Измеритель сдвига фаз Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 

1

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при измерении сдвига фаз между опорным сигналом и сигналом, искаженным гармоническими составляющими, и является усовершенствованием известного устройства по авт.св. № 741186.

Цель изобретения - повышение точности измерения разности фаз негармо нических сигналов.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая его работу

Измеритель сдвига фаз содержит последовательно соединенные первый ин тегратор 1, первый инвертор 2, первый ключ 3, второй интегратор 4, последовательно соединенные третий ин- 20 тегратор 5, второй инвертор 6, второй ключ 7, четвертый интегратор 8, а также синхронизатор 9, делитель 10 частоты, дешифратор 11, третий ключ 12, формирователь 13, стробоскопичес- 25 кий преобразователь 14,,аналого-цифровой преобразователь 15, перемножители 16 и 17, запоминающий элемент 18, сумматоры 19 и 20, вычислитель 21, Причем входы первого 1 и третье- го 5 интеграторов объединены и сое- динаны с клеммой измерительного входа, выходы первого 1 и третьего 5 интеграторов соединены соответственно с первым 3 и вторым 7 ключами. выходы второго 4 и четвертого 8 интеграторов соединены через третий ключ 12 с входами Стробоскопического преобразователя 14, входы сброса первого 1 и второго 4 интеграторов соединены с вторым выходом дешифратора 11 , сброса третьего 5 и четвертого 8 интеграторов соединены с третьим выходом дешифратора 11, четНа диаграмме (фиг.2) показаны сигналы: на выходе .синхронизатора 9 (а) на управляющем входе первого ключа 3 (б), на управляюп ем входе второго ключа 7 (в), импульс сброса третьего 5 и четвертого 8 интеграторов (г), импульс сброса первого 1 и второго 4 интеграторов (д), на управляющем входе третьего ключа 12 (е) и строб-импульс на входе стробоскопического преобразователя 14 (ж).

Устройство работает:следующим образом.

Входной сигнал, искаженный в общем случае гармоническими составляющими, поступает на первого 1 и третьего 5 интеграторов. Синхронизатор 9 формирует импульсы с частото в целое число p-k раз вьше частоты сигнала , где р количество дискретных выборов за период сигнала Т, k 2,3,4.., Для указанного (фиг.2а) частного случая . Формирователь 13 вырабатывает импульсы в момент равенства фазы опорного сигнала 360-т (град.), где m - целое число. Эти импульсы сбрасывают дели- 35 тель 10 частоты для однозначной синх ронизации его состояния с фазой опор ного сигнала. Младшие разряды делителя 10 частоты (деление на k) соеди

X

40

йены с дешифратором 11, а старшие

(деление на ментом 18.

р) - с запоминающим эле-

Пусть, t;, t.+Т/Р, гд,е ,1,2... Рассмотрим по временной диаграм- вертый, пятый и шестой выходьз дешиф- (фиг.2) работу последовательно

ратора t1 соединены соответственно с первым 3, вторым 7 и третьим 12 ключами, входы синхронизатора 9 и формирователя 13 соединены с входной клеммой опорного сигнала, выход синх- д ронизатора 9 и формирователя 13 соединены с входной клеммой опорного ,сигнала, выход синхронизатора 9 сое- динен с делителем 10 частоты и дешифратором 11, выход формирователя 13 . соединен с другим входом делителя 10 частоты, выходы которого соединены с дешифратором 11 и запоминающим эле- ментом 18, стробоскопический псеобрэсоединенных первого интегратора 1, первого инвертора 2, первого ключа 3 и второго интегратора 4. После окончания в момент времени

t,

-2Т/Р -T-i/p -2Т/Р

55

импульса разряда первого 1 и второго 4 интеграторов (фиг.2д) напряжение на выходе первого интегратора 1 U, изменяется по закону

и, г, I и,, dt,

tVa где г - масштабный коэффициент первого интегратора.

5

10

fS

20й - 25 986842

зователь 14 соединен через аналого- цифровой преобразователь 15 с первыми входами перемножителей 16 и 17, которые вторыми входами соединены с запоминающим элементом 18, а выходами через сумматоры 19 и 20 - соответственно с вычислителем 21.

