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

Изобретение относится к фазоизме- рительной технике и может быть ис пользовано.для повьппения точности фазометров и расширения их частотного диапазона до сверхнизких частот.

Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига фаз двух синусоидальных сигналов.

На фиг. 1 изображена блок-схема

устройства для реализации предлагае- 10 определяются пары идентичных импуль

мого способа; на фиг. 2 - график, ил- люстрирукяций способ измерения разно- сти фаз.

Устройство для реализации предпа- гаемого способа (фиг. 1) содержит опорный генератор 1, сиихронизирующий вспомогательный генератор 2, выход которого подключён одновременно к двум входам элементов 3 и 4 совпадений. Входные сигналы Ц, и U, подаются на вторые входы элементов 3 и 4 совпадений и входы формирователей 5 и 6 импульсов, выходы которых объединены с входами счетчиков 7 и 8, вторые йходы которых подключены к выхо- дам элементов 3 и 4 совпадений. Выходы всех разрядов счетчиков 7 и 8 соединены с входами дешифраторов 9 и 10. Выходы дешифраторов 9 и 10 попарно поданы на входы соответствующих измерителей 11 и 12 интервалов времени. Сумматор 13 кодов соединен с выходами измерителей 11 и 12, выход сумматора является информационным выходом устройства.

Способ осуществляют следующим образом.

От генератора 2 частоты, синхронизируемого опорным генераторов 1, синусоидальные напряжения с частотой

w,

e

большей частоты ш исследуемого сигнала (Т Tg), поступают на входы элементов 3 и 4 совпадений, на вто- рьт входы которых поданы исследуемые сигналы. При достижении равенства напряжений каждой пары сигналов вспомогательного сигнала высокой частоты и U, и исследуемых и,/ U sinuit и Uj U sinwt - при одинаковых знаках их первых производных на выходах соответствуюпщх элементов 3 и 4 совпадений формируется импульсный сигнал.

Таким образом, на выходах элементов 3 и 4 совпадений образуются импульсные сигналы t и t с частотой, близкой к и (фиг. 2). Оба сигнала t и t,}. смещены один относительно

другого на вре.мя ut , эквивалентное сдвигу фаз между исследуемыми сигналами, т.е. осуществлен перекос угла фазового сдвига на более высокую частоту. Далее импульсные сигналы t- и t. первой и второй последовательностей поступают соответственно на счетчики 7 и 8, на выходах которых с помощью дешифраторов 9 и 10

сов о Измерители 11 и 12 интервалов времени определяют пропорциональный искомому углу фазового сдвига if временной интервал интервал между поступившими на них равноотстоящими по порядковому номеру относительно момента нулевой фазы импульсами. Счетчики 7 и 8 обнуляются импульсами с формирователей 5 и 6, возникающими в момент прохождения исследуемых сиг- Налов через нулевой уровень. Сумматор кодов определяет среднее значение суммы кодов измерителей 11 и 12 интервалов времени

. ...t .

где at - показание k-oro измерителя интервалов времени. Моменть t совпадения первого из исследуемг51х сигналов с вспомогательным сигналом определяются из уравнения U U sinWat U sin N(W + iiw)t Up,sin ujt , где: ) - значение нёкратности частот (возможно Ди) 0) UJati - tot 2kN

t. k

N

Wg-uJ

(1)

где k - номер импульса.

Как следует из ЗФавнения (1), при равенстве амплитуд импульсы располо- жены на равном расстоянии друг от друга.

Моменты г-| совпадения второго из исследуемых сигналов с вспомогательным сигналом определяются из уравне- ния Uj Uj:

t siniOjt N(W +uuj)t

Ц„. sin(wt + If ). 2k« - 4

t

U)g-U)

где Wg- uj «(N-1) U).

(2)

Импульсы второго сигнала t- идут с той же частотой ivg-cu, что и первого t , но задержаны относительно него на время, пропорциональное t/.

