Способ определения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов Советский патент 1989 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазометрии и может быть использовано при измерении мгновенных значений фазовых сдвигов, вносимых четырехполюсниками, а также при построении помехозащшцен- ных и высокоточных электронных фазометров , фазочувствительных вольтметров, измерителей мощности и т.д.

Цель изобретения - повышение быстродействия измерения.

На фиг.1 приведейы эпюры напряжений; на фиг.2 - структурная схема устройства.

Устройство, реализующее предлагае- способ измерения, содержит квадратурный фазовращатель 1, первый и второй перемножители 2 и 3, компаратор 4, триггер 5, первый и второй интеграторы 6 и 7, одновибратор 8, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 9 и 10, цифровой блок 11 деления, блок 12 вычисления функции арктангенса, цифровой блок 13 перемножения, задатчик.14 числа, от- счетно-регистрирующий блок 15, блок . 16 управления.

Вход квадратурного фазовращателя 1 объединен с клеммой опорного электрического сигнала. Прямой и квадра- турньй выходы квадратурного фазовра

СО

со

1C

о ел

3149926

щателя 1 подключены соответственно к первым входам первого и второго пере- множителей 2 и 3, к первому и второму входам компаратора 4.е

Вторые входы первого и в торого перемножителей 2 и 3 объединены и соединены с клеммой сдвинутого по фазе электрического сигнала. Выходы первого и второго перемножителей 2 и 3 Ю подключены к информационным входам первого и второго интеграторов 6 и 7, управляющие входы которых объединены . между собой, соединены с входом одно- вибратора 8 и подключены к выходу 15 триггера 5, чей счетньй вход соединен с выходом компаратора А. Вход установки нуля триггера 5 подключен к

Каждый из перемноженных сигналов (5) и (6) интегрируют, в течение интервала времени, ограниченного снизу и сверв, г) равенства мгновенных значений основного и квадратурного сигналов (3) и (4) (фиг.1 д, е)

.. 4Ct:) из()«

0,5Г

первому выходу блока 16 управления. /-. «

on У моментами времени t.. и t, (Аиг.1 б.

Выходы первого и второго интеграг- /и ч ..

торов 6 и 7 соединены с информацион- входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей 9 и 10, управляющие входы которых объединены и подключены к выходу одновибрато- 25 ра 8.

Выходы первого и второго аналого- цифровых преобразователей 9 и 10 соединены соответственно с вторым (вход Делителя) и первым (вход Де- 30 лимое) входами цифрового блока 11 деления, выход которого соединен с входом блока 12 вычисления асрктанген- са. Выход блока 12 вычисления функции арктангенса соединен с одним из 35 входов цифрового блока 13 перемножения, второй вход которого подключен к задатчику 14 числа. Вькод задатчи- ка числа соединен с отсчетно-регист- рирующим блоком 15, управляющий вход 40 которого подключен к второму выходу 16 управления.

Предположим, что необходимо измерить мгновенное значение фазового

-|- J 0,5U,,U,(cos(Cf, -Cfj) - о

- cos + 0,5(Cf, + CPi))dt (7) U(,) -..5...j(t)dt

2 T ° --- 0,5U,U,(cf, -q),) +

0

+ 0,5(Cf, + )dt, (8)

+ sin

где К - коэффициент пропорциональности или коэффициент передачи интеграторов.

Измеряют мгновенные значения первого и второго усредненных сигналов (7) и (8) в конце интервала времени

I

интегрирования, т.е. в момент време- сдвига Cfx tf, -q-i между электричес-45 . (фиг.1 ж, з, и)

ними сигналами

U,(t) Ua(t)

U.sin (Qt + Lf, )

и„ sin (jOt + tf.)

(1) (2)

с разными амплитудами U U „ (фиг.la).

Для этого квадратурно преобразуют только опорный электрический сигнал. (1) (фиг.16):

U,,(t) U,,sin((0t -t-lf, ); (3) U,-2 (t) U,cos(cot -- If, ) (A)

Полученные основной (3) и квадратур- ньй (4) сигналы с равными амплитудами, т.е. mti перемножают со сдвинутым по фазе электрическим сигналом (2)

UjCt) U4, (t) U2(t) Um,,sin((0t + Lf, )-U,sin(Qt +4) 0,5Un,,,Uniz

cos(q, ) - cos 2bt + 0,5(4), +

+ q),));(5)

U4(t) U,i(t)U(t) Un,,2C08(wt + + q), ).(G}t +Cfi) 0,5Um,iUmj

sin(q, - tf. ) + sin + 0,5(4-,

+ q),). -(6)

Каждый из перемноженных сигналов (5) и (6) интегрируют, в течение интервала времени, ограниченного снизу и свер /-. «

в, г) равенства мгновенных значений основного и квадратурного сигналов (3) и (4) (фиг.1 д, е)

.. 4Ct:) из()«

0,5Г

У моментами времени t.. и t, (Аиг.1

ч ..

