Устройство для определения фазы сигналов Советский патент 1987 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоизме- рительной технике и может быть использовано в радиотехнике при измерении фазы сигналов С нестационарным средним.значением.

Целью изобретения является повышение точности определения фазы сигнала с линейно изменяющимся средним значением.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство для определения фазы сигналов содержит последовательно соединенные генератор 1 копии сигнала, фазовращатель 2 на 90, перемножитель 3, интегратор 4, вычислитель 5 отношения, а также подключенные .к вы.ходу генератора 1 копии сигнала, последовательно соединенные перемножитель 6, интегратор 7, сумматор 8, выходом подключенные к другому входу вычислителя 5 отношения, подключенные к входу устройства последовательно соединенные блок 9 привязки уровня, блок 10 выборки и хранения, сумматор 11, блок 12 выборки и хранения, выходом подключенный к другому входу сумматора 8, а также включенньм между выходом перемножителя 6 и другим входом сумматора 11 интегратор 13 и подключенный к выходу генератора 1 копии сигнала формирователь 14 импульсов, одни выход которого подключен к установочным входам интеграторов 4 и 7 и управляющим входам блока 9 привязки уровня и блока 10 выборк и хранения, а второй выход формирователя 14 подключен к установочному входу интегратора 13 и блока 12 выборки и хранения, другие входы перемножителей 3 и 6 подключены к выходу блока 9 привязки уровня, выходом устройства является выход вычислителя 5 отношения.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 копии сигнала формирует гармоническое напряжение с частотой U1 , которое поступает на вход перемножителя 6 непосредственно, а на вход перемножителя 3 - через фазовращатель 2 на 90 . В результате на перемножители 3,и 6 поступают сигнал

и const tot; . (1) и sin w t. (2) Одновременно сигнал с выхода генератора 1 копии сигнала поступает на формирователь 14 импульсов, в результате на одном из выходов формирователя 14 вьфабатываются короткие импульсы в моменты нуль-переходов с положительной производной сигнала генератора 1, на втором выходе формирователя - последовательность импульсов в моменты нуль-переходов с отрицательной производной сигнала генератора 1. Короткие импульсы с выхода формирователя 14 импульсов поступают на управляющий вход блока 9 привязки уровней, в результате чего сигнал на выходе блока 9 привязки уровней в эти

моменты привязывается к нулю. Сигнал на выходе блока 9 привязки уровней имеет вид

и (t) Ucos (iJt - Ц ) + kp+ kt + x(t) ,

(3)

где kp определяется из условия равенства сигнала (3) нулю в моменты привязки3...:

вязки, уровней t , где m 1, 2,

25

k .. -Ucos Ч - x(t) .

(4)

0

5

0

5

0

Из выражения (3) следует, что при периодической привязке исследуемого сигнала к нулю смещение напряжения на входах перемножителей, интеграторов, вычислителя отношения, вызванное нестационарностью среднего значения сигнала, не превышает величины , что позволяет более рационально использовать динамический диапазон входных сигналов в данном устройстве и в конечном итоге повышает точность измерений.

Одновременно импульс с выхода формирователя 14 поступает на установочные входы интеграторов 4 и 7, устанавливая тем самым последние в нулевое состояние, подготавливая их к очередному циклу работы. Сигнал (3) поступает на перемножители 3 и 6, на вторые входы которых поступают сигналы, соответственно, (1) и (2). После перемножения сигналов (1), (2) и (3) выходные напряжения перемножителей 3 и 6 поступают на интеграторы 4 и 7. В результате интегрирования к концу интервала гинтегрирования напряжения на выходах интеграторов 4 и 7 имеют

вид . . , :

и(Т) - Ug(t) cosi0tdt; (5)

5

о

т

и(Т) MUg (t).sinu tdt.

(6)

После нескольки}: преобразованьш (не учитывается влияние случайной сое-тавляющей погрешности определения фа-ходит его суммирование с :сигналом

зы) напряжение U поступает на одини з выхода интегратора 13.

из входов вычислителя 5 отношения, а Напряжение с выхода сумматора 11

напряжение U - на один из входов сум- поступает на сигнальный вход блока 12 - 5

матора 8.

Интегратор 13 устанавливается в нулевое состояние импульсами со второго выхода формирователя 14, в результате чего на выходе интегратора 13 напряжение интегрируется на интервале времени -Т/2 t Т/2, т.е. т/2

(Т) i I

-т/2

Ugj (t)-sinwtdt. (7)

Пусть на интервале времени -Т сигнал и. (t) на выходе блока

or9 привязки уровня описывается выражением

U (t) и cos(ut -4 )+k + , (8) где kjj определяется из условия равенства сигнала U (t) нулю в момент

И.

времени t -Т:

выборки и хранения, на управляющий вход .которого поступают короткие импульсы со второго выхода формирователя 14 импульсов. По переднему фрон д ту этого импульса напряжение с выхода сумматора 11 запоминается на выходе блока 12 выборки и хранения и поступает на вход сумматора 8, на второй вход которого поступает сигнал (6) с

5 выхода интегратора 7. В результате на выходе сумматора 8 к моменту времени t Т напряжение равно

20

Ug(T) U.(T) + (T) Usinf.(12) Это напряжение поступает на вход вычислителя 5 отношения, на второй вход которого поступает сигнал с ёы- хода интегратора 4. На выходе вычислителя 5 отношения формируется сиг- 25 нал, пропорциональный отношению сигналов, поступающих на его входы:

k и

cos - .

