Способ измерения сдвига фаз Советский патент 1986 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к способам электроизмерений и может применяться для точных измерений фазовых сдвигов между двумя сигналами.

Цель изобретения - повышение точности измерений путем частичного исключения систематических ошибок, вносимых элементами, измерительных цепей. , ;

На чертеже представлена структур- to измеряемого, суммарного и второго

ная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит входные блоки 1 и 2, усилители 3 и 4, делители 5 и 6 мощности, аттенюатор 7, дополнительный фазовращатель 8, сумматоры 9 и 10 , квадраторы 11-14, измерители 15-18, фазорасщепитель 19, оконечный усилитель 20, входные зажимы 21 и 22, блок 23 сопряжения, миниЭВМ 24 и переключатель 25, причем входной .зажим 21 через входной блок 1 связан с усилителем 3 и вторым входом переключателя 25, входной зажим 22 через входной блок 2 связан с первьм входом переключателя 23, вход которого через последовательно соединенные аттенюатор 7, фазовращатель 8 и усилитель 4 связан с входом делителя 6, выход усилителя 3 соединен с входом делителя 5, первый выход которого через квадратор 11 соединен с измерителем 15, первый выход делителя 6 через квадратор 13 связан с измерителем 17, а второй выход делителя 6 через последовательно соединенные фазорасщепитель 19 и усилитель 20 соединен с вторым входом сумматора 10, первые входы сумматоров 9 и 10 подключены к выходу делителя 5, выхо сумматора 9 через квадратор 12 соединен с измерителем 16, а выход сумматора 10 через квадратор 14 - с измерителем 18, блок сопряжения 23 связан с переключателем 25, аттенюатором 7, фазовращателем 8, измерителями 15-18 и миниЭВМ 24.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следуницим образом.

Опорньй синусоидальный сигнал частотой СО и амплитудой и,„ поступает на входной зажим 21, а измеряемый сигнал - на входной зажим 22. В первом положении переключателя 25 измеряемый сигнал амплитудой UHJM поступает на вход аттенюатора 7, затухание которого миниЭВМ 24 устанавливает

равным нулю. Фазовращатель 8 устанавливается в нулевое положение. В этом случае на входах квадраторов 11-14 имеются напряжения, соответствующие опорному, измеряемому, суммарному и второму суммарному сигналам. На выходах квадраторов 11-14 находится постоянная составляющая, пропорциональная квадрату амплитуды опорного.

суммарного сигналов, измеряемых измерителями 15-18, в качестве которых используются цифровые вольтметы постоянного тока. Показания измерителей 15-18 имеют следующий вид: (f)

y,c,

.«i

Uг-C,к Uoп 4 lг.+2 зK4Uo„U«,мC05(c|UЧ,); ,« 2l jK64onUv,SMC05{c|iiC a . где C, Cj, С,, C - коэффициенты передачи квадраторов 11-14 и измерителей 15-18;

К,,..., Kg - коэффициенты, учитывающие неидеальность коэффициентов передачи блоков 1 и 2, усилителей 3 и 4, усилителя 20, фазорасщепителя 19, сумматоров 9 и 10 и деталей 5 и 6;,

utf, и лср2 фазовые сдвиги,учитьша- ющие неидеальностьперечисленшлх блоков.

tf, - фазовый сдвиг фазовращателя В;

Cf - измеряемый фазовый сдвиг. Преобразуют систему (1) к следующему виду:(2)

U,, + ,,UjC05 СР ;, 1 li4-4 - 4 l 241 4-llMJ75;n(,) где )

. K5

K4- -t J-fc7;

(,-,

q), ucf,-bcfj-q,-qo°.

Из системы (2) измеряемый сдвиг фаз определяется.по формулам:

., U,, . л(3)

ItirSW

1

2К,КглПЦ17 °i

cf arccos

. iK,,Ui Однако вследствие неидеальности упомянутых элементов, коэффициенты

К(, Kj, К, фазовый сдвиг неизвестны. Для их определения ми- ниЭВМ 24 .устанавливает затухание аттенюатора А и фазовый сдвиг фазовращателя 8ср„ . Таким образом, к измеряемому фазовому сдвигу Ср суммируется первый дополнительный фазовый сдвиг, а амплитуда измеряемого сигнала изменяется в К, раз. Показания измерителей 16-18 соответственно равны и,, и,, и. Эти показания вводятся через блок 23 в память ми- ниЭВМ 24.