На диаграмме (фиг.2) показаны сигналы: на выходе .синхронизатора 9 (а); на управляющем входе первого ключа 3 (б), на управляюп ем входе второго ключа 7 (в), импульс сброса третьего 5 и четвертого 8 интеграторов (г), импульс сброса первого 1 и второго 4 интеграторов (д), на управляющем входе третьего ключа 12 (е) и строб-импульс на входе стробоскопического преобразователя 14 (ж).

Устройство работает:следующим образом.

Входной сигнал, искаженный в общем случае гармоническими составляющими, поступает на первого 1 и третьего 5 интеграторов. Синхронизатор 9 формирует импульсы с частотой в целое число p-k раз вьше частоты сигнала , где р количество дискретных выборов за период сигнала Т, k 2,3,4.., Для указанного (фиг.2а) частного случая . Формирователь 13 вырабатывает импульсы в момент равенства фазы опорного сигнала 360-т (град.), где m - целое число. Эти импульсы сбрасывают дели- 35 тель 10 частоты для однозначной синхронизации его состояния с фазой опорного сигнала. Младшие разряды делителя 10 частоты (деление на k) соедиX

0 5

40

йены с дешифратором 11, а старшие

(деление на ментом 18.

р) - с запоминающим эле-

соединенных первого интегратора 1, первого инвертора 2, первого ключа 3 и второго интегратора 4. После окончания в момент времени

t,

-2Т/Р -T-i/p -2Т/Р

д

55

импульса разряда первого 1 и второго 4 интеграторов (фиг.2д) напряжение на выходе первого интегратора 1 U, изменяется по закону

и, г, I и,, dt,

tVa где г - масштабный коэффициент первого интегратора.

3

На интервале времени (t. , t,-., -T/(p k) на вход второго интегратора 4 поступает выходное напряжени первого интегратора 1, прошедшее чрез первый инвертор 2 и первый ключ 3, а на интервале времени (t; - -T(p.k), t -2T/(p-k)) - прошедшее только через первый ключ 3 (фиг.2б Напряжение на выходе второго интегратора 4 в момент t t -2T/() имеет вид

U4(ti-2T/(p.k) r

Г 1

- , J u,,dtj

r,

t|-j где r ii,(p-M

J

t;-2

t,-2T/(p.k) J

i;-rT(p.v4

UBX, dt| d-: ,

масштабный коэффициент второго интегратора 4.

В момент времени t t;-T/(p k) к входу стробоскопического преобразователя I4 через третий ключ 12 по соединен выход второго интегратора и строб-импульс (фиг.2ж) разрешает запоминание величины U(t -2T/(p/k) в стробоскопическом преобразователе 14 на время, необходимое для ее пре образования в цифровой код, после чего на интервале времени ((p-k tj ) производится разряд первого 1 и второго 4 интеграторов перед новым циклом интегрирования (фиг.2д).

Аналогично, но с отставанием по времени на Т/р, работают последовательно соединенные третий интеграто 5, второй инвертор 6, второй ключ 7 четвертый интегратор 8. Напряжение на выходе четвертого интегратора 8 в момент запоминания его в стробоскпическом преобразователе 14 имеет вид - ti-T/{p-k)

Ug(t,, -2T/(p.k))rg J i,4./(

Г f 1

- r,U,,dt d€ + r,

- tt J ,.,i

- . Jtl d ,

V i JJ

i;-TJ(p.lc)

где

f

- масштабный коэффициент третьего интегратора 5

M (t-t;., ), te(t,-., , ti

g; (t)

М

(-t+t-, -2T/(p.k), te(t.-T/(p.k), t.,,-2T/(p.k);

0, t (t,-., , t;, - 2T/(p.k)).

r r - масштабный коэффициент четвертого интеграто- ча 8.

Таким образом, на выходе аналого- цифрового преобразователя 15 формируются цифровые коды xj, пропорциональные запомненному напряжению:

xj ,8 (t;, - 2T/(p.k)), где L - коэффициент.

Цифровые эквиваленты мгновенных значений поступают на перемножители 16 и 17,- где умножаются на коды, хранящиеся в запоминающем элементе 18

и пропорциональные

. cos---J

. ,, -. sin(

Результаты умножений наКап

ливаются в сумматорах 19 и 20.

Сумматор 19 накапливает число, разное

pN

а.

,.,

чг- / л, X. S ;Zl X..Sln(--j),

j-1 p

где ,,,/T - число периодов сиг- укладьшаюгтихся во времеИ-}М

нала.

5 j

J

/ II , ч

COS(--J).