(9)

Таким образом, сигнал на выходе интегратора 13 за время интегрирования на интервале принимает значение

(Т) i ) sina)t dt +

f a

T

-T/l

Ujj (t)sin(ot dt.

(10)

US(T) Ua(T)/U4(T) . (13) Таким образом, на выходе устройстг 20 ва получается ;несмещенная оценка тангенса фазы исходного колебания S(t) Ucos(ut -Ч) + kt + k.. Следовательно, введение в известное устройство дополнительных узлов позволяНапряжение с выхода интегратора 13 35 полностью исключить составляющую

погрешности определения фазы, обус- наличием на входе ,,устройпоступает на один .из входов сумматора 11, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока 10 выборки и хранения. Сигнал на выходе блока 10 выборки и хранения -формируется следующим образом. С выхода формирователя 14 импульсы, характеризующие конец интервала интегрирования основных интеграторов 4 и 7, поступают на управляющий вход блока 10 выборки и хранения. По переднему фронту этих импульсов выбирается и запоминается значение напряжения в момент времени, предшествующий привязке уровней. Это соответствует значению напряжения Uj (t) (8) в момент времени t пТ, где , 1, 2, ..., т.е. на выходе блока 10 выборки и хранения в ; момент t О запоминается значение напряжения, равное

40

45

ловленную

ства линейно изменяющегося напряжения.

Известное устройство позволяет простым увеличением времени измерения в п раз уменьшить погрешность измерения также в п раз (при условии, что смесь сигнала и линейно изменяющегося напряжения не выходит за пределы линейного режима работы устройства) . В то же время в предлагаемом устройстве погрешность измерения фазы сигналов, вызываемая нестационарностью среднего значения, полностью ис- 50 ключена.

Формула изобретения

55 Устройство для определения фазы сигналов, содержащее последовательно соединенные генератор копни сигнала, фазовращатель на 90°, первый перемножитель, первый интегратор, вычислии

(0) и;(о) k,T,. (11)

Напряжение (11) с выхода блока 10 поступает на сумматор 11, где происпоступает на сигнальный вход блока 12

выборки и хранения, на управляющий вход .которого поступают короткие импульсы со второго выхода формирователя 14 импульсов. По переднему фронту этого импульса напряжение с выхода сумматора 11 запоминается на выходе блока 12 выборки и хранения и поступает на вход сумматора 8, на второй вход которого поступает сигнал (6) с

выхода интегратора 7. В результате на выходе сумматора 8 к моменту времени t Т напряжение равно

20

Ug(T) U.(T) + (T) Usinf.(12) Это напряжение поступает на вход вычислителя 5 отношения, на второй вход которого поступает сигнал с ёы- хода интегратора 4. На выходе вычислителя 5 отношения формируется сиг- 25 нал, пропорциональный отношению сигналов, поступающих на его входы:

US(T) Ua(T)/U4(T) . (13) Таким образом, на выходе устройстг 20 ва получается ;несмещенная оценка тангенса фазы исходного колебания S(t) Ucos(ut -Ч) + kt + k.. Следовательно, введение в известное устройство дополнительных узлов позволяпогрешности определения фазы, обус- наличием на входе ,,устрой0

5

ловленную

ства линейно изменяющегося напряжения.

Известное устройство позволяет простым увеличением времени измерения в п раз уменьшить погрешность измерения также в п раз (при условии, что смесь сигнала и линейно изменяющегося напряжения не выходит за пределы линейного режима работы устройства) . В то же время в предлагаемом устройстве погрешность измерения фазы сигналов, вызываемая нестационарностью среднего значения, полностью ис- 0 ключена.

Формула изобретения

55 Устройство для определения фазы сигналов, содержащее последовательно соединенные генератор копни сигнала, фазовращатель на 90°, первый перемножитель, первый интегратор, вычислитель отношения, выход которого ется выходом устройства, а также подключенные к выходу генератора копии сигнала последовательно соединенные второй перемножитель и второй интегратор, другие входы первого и второго перемножителей .объединены, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения фазы сигнала с линейно изменяющимся средним значением, в него введены подключенные к входу устройства последовательно соединенные блок привязки уровня, первый блок выборки и хранения, первый сумматор, второй блок выборки и хранения,второй сумматор, одним входом подключенный к выходу второго интегратора, а выходом - к .

ор Л.Повхан 4915/44

Составитель С.Кулиш Техред И,Попович

Кор Под

Тираж 730 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

другому входу вычислителя отношения, между выходом второго перемножителя и другим входом первого сумматора включен третий интегратор, к выходу генератора копии сигнала подключен введенный формирователь импульсов, первый выход которого подключен к установочным входам первого

и второго интеграторов, к управляющему входу первого блока выборки и хранения и к управляющему входу блока привязки уровня, а второй выход формирователя импульсов подключен к установочному входу третьего интегратора и управляющему входу второго блока выборки и хранения, другие входы первого и второго перемножителей подключенык выходу блока привязки уровня,

Корректор М.Демчик Подписное

Изобретение может быть использовано при измерении фазы сигналов с нестационарным средним значением. Устройство для определения фазы сигналов содержит генератор 1 нала, множители 3, 6, интеграторы 4, 7, 13, вычислитель 5 отношения, сумматоры 8, 11, блок 9 привязки уровня, блоки 10, 12 выборки и хранения, формирователь 14. Изобретение повьшает точность определения фазы сигнала с линейно изменяющимся средним значением. 1 ил. копии сиг- фазовращатель 2 на 90 , пере6б/Л. со ел