ч .

/ /

AiSinltDjti- Щ121,

/ /ч / / /ч Х / /Ч /

/ / у

г; ).

Й/г./ f/p/thl/p/f

ЛЗ 3&Н ЗЧЗ Uplt4-U t ) / apH hUpfi i К77Ь| °(ссЦ-1-Р(( -).p(t 7

- ir/a{ V «-/t У- 7

у

) исс/гГри Г .

accftipli hu ffj-PH }

Фиг.2

ВНЙИПИ Заказ 1319/53 Тираж 728 Подписное Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, А