Способ измерения фазового сдвига между искаженными напряжениями Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоизме- рительной технике и предназначено для измерения фазовых углов между двумя напряжениями, искаженными гар-- моничес .1гми и случайными помехами, с повышенной точностью .

Целью изобретения является повышение точности измерения фазовых углов между напряжениями в смеси с rapионическими и случайными коррелированными помехами.

На чертеже изображена структурная схема компенсационного фазометра, в котором реализуется способ.

Фазометр содержит входные широкополосный усилитель 1 и избирательный узкополосный усилитель 2 с регули руемой.частотой настройки, соединен- ные выходами соответственно с регулируемым фазовращателем 3 и установочным фазовращателем 4, двухпозиционные переключатели 5 и 6, противоположные входы которых соединены между собой и подключены соответственно к выходзм фазовращателей 3 и 4, коммутационный генератор 7, соединенный с управляющими входами перекл1очателей 5 и 6, фаз о сдвигающие интегрирующая -в и дифференцирующая 9 цепочки, подключенные к выходам переключателей 5 и 6, перемножитель 10, соединенньй с выходами фазосдвигающих цепочек 8 и 9, фильтр ,11 нижних частот, к выходу которого подключены последовательно соединен- ные усилитель 12 коммутационной частоты, синхронный детектор 13, ляющий вход которого подключен к генератору 7, и интегратор 14, выход которого соединен с управляющим вхо- дом компенсирующего фазовращателя 3 и отсчетно-регистрирующим блоком 15, однополосный фазоразностньй модулятор 16, сигнальные входы которого соединены с выходами цепочек 8 и 9, генератор 17 низкой частоты, выходы квадратурных напряжений которого соединены с управляющими входами модулятора 16, выходом соединенного через аттенюатор 18 с сигнальным входом избирательного усилителя 2, управляющим входом подключенного к выходу фильтра 11 через последовательно соединенные избирательньй усилитель 19, амплитудный детектор 20,. усилитель 21 коммутационной частоты, синхронный детектор 22, управляющий вход которого подключен к генератору 7, и интегратор 23.

Способ измерения фазового угла при наличии коррелированных помех осуществляется следующим образом.

Сравниваемые по фазе напряжения tj,(t)U,sin(u/t+iJT,) и U-z(t) (u;t-nf) в смеси с ) и VjCt) усиливают соответственно в широкой полосе частот усилителем 1 и в узкой полосе частот избирательным усилителем 2. Ширину полосы частот uw избирательного усилителя выбирают исходя из ожидаемой скорости изменения фазового угла / tji- ( и q то же время достаточно узкой для подавления помех в одном из напряжений в рассматриваемом случае U(t). Установочным фазовращателем 4 начальный фазовый угол между сравниваемыми напряжениями при tf, ifj делают равным 180. Тогда усиленные противофазные напряжения можно представить в виде

из (t) ;К, CUvN,sinwt+V Д t)J

. U4(t)KtCUm#in(wt+f-fcf+44,), где К

К-;

- коэффициент усиления широкополосного усилителя 1,

Ко

- коэффициент уси/1 0

ления избирательного .усилителя. 2 с расстройкой, Kg - коэффициент усиления усилителя 2, настроенного на частоту Wj),

Ai

at ш.

оо„

ы

- относительная расстройка избирательного усилителя 2,

S Wj/4U - эквивалентная добротность, (- cfj,- измеряемый фазовьй угол, Ц arctgQ Д, - фазовый сдвиг,

вносимый расстроенным избирательным усилителем 2. Протифовазные напряжения U3(t) и U4(t) (Переключают перекрестно с помощью двзоспозиционных переключателей, 5 и 6, частота переключений F которых задается генератором 7 и выбрана значительно меньше частоты входных напряжений F i (10 -Ю ) ш/2 ii . В результате перекрестной коммутации на выходах переключателей происходит замещение одного напряжения другим через каждый полукериод коммутации Т/2 1/2F. Если выходное напряжение одного переключателя, например 5, представить в виде последовательности пакетов противофазных напряжений

Uj(t)

K,CU,sinwt+V,(t),

Т

и„ (t)2K, ,U,U sinGl..t

KJU- sinCwt + ff+cT+ji i ) - ,,. лл ч

2 + 1/,)2К,К,К,и,„, U sinXcT+ i/,),

toT выделяется также переменное напряжение частоты коммутации Яц с амплитудой, пропорииональной суммарному фазовому углу