5

0

ни измерения Сумматор 20 накапливает число, равное

pti

ас г:

Вычислитель 21 выполняет операцию вычисления результата по алгоритму ср arctg(a5/ac).

Техническим преимуществом устройства является повьппение точности разности фаз негармонических сигналов. Воспользовавшись методом интегрирования по частям и свойствами определенного интеграла, как функции верхнего предела, преобразует выражение для

Ug(t. -2T/(p.k)) к

виду

45

0 +

Ug(t,,, -2T/(p.k)) Г5 . Гд

-yP X)i.,-2t(p.V

(t,v, ) j. u,, dt + I и

i.. - I eu

ii-T/(p.k)

(P-H

;i

i;.,

BX.

dt +

.dt

,

dt

Ввводят кусочно-линейную финитную весовую функцию g;(t):

-T/(p-k);

Положим

i,,-2T/(P 4

J,

gl(t) и,, dt..

Подставляя значение ;(t) под знак интеграла и разбивая интервал интегрирования, может заметитьj что

(t.,-2T/(p.k)/(r5,

Очевидно, это справедливо и для напряжения на выходе второго интегратора 4, измеренного в момент запоминания этого напряжения в .стробоскопическом преобразователе 4:

Y,-M

,.(t;-2T/(p,k)/(r, .r).

Таким образом, напряжения на выходе второго 4 и четвертого 8 интеграторов в моментБ запоминания стробо- скопическим преобразователем 14 с точностью до масштабного множителя равны интегралу от произведения входного напряжения на финитную весовую функцию g;(t). Это эквивалентно такому изменению спектральной чувствительности измерителя сдвига фаз, которое приводит к уменьшению влияния содержащихся во входном сигнале гармонических составляющи:х. Расчеты показывают, что для сигналов сложной формы при изменении ср в диапазоне О - ZTT , максимальная погрешность измерения оказывается супг,естБенно меньше, чем для известного устройства.

Так, например, для случая, когда входной сигнал - меандр, число выбоI I

а Ш-Ь-и | 1-Ц I П I I .LUXiJJ LLJ|JLldJJ-LllJ-Li .

П-2

ti-;

ВНИИПИ Заказ 885/48

Пронзв.-полигр. пр-тивр г, Ужгород, ул. Проектная:, 4

129868A6

рок за период сигнала , максимальная погрешность измерения сдвига фаз предлагаемым устройством - 0,38° при и 0,66 нри , тогда как для

5 известного устройства она достигает 19,9.

ормула изобретения

Измеритель сдвига фаз по авт.св. №741186, отличающийся тем, что, с целью повьш-ения точности измерения разности фаз негармонических сигналов 5 в него введены последовательно соединенные первый интегратор, первый инвертор, первый ключ и .второй интегратор, последовательно соединенные третий интегратор, второй инвертор, второй к.гсюч,, четвертый интегратор, а также третий к.люч, причем входы перво.г6 и тр€;тьего интеграторов объединены и соединены с клеммой измерительного входа., выходы первого и третьего интеграторов соединены соответственно с сигнальными входами первого и второго ключей,, выходы второго и четвертого интеграторов соединены через третий .ключ с входом стробоскопического преобразователя, входы сброса первого и второго интеграторов соединены с вторым выходом дешифратора, входы сброса третьего и четвертого интеграторов соединены с третьим выходом дегаифрато- ра, а четвертый, пятьй, шестой выходы дешифратора соединены соответственно с управляю1 .1:ими. входами первого второго и третьего ключей.

ti

nJ

Тираж 73

Подписное

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, может быть ис- использовано при измерении сдвига фаз между опорным сигналом и сигналом , искаженным гармоническими составляющими и является дополнительным к а.с. № 74М86. Цель изобретения - повьшенне точности измерения разности фаз негармонических сигна- лов. Для достижения цели в устройство введены инверторы 2 и 6, ключи 3 и 7, интеграторы I, 4, 5 и 8. Устройство также содержит синхронизатор 9, делитель 10 частоты, дешифратор 11, формирователь 13, стробоскопический преобразователь 14, аналоговый преобразователь 15, перемножители 16 к 17, запоминаю01ий элемент 18, сумматоры 19 и 20, вычислитель 21. Максимальная погрешность предлагаемого устройства для сигналов сложной формы существенно снижается. 2 ил. (Л Фи.г.