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

.Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано для измерения сдвига фаз сигналов с повышенной точностью и помехоустойчивостью.

Цель изобретения - уменьшение времени измерения.

Поставленная цель достигается преобразованием сигнала таким образом, что результирующий выходной сигнал с минимальной погрешностью соответствует значениям фазового сдвига и позволяет сократить время измерения до значений меньших половины периода сигнала.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - струк- схема анализатора нуля.

Устройство, реализующее предлагае мьм способ содержит п преобразователей 1, состоящих из перемножителей 2-6, квадратора 7, интеграторов 8- . 11, элемента 12 вычитания, фазовращателя 13 на 90°, генератора 14 опорного напряжения, анализатора 15 нуля, причем первые входы перемножителей 2 и 3 подключены к входу измеряемого сигнала, второй вход перемножителя 2, первьш вход перемножителя 4, входы квадратора 7 и фазовращателя 13 подключены к соответствующе- му выходу генератора 14 опорного напряжения, вторые входы перемножителей 3 и 4 - к выходу фазовращателя 13, входы интеграторов 8-11 подключены к выходам соответственно перемножителей 2 и 3, квадратора 7 и перемножителя 4, входы перемножителя 5 подключены к выходам интеграторов 8 и 11, входы перемножителя 6 - к выходам интеграторов 9 и 10, входы элемента 12 вычитания подключены к выходам перемножителей 5 и 6, а выход элмента 12 вычитания подключен к соот- ветствующему входу анализатора 15 нуля.

Анализатор нуля содержит дифференциальные компараторы 16-19, элементы 19 и 20 совпадений, инверторы 21 и 22, элементы 23-25 совпадений, дешифратор 26 и индикатор 27.

На входы дифферен1 1альных компараторов 16-18 подаются сигналы U, и Uj между двумя пороговыми уровнями параллельно, а на третьи входы каждого компаратора подаются сигналы U,, Ug и U(j, . Выход компаратора 16 со

20

5

О

35е

30

динен с первыми входами элементов

19и 23 совпадения, выход компаратора 17 соединен со вторыми входами элементов 19, 20 и 24 совпадения, выход компаратора 18 соединен с первыми входами элементов 20 и 25 совпадения. Выход элемента 19 совпадения соединен с первым входом дешифратора 26 и через инвертор 21 - с первым входом элемента 24 совпадения и вторым входом элемента 23 совпадения, выход которого соединен со вторым входом дешифратора. Выход элемента

20совпадения соединен с третьим входом дешифратора 26 и через инвертор 22 - со вторым входом элемента 25 совпадения, а также с третьим входом элемента 24 совпадения, выход которого является четвертым входом д€:шифра- тора 26, а выход элемента совпадения 25 является пятым входом дешифратора 26, выход которого соединен с инди- ка тором 27.

Устройство работает следующим образом.

Входные сигналы поступают на перемножители 2 и 3 преобразователей 1, На вторые входы этих преобразователей поступают опорные сигналы: непосредственно с выхода генератора 14 опорного напряжения и с фазовращат(утя 13. Кроме того, опорный сигнал с генератора 14 опорного напряжения подается на квадратор 7 и перемножитель 4, на второй вход которого также подается опорный сигнал с фазовращателя 13. Сигналы с выхода перемножителей 23, квадратора 7, перемножителя 4 подаются на интеграторы 8-11. С вькодов интеграторов снимаются сигналы, равные (пропорциональные).

об S(t)sin(CDjjt+q)df,

о

TU

j S(t)cos(G}et+q)dt; о

Тц ( sin ()dt;

о

Тц J sin(cOgt+t|)cos(G3pt+tp)dt

(1)

(u t-bcp H-(t), (2) - аддитивная смесь гармонического измеряемого сигнала и шума ir (t) i

1Т)0

( +

+ Lf)- опорный сигнал;

S и Cf j - амплитуда и фаза измеряемого сигнала;

-амплитуда и фаза опорного сигнала;

-время интегрирования (обращение к сигналу).

нахождения результата измерения сдвига фаз изменяют фазовый сдв опорного сигнала q) . В качестве результата измерения берется значение q , при котором корреляционный ини (D 11 н

Для

теграл имеет нулевое значение.

После перемножения сигналов с выходов интеграторов в перемножителях 5 и 6 и вычитания в элементе 12 вычитания на выходе последнего будет сформирован сигнал, равный (пропорциональный)

ВЫХ

об f - Bh.