-|- J 0,5U,,U,(cos(Cf, -Cfj) - о

- cos + 0,5(Cf, + CPi))dt (7) U(,) -..5...j(t)dt

2 T ° --- 0,5U,U,(cf, -q),) +

0

+ 0,5(Cf, + )dt, (8)

+ sin

где К - коэффициент пропорциональности или коэффициент передачи интеграторов.

Измеряют мгновенные значения первого и второго усредненных сигналов (7) и (8) в конце интервала времени

I

U U4(t,) K 0,5U,,U,cos((P, 0

-Cfi) U,;

U7 U5(tp K-0,5U

mii rfti

U,

(9)

sin(C|, - (10)

5

) - a

Определяют отношение результата (10) второго измерения к результату (9) первого измерения, т.е.

Ug U,j/U, .(11)

О мгновенном значении фазового сдвига судят по выражению (напряжение Uqijj на фиг. 1 к)

180°

180

arctg Ug

:,j arctg ---- -V.

(12)

14992656

Покажем, что выражение (12) действительно характеризует мгновенное значение фазового сдвига электрических сигналов (1) и (2). Для этого в (12) подставим значения Uj и U, определяемые вьфажением (10) и (9):

Изобретение может быть использовано при измерении мгновенных значений разности фаз в области низких и инфранизких частот. Цель изобретения - повышение быстродействия измерения. Сущность способа заключается в том, что квадратурно преобразуют опорный электрический сигнал. Полученные основной и квадратурный сигналы с равными амплитудами перемножают с измерительным сигналом. Каждый из перемноженных рсигналов интегрируют только в течение интервала времени, огрраниченного снизу и сверху моментами времени равенства мгновенных значений основного и квадратурного сигналов. Измеряют мгновенные значения первого и второго проинтегрированных сигналов в конце интервала интегрирования. Определяют отношение результата второго измерения к первому, а о мгновенном значении фазового сдвига судят по выражению φ° =180°/φ ARCTG (U₂/U₁), где U₁ и U₂ - мгновенные значения первого и второго проинтегрированных сигналов. 2 ил.

180

7

arctg т

-180

(С.-Cf,) -()

Знак минус в выражении (13) характеризует запаздывание электрического сигнала (2) относительно (1), т.е. отрицательный фазовьй сдвиг между исследуемыми сигналами.

Из выражения (13) видно, что результат измерения фазового сдвига не зависит от амплитуд U , и U исследуемых сигналов (1) и (2). Так как интервал времени интегрирования At tr - t равен половине периода исследуемых сигналов (что нетрудно доказать), то при интегрировании перемноженных сигналов исключается влияние всех четных гармоник на результат измерения мгновенного значения фазового сдвига. Это объясняется усреднением всех гармонических составляющих исследуемых и перемноженных сигналов, периоды которых равны или кратны времени усреднения (или интегрирования) , т.е. Т H &t 0,5Т-п, где Т ц - период К-й четной гармоники Высокая помехозащищенность предлагаемого способа измерения как и известных, обеспечивается за счет многократного преобразования спектров сигналов .путем использования операций кодирования, перемножения и интегрирования электрических сигналов.

Устройство работает следукшщм образом.

Электрические сигналы (1) и (2), фазовый сдвиг которых подлежит измерению, подают соответственно на вход квадратурного фазовращателя 1 и объединенные вторые входы перемнояителей 2 и 3. С помощью квадратурного фазовращателя 1 формируются основной и квадратурньш сигналы (3) и (4) с равными амплитудами. Основной и квадратурный сигналы (3) и (4) с прямого и квадратурного выходов фазовращателя 1 поступают на первые входы первого и второго перемножителей 2 и 3 соответственно.

arctg

sisii/j-r jLl

cos(c7, -Ч-г) (13)

Педземноженные сигналы (5) и (6) с выходов первого и второго перемножителей 2 и 3 поступают на информационные входы соответственно первого и второго интеграторов 6 и 7. Интегрирование этих сигналов осуществляется в течение времени Л t t - t, равного половине периода исследуемых сигналов.