и„ (t)2K, ,U,U sinGl..t+c/ +

,. лл ч

Изобретение относится к области фазоизмерительной техники. Цель изобретения - повьшение точности измерения фазовых углов между напряжениями при действии гармонических и случайных коррелированных помех.Сравниваемые по фазе напряжения усипи- вают в широкой и узкой полосах частот. Затем переключают перекрестно в каждый из двух полупериодов коммутации, периодически замещая одно напряжение другим с частотой коммутации значительно меньше частоты сравниваемых напряжений. Далее поочередно сдвигают их на 90°, перемножают между собой, выделяют переменную составляющую частоты коммутации и регулируют фазовый угол до исчезновения этой составляющей. Перемножаемые напряжения в каждый полупериод ком- мутации однополосно модулируют низкочастотным напряжением с частотой, равной половине узкой полосы частот, и усиливают их в этой и широкой полосах с последующим перемножением каждого напряжения с одним из сравниваемых по фазе напряжений. Вьщеляют из произведения напряжений модулированное по амплитуде напряжение частоты модуляции с огиб-ающей частоты коммутации и регулируют центральную частоту узкой полосы до исчезновения огибающей частоты коммутации. 1 ил. I сл с 4 4i 4 а 00

10

где К , - коэффициент передачи фильтра 11 нижних частот. Переменное напряжение с амплитудой и„ (t) усиливается усилителем 12 частоты коммутации, детектируется при помощи синхронного детектора 13 и накапливается в интеграторе 14, выходное напряжение которого изменяет значение компенсирующего фазового сдвига, вносимого фазовращателем 3. Одно из пакетных напряжений 1/5 (t) 20 результате измepяe ый, фазовый угол

то выходное напряжение другого переключателя 6 представляет последовательность пакетов напряжений с противоположным чередованием амплитуд и начальных фаз

(tJt+ir+/+ Д1), и t -1 U.(t)i„

K,CUm,sinuJt+V,(t) , .

15

с,цвигают на (-45) интегрирующей цепочкой 8

c ( компенсируется с погрешностью + /iLf,, вносимой расстроенным - усилителем 2.

Ь

K,CU,sin(wt-J)+V(t) , ,

3т

(tot+- и+сГ+41/,), ,

а пакетное напряжение Uj(t) на (+45) дифференцирующей цепочкой 9

4fti

(ajt t- FV+dt,), ,

K,U

K,U,sin(u)t-H| + V(t) , .

В один полупериод коммута (О t Т/2) в результате одн ной модуляции двух напряжени

Затем перемножают пакетные напря- 35 жения и (t) и Ug(t) с помощью перемножителя 10. В один полупериод коммутации (О t Т/2) в результате пе- ремйожения образуется составляющая напряжения U g(t) , вьщеляемая из по- 40 U ,j (t)UrnjSin(io+) t+Ц з мех фильтром 11 нижних частот

сущей частоты ш , сдвинутых квадратурными напряжениями г ра 17 частоты S7 с и) образуе щенное на частоту напряже

где , амплитуда и фаз ходного напряже нополосного мод ра 16,

Ug(t) у К, К и„, (f ЛЧ,+

+ 1) 1

,(f+di,).

В другой полупериод коммутации (т/2 t Т) образуется составляющая напряжения U,o(t), которая также выделяется из помех фильтром 11 нижних частот

и,„ (t) -5-K,KjU,

, (cf 4U- j) jK , К U,, (+ Jt,).

При непрерывной работе переключателей 5 и 6 и малых значениях cf и й, на выходе фильтра. 11 нижних часгде К , - коэффициент передачи фильтра 11 нижних частот. Переменное напряжение с амплитудой и„ (t) усиливается усилителем 12 частоты коммутации, детектируется при помощи синхронного детектора 13 и накапливается в интеграторе 14, выходное напряжение которого изменяет значение компенсирующего фазового сдвига, вносимого фазовращателем 3. результате измepяe ый, фазовый угол

c ( компенсируется с погрешностью + /iLf,, вносимой расстроенным усилителем 2.

Для исключения погрешности измерения перемножаемые напряжения U-,(c) и и(t) в каждый полупериод коммутации однополосно модулируют в фазо- компенсационном модуляторе 16 низкочастотным напряжением генератора 17.

Частоту модуляции Я выбирают равной половине полосы частот избирательного усилителя 2 (51 0,54ы).

В один полупериод коммутации (О t Т/2) в результате однополосной модуляции двух напряжений неU ,j (t)UrnjSin(io+) t+Ц з

U ,j (t)UrnjSin(io+) t+Ц з

сущей частоты ш , сдвинутых на 90 , квадратурными напряжениями генератора 17 частоты S7 с и) образуется смещенное на частоту напряжение

U ,j (t)UrnjSin(io+) t+Ц з

где , амплитуда и фаза выходного напряжения однополосного модулятора 16,

В другой полупериод коммутации (Т/2 t : Т) замещение перемножаемых напряжений друг другом приводит к изменению 90° сдвига (317/4-I /A Г/2) на 270° сдвига фаз ( 3ff /2), что вызывает изменение знака смещения частоты на противоположный

U,,,(t) (а,).