Многократное измерение интервалов времени между идентичными импульсами t и t обеих последовательностей: первыми после нулевой - 1, вторыми - 2 и т.д., эквивалентно умножению измеряемого интервала д t в N раз. Следовательно, пропорционально увеличивается разрешение измерения угла сдвига фаз. В VN раз уменьшаются случайные составляняцие погрешности, а на сверхнизких частотах дополнительно, не дожидаясь последующего момента нулевого уровня, т.е. изменения характеристик преобразователей из-за изменения внешних условий, обрабатывается информация.

Более высокая точность измерения обусловлена алгоритмом преобразования, как показал вьшге приведенный расчет основных составляющих погреш- ности; квантование по уровню производится одним высокостабильным вспомогательным сигналом, а не несколькими уровнями напряжений, обеспечивая тем самым стабильность и равномерность шага квантования; исключена необходимость длительного перебора N пар уровней квантующего напряжения для последовательного анализа временных интервалов, т.е. требования к долговременной стабильности преобразователей значительно ослаблены; отсутствует AJj;n имеющий точность, на несколько порядков меньшую частотно- цифрового преобразователя; возможно

измерение t за время, значитгльно меньшее периода требуемого сигнала; увеличивается точность формирования временного интервала jt Y , так

как в N раз увеличивается крутизна измеряемого сигнала, временной интервал з множается в N раз.

Предлагаемый способ позволяет проводить измерения за время, меньшее одного периода исследуемой частоты, т.е. на сверхнизких частотах, с высокой точностью.

Формула изобретения

Способ измерения угла сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами, заключающийся в преобразовании его в п импульсных сигналов, опреде-:

лении и усреднении их длительностей и вычисления угла сдвига фаз, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьш1ения точности и расширения частотного диапазона, сравнивают текущие значения амплитуд исследуемых сигналов с текущими значениями амплитуд в п раз большего по частоте вспомогательного гармонического сигнала, формируют импульсы в моменты равенства мгновенных значений вспомогательного сигнала с каждым из исследуемых сигналов при одинаковых знаках первых производных указанных сигналов , преобразуют полученные две импульсные последовательности в N импульсных сигналов, выделяя при этом пары импульсов, равноотстоящие по порядковому номеру от моментов перехода каждого из ис,следуемых сигналов

через лулевой уровень.

I II I

N

4

в 9 )ff I I

I I

56 7

,Jt

I I I

I I 1 |l I II I

I Ь I I I I I

r 1 i I 11 |i I ll I 1 I i

л1 лr«;-v I .

rS 76

9 )ff ;// / /j ;;74 I I I I I

77

ff WJ

6 7

7 / /

Способ измерения угла сдвига фаз осуществляют следующим образом: от генератора (Г) 2 частоты, синхронизируемого опорным Г 1, синусоидальные напряжения поступают на элементы. 3, 4 совпадения, на которые поданы исследуемые сигналы. Формируются импульсные сигналы, смещенные один отнобительно другого. Далее они поступают на счетчики 7, 8 соответственно, на выходе которых с помощью дешифраторов 9, 10 определяются пары идентичных импульсов. Измерители 1I, 12 интервалов времени определяют временной интервал At, пропорциональный искомому углу фазового сдвига, относительно момента нулевой фазы. Многократное измерение интервалов времени между идентичными импульсами обеих последовательностей эквивалентно умножению измеряемого интервала t в праз. Следовательно, увеличиваемся пропорционально разрешение измерения угла сдвига фаз. В УН уменьшаются случайные составляющие погрешности, а на сверхнизких частотах дополнительно, не дожидаясь последующего момента нулевого уровня, т.е. изменения характеристик преобразователей из-за изменения внешних условий, об- рабатьгоается информация. 2 ил. (Л с /У, фиа.1 :&

Редактор A. Orap

Составитель В„- Шубин

Техред М.Ходанин Корректор М. Шароши

Заказ 2977 Тираж 730 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

ff.f