Управление работой интеграторов 6

и 7 осуществляется выходным сигналом

триггера 5, причем длительность этого сигнала равна jt

Ч 0,5т. Формирование выходного сигнала триггера 5 указанной длительности осуществляется путем подачи на его

счетный вход коротких импульсов, которые формируются с помощью компаратора 4. Для этого на компаратор 4 подают квадратурные сигналы (3) и (4). В моменты равенства мгновенных значеНИИ квадратурных сигналов (3) и (4) и формируются указанные короткие импульсы .

При необходимости ручного управления процессом измерения триггер 5

предварительно устанавливается в нуль путем подачи на его вход установки нуля управляющего импульса с первого выхода блока 16 управления.

Задним фронтом выходного сигнала триггера 5 осуществляется запуск од- новибратора 8. Последний формирует выходной сигнал, представляющий собой короткий импульс длительностью , достаточной для преобразования в код выходных сигналов интеграторов 6 и 7. Преобразование в код осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей 9 и 10, управляемых выходным сигналом одновибратора В.

В результате на входы Делимое и Делитель цифрового блока 1I делеия поступают коды чисел

SU,

su,

su su.

1

(14) (15)

где S , S,j S крутизна пр.еобразова- НИЯ аналого-цифровых преобразователей 9 и 10.

Код числа N, N2/N (16)

с выхода цифрового блока 1I деления поступает на блок 12. Код числа - arctgN, arctg(N2/Np (17) с выхода блока 12 поступает на один из входов цифрового блока 13 перемножения . На второй вход цифрового бло- ка 13 перемножения поступает код числа N j 180/Т.

Код числа Ng N6-N4 (18) с выхода цифрового блока 13 перемножения поступает на отсчетно-регистри- рующий блок 15, с помощью которого индицируется мгновенное значение фазового сдвига электрических сигналов (1) и (2),, описываемое выражением

N

NjN

180

сNjarctg N /N) arctg(Ui/U,). (19)

II

Предлагаемый способ помехозащищен- ного измерения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов обеспечивает повышенную точность измерения за счет исключения влияния неравенства амплитуд исследуемых и преобразованных сигналов, а также и их высших гармоник на результат измерения. Положительный эффект достигается путем квадратурного преобразования только одного опорного сигнала и перемножении каждого из полученных квадратурных сигналов со сдвинутым п фазе электрическим сигналом. Предлагаемая последовательность операций предложенного способа измерения автоматически обеспечивает исключение влияния амплитудных значений сдвину того по фазе и квадратурных сигналов при делении результатов измерения мгновенных значений усредненных сигналов. Амплитудное значение опорного сигнала в явном виде в процессе преобразования не участвует. Оно представлено (с некоторым масштабным коэффициентом) в виде амплитудных значений основного квадратурного сигнала, которые также исключаются, так как они равны между собой, входят в состав числителя и знаменателя в виде сомножителей, которые при делении

5

0

5

0

5

0

5

0

5

сокращаются. Выбор времени интегрирования в предлагаемом способе измерения по сравнению с известными осуществляется с высокой точностью и достаточно просто - по моментам равенства мгновенных значений квадратурных сигналов. Высокая точность выделения указанного времени интегрирования с помощью, например компаратора и триггера, достигается за счет весьма высокой взаимной скорости пересечения сигналов (или крутизны сигналов в момент их равенства). Это, в свою очередь, обеспечивает высокоточное задание времени интегрирования и высокоточное задание момента времени измерения мгновенных значений усредненных сигналов. В результате этих преимуществ также достигается высокое быстродействие при измерении в диапазоне инфранизких и низких частот, диапазон частот ограничивается быстродействием аналого-цифровык преобразователей, обеспечиваюпщх преобразование в код выходных сигналов интеграторов. Быстродействие АЦП должно не менее, чем в 360 раз, превышать период сравниваемых по фазе сигналов. Если, например, частота исследуемых сигналов равна 10 кГц, то преобразование в код должно осуществляться с частотой 7,2 МГц, т.е. иметь быстродействие ut 1/f 1/7,2-10 0,14 МКС. В настоящее время лучшие образцы АЦП имеют быстродействие 0,05-0,1 МКС.

Предлагаемый способ измерения : V| обеспечивает высокое быстродействие при высокой точности измерения не сложен в реализации и работоспособен в широком диапазоне частот исследуемых сигналов.

Формула изобретения

Способ определения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в квадратурном преобразовании опорного электрического сигнала и перемножения сос- тавлякщих опорного и измеряемого сигналов, интегрировании р;езультирующюс перемноженных сигналов с последукяцим определением мгновенного значения фазового сдвига Ср J по выражению

:

180

arctg (Uj/U,),

u.ft)