Выходное напряжение однополосно- го модулйтора 16 можно представить в виде пакетного напряжения с периодически изменяющейся частотой

Гг

U, sinC(a)+«)t+cfj, U|.,jCOs(u,-Sl)t-4 3, ,

Модулированное по частоте напряжение ), ослабленное аттенюатором 18, подают на сигнальньй вход избирательного усилителя 2, который усигашает это напряжение в полосе частот. В зависимости от значения расстройки усилителя относительно пшсетов напряжений смещений частоты усиленное напряжение имеет вид

15

K4U 3sinC(w+)t+ifj+d4i 5 ,

им-.

(w-n)t-tf3-dM jl -2

,

20

К. A KC

Vl+Q2A|

К - К- VH-Q A

- коэффициенты усиления на смещенных частотах-.

25

.

Uo

и)-Я ы

w+Л

Wn

- относительные

о (-Л расстрорЧки избирательного усилителя 2,

30

arctgQA ,

arctgQAj фазовые сдвиги вносш ыа расстроенным избирательным усилителем 2,

35

Пакеты усиленного напряжения UjjCt проходят Через переключатели 5 и 6 и перемножаются с помощью перемножителя 10 с пакетами напряжения, формируемыми из выходного напряжения усилителя 1 этими переключателями. В результате перемножения напряжений частоты W с напряжениями смещенной частоты (со+Я) образуются гармонические составляющие суммарной ( и разностной SI частот. Частота среза фильтра 11 нижних частот выбрана несколько больше частоты модуляции 51 . Поэтому избирательным усилителем 19, настроенным на частоту генератора 17, вьщеляют пакеты напряжений разностной частоты, т.е. частоты модуляции S1

,

и.и,

cos(ntH-v, ), ,

55

Ц.а)

Т

,и„, sinGltf-Vj),

где

к. коэффициент усиления избирательного усилителя 19 V,, f a начальные фазы напряжений

разностной частоты, зависящие от dlf.j.

Пакетное напряжение U,(t) ,при неравенстве коэффициентов усиления К и Kf представляет собой модулированное по амплитуде напряжение частоты с прямоугольной огибающей частоты кс мутации; Амплитудным детектором 20 вьщеляемое напряжение частоты коммутации усиливается усилетелем 21 час,- тоты коммутации и детектируется синхронным детектором 22. Пррдетектиро ванное напряжение заряжает интегратор 23, выходное напряжение которого регулирует центральную частоту узкой полосы избирательного усилителя 2. Направление регулирования выбрано в сторону уравнивания коэффициентов усиления К 4 и частот (w+fl) .

К J- для смещенных

, При равенстве коэффициентов усиления 1 1меет место соотноше11ие

К,

5

0

5

0

г

где Д 4 Л э означает совпадение центральной частоты узкой полосы илн частоты настройки избирательного уса- литёлк cdo с частотой входных напряжений (uj 1л}), Благодаря этому коэффициент усиления- избирательного усилителя 2 становится равным номинальному (К KO), а дополнитрльньй фазовый сдвиг, вносимый узкополосным усилителем, становится равным нулю ( 1, 0) . В этом состоянии фазовращатель 3 отслеживает тольк о измеряе- мьй фазовый угол сГ значения которого регистрируются с помощью отсчетно- регистрирующего блока 15.

Благодаря подавлению помех в одном из перемножаемых напряжений узкополосным усилителем 2, автоматически настраиваемым на частоту сравниваемых по фазе напряжений, исключается влияние коррелированных помех на результат измерения-; Преимущества способа-прототипа в части исключен 1я дрейфа нуля перемножителя 10 и неравенства амплитуд сравниваемых напряжений полностью сохранены.

Таким образом, введение новых операций над сравниваемыми по фазе напряжениями позволяет в сравнении с прототипом повысить точность измерения фазовых углов при наличии коррелированных помех в обоих напряжениях без прерывания процесса измерения.

Формула изобретения

Способ измерения фазового сдвига между искаженными напряжениями, заключающийся в том, что сравниваемые по фазе напряжения усиливают, переключают перекрестно в каждый из двух полупериодов коммутации, периодически замещая одно другим с частотой коммутации значительно меньше частоты сравниваемых напряжений, поочередно сдвигают на 90, перемножают между собой, выделяют из произведения напряжений переменную составляющую частоты коммутации,регулируют фазовый угол между сравниваемыми напряжениями до исчезновения этой составляющей, отличающийся тем, что, с целью повьпаения точности измерения фазовых углов между напряжениями в смеси с гармоническими и случайными коррелированньми помехами, усиление сравниваемых по фазе напряжений выполняют в широкой и узкой полосах частот, а перемножаеQ r-jbie напряжения в каждый полупериод коммутации однополосно модулируют низкочастотным напряжением, частоту которого выбирают равной половине узкой полосы частот, модулированное

, по ча.стоте напряжение усиливают в узкой полосе частот, перемножают с одним из сравниваемых по фазе напряжений, выделяют из произведения напряжений модулированное по амплиту-

0 де напряжение частоты модуляции с огибающей частоты коммутации,центральную частоту узкой полосы регулируют до исчезновения огибающей частоты коммутации, после чего изме-

5 ряют величину фазового сдвига между входными напряжениями.