Способ определения сдвига фаз Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 

15

20

Изобретение относится к радиоизмеительной технике и может быть исользовано для измерения сдвига фаз зашумленных электрических.сигналов в широком диапазоне частот и амплитуд 5 с высокой точностью. ,

Цель изобретения - повьшение точности измерения.

Указанная цель достигается путем сключения фазоамплитудной погрешнос- и, вносимой перемножителями. Инструментальная погрешность операции пе- емнбжения образуется за счет разичного времени срабатывания логического перемножителя по переднему и заднему фронту сигнала. Абсолютная величина этой погрешности зависит от быстродействия логического перемножителя

На фиг.1 приведены временные ди- аграммы, иллюстрирующие возникновение, погрешности перемножителя; на фиг.2 - реальные и идеальные фазовые характеристики перемножителей; на 25 фиг. 3 - структурная схема устройства, реаго1зующего предлагаемый способ; на г, 4 - временные диаграммы выходных сигналов генератора последовательностей импульсов. 30

Устройство (фиг.З) содержит аттенюатор 1, первый усилитель 2, первый ограничитель 3, первый перемножитель 4, первый преобразователь 5 интервал времени - код, второй усили- тель 6, второй ограничитель 7, фазо- сдвигаииций блок В, второй перемножитель 9, второй преобразователь 10 интервал времени - код, генератор 11 последовательности импульсов, вычис- 40 литель 12, причем выход аттенюатора соединен последовательно с первым усилителем 2 и ограничителем 3, выход первого ограничителя 3 соединен с первыми входами первого 4 и второ- 45 го 9 перемножителей, выход второй последовательной цепочки, состоящей из усилителя 6 и ограничителя 7,сое- диненного с вторым входом перемножителя 4 и входом фазосдвигающего бло- 50 ка 8, выход которого соединен с входом перемножителя 9, выходы первого 4 и второго 9 перемножителей соединены соответственно с первыми входами преобразователей 5 и 10 интервал 55 времени - код, два выхода генератора, последовательностей импульсов соединены с двумя вхбдами управления преобразователей 5 и 10 интервал

5

0

5

5 0

0 5 0 5

времени - код, третий выход генератора 11 последовательности импульсов соединен с входом управления аттенюатора 1, четвертый выход генератора 11 последовательности импульсов соединен с первым входом вычислителя 12, второй и третий входы которого соединены с выходами преобразователей 5 и 10 интервал времени - код.

Способ осуществляют следующим образом.

Измеряемьм сигнал подают на вход аттенюатора 1, который в исходном состоянии имеет нулевое затухание. Это исходное состояние задают при помощи генератора 11 доследователь- нобти импульсов, работа которого описывается временными диаграммами, представленными на фиг.4. Так, на диаграмме IV сигналу с нулевым уровнем соответствует нулевое затухание аттенюатора, а сигналу с уровнем 1 соответствует определенное выбранное затухание (например,20 дБ). Сигнал с выхода аттенюатора 1 усиливают и ограничивают при помощи усилителя 2 и ограничителя 3.

Опорный сигнал, который обычно значительно большей амплитуды, чем измеряемый, также подвергают усилению и ограничению. Оба ограниченных сигнала перемножают на перемножителе 4. Временная диаграмма сигнала на выходе перемножителя 4 представлена эпюрой Z (на фиг. 1). Результат перемножения заключается в скважности прямоугольного сигнала. Поэтому далее с помощью преобразователя 5 интервал времени - код, Которьм осуществляют подсчет импульсов своего внутреннего генератора, совпавших с сигналом за время измерения , , производят интегрирование.

Время измерения задают в соответствии с эпюрой У на фиг.4 при помо- пщ генератора 11 последовательностей импульсов. Для приведения счетчика в преобразователе интервал времени - код в начальное состояние используют сигнал Сброс необходимой длительности . , который формируют генератором 11 последовательностей импульсов (фиг.4, эшйра VI11).

За первое время измерения на выходе преобразователя 5 интервал времени - код получают код, соответствующий А по формуле (5).

Ограниченный опорный сигнал подают на фазосдвигающий блок 8, при помощи которого производят сдвиг фазы на 7i/2. Работа перемножителя 9 и преобразователя 10 интервал - код пол- ностью аналогична уже описанной работе перемножнтеля 4 и преобразователя 5 интервал времени - код.Код, полученньй на выходе преобразователя 10 интервал времени - код за пер- вое время измерения, будет соответствовать ACJ по формуле (5).

Считьшание кодов преобразователей 5 и 10 интервал времени - код в вычислитель 12 производят по сигналу генератора 11 последовательностей импульсов в соответствии с эпюрой Vll на фиг. 4. Длительность этого сигнала Т выбирают достаточной для надежного считывания обоих кодов.

Б вычислителе 12 производят запоминание кодов за первое время измерения. Аттенюатор 1 при помощи сигнала генератора 11 последовательностей импульсов переключают в положение,соот ветствующее некоторому затуханию.Величина затухания может быть выбрана в очень широких пределах (от нескольких раз до бесконечности), Проводят дополнительное измерение, в резуль - тате которого получают коды, соответствующие величинам Agg и ACI по формуле (6).

Вычисление сдвига фаз в вычислителе 12 производят по формуле (7), учитывающей первые запомненные результаты A(;j и AS и дополнительно полученные результаты и .