Затем миниЭВМ 24 через блок 23 устанавливает затухание аттенюатора 7 AJ и.фазовый сдвиг фазовращателя 8cfjj . Показания измерлтелей 16-18 равны и , , 1)42- Эти показания вводятся через устройство 23 в память миниЭВМ 24. Аналогичные операции проводятся К раз. При , используя также результаты измерений U(, 1)2, U-, Uj( , получают систему из 10 нелинейных уравнений с 10 неизвестными, имеющую вид:

)ЛK2Ul- гк,,Uг co5Cp ,K Uj42K,X.u;075in(a- p ;

,,Uj co5 Q j U44-K jU, + l(J,j +2K lC | p75in ((p),

Практически для повышения точности используется большее число уравнений. В этом случае для решения системы (4) применяется метод наименьших квадратов. МиниЭВМ 24 решает систему (4) и определяет неизвестные коэффициенты К , К, К, К и сдвиг фаз (рд , используя хранящиеся в памяти значения квадратов амплитуд опорного и, измеряемого Uj, суммарного Uj и второго суммарного U сигналов, а также ЗК дополнительных измерений квадратов амплитуд измеряемого, сум- маркого и второго суммарного сигналов. Затем по формулам (2) определяется измеряемый фазовый сдвиг cf . Однако найденное значение фазового сдвига еще содержит постоянную систематическую погрешность дс|), . Для устранения этой погрешности миниЭВМ 24 переводит переключатель 25 в по

(4

ложение

а фазовращателем 8

устанавливается фазовый сдвиг-дер,. Затем переключат ель 25 устанавли- ВНИИПИ Заказ 2284/46

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

8038.4

вается в положение 1. В память миниЭВМ 24 вводятся показания измерителей 15-18, а по формулам (2) определяется искомый сдвиг фаз, свобод- 5 ный от систематических погрешностей.

Как показали экспериментальные исследования, точность измерения сдвига фаз составляет ±0,7 при использовании измерителей 15-18 с пог- tO решностью 0,2% на частоте 3 ГГц. Таким образом, предложенный способ позволяет повысить точность измерения в 3 раза.

Формула изобретения

Способ измерения сдвига фаз, заключающийся в том, что суммируют опорный и измеряемый сигналы, сдвигают измеряемый сигнал на 9(f , вновь сум25

35

30

40

мируют опорный и сдвинутый измеряемый сигналы, измеряют квадраты, амплитуд первого и второго суммированных сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, измеряют квадраты амплитуд опорного и измеряемого сигналов, проводят К/К 5 4 дополнительных измерений амплитуд измеряемого, первого суммированного и второго суммированного сигналов, сохраняя при этом амплитуду опорного сигнала постоянной, причем в j -м дополнительном измерении суммируют с измеряемым фазовым сдвигом j-и дополнительный фазовый сдвиг, изменяя также амплитуду измеряемого сигнала в Kj раз, а измеряемый фазовый сдвиг (f определяют по формулам:

. rU4-k5U,, q .arc5m , sec «, ч- ик к+лГид

iJ,,-Klu

Ч

C OPCCOS

UrKiUr iU,

где К, , К , К, , К - коэффициенты; Тд - сдвиг фаз, для определения которьк используются значения квадратов амплитуд опорного (1, , измеряемого Uj , суммарного И и второго суммарного (1 сигналов, а также ЗК дополнительных измерений квадратов амплитуд измеряемого, суммарного и вто- рогр суммарного сигналов. ираж 728 Подписное

Ужгород, ул. Проектная, 4

Изобретение относится к области электроизмерений. Может применяться для точных измерений фазовых сдвигов между двумя сигналами. Цель изобретения - повышение точности измерений - достигается за счет частичного исключения систематических ошибок, вносимых элементами измерительных цепей. Согласно данному способу суммируют опорный и измеряемый сигналы, сдвигают измеряемый сигнал на 90, вновь суммируют эти сигналы, измеряют квадратуры амплитуд первого и второго суммированных сигналов, затем проводят ряд дополнительных измерений амплитуд первого и второго суммированных сигналов, сохраняя при этом амплитуду опорного сигнала постоянной. Измеряемый фазовый сдвиг определяется по формулам. Вывод формул приводится в описании изобретения. Устройство, реализукйцее способ, содержит входные блоки 1 и 2, усилители 3 и 4, делители мощности 5 и 6, аттенюатор 7, дополнительный фазовращатель 8, сумматоры 9 и 10, квадраторы 11-14, измерители 15-18, фазорасщепитель 19, оконечный усилитель 20, входные зажимы 21 и 22, блок сопряжения 23, миниЭВМ 24 и переключатель 25. 1 ил. о Ф (Л