Сигнал с п преобразователей 1 поступают на анализатор 15 нуля. Сигналы с преобразователей соответствуют разным фазовым сдвигам опорного сиг- нала. Фазовый сдвиг опорного сигнала, при котором сигнал с преобразователя равен (наиболее близок) нулю, равен результату измерения. При этом на каждый п-й дифференциальный компаратор поступает соответствующий сигнал с вычитающего элемента. Если этот сигнал находится между двумя заданными пороговыми уровнями U( и

и

2

то

на выходе компаратора появляется 1, разрешающая дешифрирование кода числаJ соответствующего полученному сдвигу фаз. Для исключения ситуаций, при которых 1 может возникнуть на двух соседних компарато- pax, служат элементы 19,20 совпадеНИИ .

Рассмотрим, например, случай, при котором 1 появится на выходе дифференциальных компараторов 16 и 17. В этой ситуации на выходе элемента совпадений также появится 1, поступающая на инвертор 21. С выхода инвертора 21 сигнал О запретит прохождение сигналов через элементы 23 и 24 tовладений, а поступающая с элемента 19 совпадений 1 разрешит дешифрацию кода числа, соответствующего значению сдвига фаз, равному среднему значению сдвига фаз, соответствующего каналам 1 и 2.

гШ

)5

20

т

9

Поскольку предлагаемый способ основан на поиске максиьгума функции правдоподобия, то погрешность измерения фазового сдвига будет иметь наименьшее значение. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает измерение сдвига фаз с предельной точностью при любом времени измерения, в том числе при времени измерения, не равном целому числу пачупериодов сигнала, т.е. и при времени измерения меньшем половины периода сигнала.

Эффект от внедрения предлагаемого способа заключается в возможности уменьшения времени измерения. Особенно это важно на инфранизких частотах. Например, при измерении сдвига фаз сигналов с частотой 0,001 Гц. Мини- мальное время измерения по способу- прототипу, равное половине периода сигнала, составляет 500 с. При использовании предлагаемого способа вре- мя измерения в зависимости от отно- 25 шения сигнал/шум может бьп ь уменьшено на один-два порядка.

Формула изобретения

Способ измерения сдвига фаз, заключающийся в перемножении измеряемого и опорного сигналов при разных фазовых сдвигах опорного сигнала, интегрировании результата перемножения измеряемого и опорного сигналов и определении фазового сдвига по значению фазового сдвига опорного сигнала, соответствующему нулю результата преобразования, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени измерения, при каждом фазовом сдвиге опорного сигнала дополнительно изме- ряемьй сигнал перемножают ,со сдвинутым на 90 опорным сигналом, сигнал, соответствующий результату данного перемножения, интегрируют, мгновенные значения опорного сигнала, сдвинутого на 90 , возводят в квадрат и интегрируют, а сигнал, соответствующий результату данного интегрирования, перемножают с сигналом, соответствующим результату интегрирования перемноженных измеряемого и сдвинутого на 90 опорного сигналов, перемножают исход- ;Ньш опорньм сигнал и сдвинутьм на 90 опорный сигнал, и сигнал, соответст- вующий результату данного перемножения, интегрируют, полученньй после интегрирования сигнал перемножают с

30

35

40

45

50

55

сигналом, соответствующим результату интегрирования перемноженных измеряемого сигнала и опорного сигнала, после чего сигнал, соответствующий результату данного перемножения, вычита-j ют из сигнала, соответствующего результату перемножения результатов интегрирования перемноженных измеряUj иг

Составитель А.Шубин Редактор А.Ревин Техред Л.Сердюкова Корректор М.Демчик

Заказ 1628/45 Тираж 731 Подписное 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

емого сигнала и сдвинутого на 90 опорного сигнала на результат интегрирования возведенного в квадрат ного сигнала и сигнал, соответствующий результа;ту вьиитания, считают результатом преобразования, по нулевому значению которого определяют фазовый сдвиг.

26

h

27

Фмг.2

II

Изобретение относится к области . электроизмерений. Цель - уменьшение времени измерения сдвига фаз, которая достигается преобразованием сигнала (с) таким образом, что результирующий выходной С с минимальной погрешностью соответствует значениям фазового сдвига и позволяет сократить время измерения до значений, меньших ло- ловины периода С. Способ осуществляется устройством, содержащим п преобразователей 1, состоящих из перемножителей 2-6, квадратора 7, интеграторов 8-11 элемента 12 вычитания, фазовращателя 13 на 90°, генератора 14 опорных напряжений, анализатора 15 нуля. 2 ил. (Л иО 1 Сх: эо ю фи,1