Разность ;задержек по фронтам A t toj зависит от индивидуаль- ных свойств логического перемножи- теля и приводит к смещению уровня постоянной составляющей выходного сигнала перемножителя. Средняя величина смещения уровня постоянной сое- тавляющей при единичных амплитудах ограниченных сигналов выразится следующим образом:

и.

N

тй

пл1.

(I)

50

UI. и JM

де N - число парных нуль-переходов смеси измеряемого сигнала и шума за время изме- 55 рения

п - средняя частота нуль-переходов смеси измеряемого сигнала и шума.

Величина п зависит от частоты сигнала, полосы частот шума и от отношения сигнал/шум qg.

Средняя величина полезного результата на выходе перемножителей синусного и косинусного канала вьгражается

Hs

IJ.

(2)

kq. со8ф ; -kq зшф ,

где k - безразмерный коэффициент, зависяш 1й от q (при I, ,5); Ф- искомый сдвиг фаз. Тогда на выходах накопителей результатов логического перемножения за время измерения получим

AS (kq cos9+ 0,5)f

AC TV,,, (-kq зшф + пд .+ 0,5),

(3)

где - разность задержек по фронтам для перемножителя синусного канала;

разность задержек по фрон- там для перемножителя косинусного -канала. Слагаемое, равное 0,5, образуется за счет перемножения однополярных логических (от О до 1) сигналов.

Пример реальных (1,11) и идеальных (111,IV) характеристик перемножителей при qt I приведен на фиг.2.Вычислени.е искомого сдвига фаз производится по формуле

arctg ( - -f-Ч-Н

s i(4)

.M 1 A. - 0,5 T

Обозначим фазу паразитного сигнала через Фг| а его амплитуду пронумеруем по шуму, приведенному к входу, и обозначим q.

Тогда с учетом погрешностей перемножителей (3) реальные результаты накопления в синусном и косинусном каналах выразятся следующим образом:

п

ASI T«jM (kqc созЦ) + + 0,5 + kq -cosф);

ACI T,jM(-kqt з1пф+ пд 1с+ + 0,5 - kq 81пф.

(5)

В соответствии с предлагаемым способом необходимо запомнить Ag и А 14 После ослабления измеряемого сигнала в m раз проводят дополнительное измерение и получают

As2 Т,„(-3 cos 45+ + 0,5 + kq, созф);

Т (

HIM V

(6)

sin Ц) + пд (.+

42njrn щ

+ 0,5 - kq, 81пф).

Искомый сдвиг фаз находят по следующей формуле:

Ч - arctg (). (7) S,i 2.

Подстановка 4юрмул (6) и (5) дает

Ч arctg

р 1хШ- К .

Ч1с(---) 31ПЦ

Ч).

Т„,, k . q g(-Sll) созц) (8)

Анализ проведенных операций показывает, что предлагаемый способ поз (Воляет скомпенсировать погрешность перемножения и погрешность, обусловленную паразитной связью между квад- ратурными составляющими опорного сигнала и входом усилителя измеряемого сигнала. Возникающее при этом уменьшение сигначьной составляющей в

т-1.

--- раз может быть сделано незначительным за счет выбора величины m (практически во многих случаях доста- Ьгочно, чтобы m 3) . Компенсация погрешностей позволяет повысить чувст- вйтельность и точность, которые огра

Ш

15

20

30

35Р 1чиваются воздействием рассмотрен- гх погрешностей.

Благодаря введению операций усилия измеряемого сигнала перед его ограничением, запоминанию результатов накопления, ослабл ению измеряемого сигнала, проведению дополнительного измерения и вычисления сдвига фаз по запомненным и дополнительно полученным результатам устраняются два вида погрешностей, свойственных основному способу. Это позволяет получить повьпдение точности при измерении сдвига фаз.

Формула изобретения

Способ определения сдвига фаз,зак- лючаюш 1йся в том, что измеряемый сиг- нал ограничивают, перемножают раздельно с каждой из вьщеленных квадратурной составляющей опорного сигнала и также раздельно по каждой составляющей накапливают результаты перемножения, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точное- ти, измеряемый сигнал перед ограничением усиливают, запоминают результаты накопления, ослабляют измеряемый сигнал и вновь получают результаты накопления, затем находят арктангенс отношения разности результатов накопления по косинусной составляющей опорного сигнала к разности результатов накопления по синусной составляющей.fue.f

j/гг

Изобретение относится к радио-, измерительной техршке. Может быть использовано для измерения сдвига фаз зашумленных электрических сигналов в широком диапазоне частот и амплитуд с высокой точностью. Цель изобретения - повышение точности измерения. Предлагаемый способ заключается в следующем. Измеряемый сиг нал ограничивают и затем раздельно перемножают с каждой из выделенных квадратурных составляющих опорного сигнала. Результаты данных произведений накапливают. Цель достигается за счет последовательного усиления и ослабления измеряемого сигнала перед ограничением и определения отношения разности результатов накопления по косинусной составляющей опорного сигнала к разности результатов накопления по синусной составляющей. Устройство, реализующее данный способ, содержит аттенюатор 1, усилители 2 и 6, перемножители 4 и 9, ограничители 3 и 7, преобразователи интервал времени - код 5 и 10, фазо- сдвигающий блок 8, генератор 11 последовательности импульсов и вычислитель 12. Точность измерения повьшает- ся за счет исключения фазоамплитуд- ной погрешности, вносимой перемножителями. 4 ил. Ф Фиг.З

Редактор С.Пекарь

Составитель Шубин Техред И.Попович

Заказ 7639/47Тираж 730Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

(ригЛ

Корректор М.Демчик