Способ определения усредненного значения сдвига фаз и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01R25/08 

вого импульса опорной последовательности в течение задаваемого интервала времени Т,яд формируют измеритель- ный интервал времени, в течение которого запоминают моменты текущего времени как число счетных импульсов t, и tj , соответствующих моментам переходов входных напряжений через нуль

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения усредненного значения сдвигов фаз с повышенной точностью и помехоустойчивостью.

Цель -изобретения - повышение точности изг4еренйя сдвига фаз за счет устранения возможных фазовых ошибок в области мертвых зон вблизи О и 360°. tО в положительном направлении, а также

Способ измерения сдвига фаз состо- запоминают номера переходов i и i. , ит в том, что из двух входных сигналов, один из которых является опор- ным, по переходам через йуль формируют сдвинутые во времени импульсные 15 их входных сигналов, последовательности, а также формиру- Среднее значение разности фаз вы- ют временную последовательность счет- . числяют с использованием полученного ных импульсов, зквивалентную текуще- массива данных по методу наименьших My времени. По переднему фронту пер- квадратов по формуле

. . k; k,

и отдельно подсчитывают в течение

времени изменения Т..... общее число

,

к. и к. перекодов через нуль для обоuif,

. ..lL.ii.:.lji.j:.ii-J .,.)

fii 1«2 г-

- Ё.:..:.Ь: ; ; vg .-U , i... , 4±«i,)..)

вого импульса опорной последовательности в течение задаваемого интервала времени Т,яд формируют измеритель- ный интервал времени, в течение которого запоминают моменты текущего времени как число счетных импульсов t, и tj , соответствующих моментам переходов входных напряжений через нуль

в положительном направлении, а также

запоминают номера переходов i и i. их входных сигналов, Среднее значение разности фаз вы- числяют с использованием полученного массива данных по методу наименьших квадратов по формуле

и отдельно подсчитывают в течение

времени изменения Т..... общее число

,

к. и к. перекодов через нуль для обо

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и позволяет повысить точность измерения сдвига фаз за счет устранения возможных фазовых ошибок на границе перехода фазы от 0 к 360°. Два входных сигнала (один из них опорный) поступают на входы формирователей 1 и 2, формирующих две (опорную и измерительную) импульсные последовательности. Блок 6 формирования времени измерения по сигналу "сброс", согласованному с заданным интервалом времени, формирует сигнал начала измерительного интервала (ИИ), который привязан к положительному фронту первого импульса опорной последовательности. Разрешающий потенциал сигнала ИИ поступает на входы ключей 3,4,10 и обеспечивает прохождение счетных импульсов от генератора 5, а также импульсов опорной измерительной последовательности на счетчики 11,7 и 8. В течение ИИ в каждый момент перехода входных сигналов через ноль оперативные блоки 12 и 13 памяти заносят в ячейки памяти, адресные номера которых определяются кодом счетчиков 7 и 8, значения кодов времени из счетчика 11. К концу ИИ по сигналу из блока 6 счетчики 7 и 8 подсчитывают общее число переходов через ноль входных сигналов, а счетчик 11 - общее число счетных импульсов, соответствующее времени измерения. По сигналу "пуск" арифметический блок 9 переписывает из блоков 12 и 13 и из счетчиков 7,8,11 данные для расчета усредненного значения разности фаз по формуле, приведенной в описании. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

t.

2(k. .21i,t;, - ZI ti.-Zli,)

.-.1 AIJJL-US. 11и1И

it-яk(ло

.

f - (

., 1 fct

Ч,.)

k.

tt . гJri r

.1

Рассматривая текущее значение фасинусоидального сигнала как опоро так и измерительного, как линейфункцию от текущего времени tj, ем очевидное соотношение 40

xt; 0;

9s

-Ц-

ё

C(t) CDti + %,

(2)

которая преобразуется к виду

k rt k k

где to , tfo постоянные коэффициенты,

. соответствующие частоте cO-TCt;) Т t: it; ;(6)

и начальной фазе электри- дз frj f i

ческого колебания. Метод наименьших квадратов для определения параметров сд и (Jig линейной функции tfCt) используется при сравнении значений фазы tfCt) 27 со зна- JQ чениями функции (2) в моменты времени t , которые и являются объектом

( + k(;, 2T-.Zi. (7)

-,«:(.

В результате решения системы уравнений определяются коэффициенты cj и (fо kk if

fO

21Г(и z: i t; - т: t,-. 2: i)

s1±5. JSIl j l

k-SICt; / - ( it; )

измерения.

CCO.CP.) («t.-.o) .(3)

Минимизация суммы определяется из

qОс

условия Л- о и -д--- о, при

Э WоЧо

этом получается система уравнений:

(1)

t; 0;

9s

k

z

k

-Ц- - (Ot; + M ,)

(4)

ё - (at;- Cf,)

0,

(5)

которая преобразуется к виду

k rt k k

cO-TCt;) Т t:

( + k(;, 2T-.Zi. (7)

-,«:(.

В результате решения системы уравений определяются коэффициенты cj и (fо kk if

fO

(8)

21Г(и z: i t; - т: t,-. 2: i)

s1±5. JSIl j l

k-SICt; / - ( it; )

.1

%{2ir(z:(iif.2:;.t-.2:u,i/ -i l1 1i t1 1J /

/kZ:(i;(Z:i;f.

(

Полученные коэффициенты о и Ч являются средними значениями частоты и начальной фазы электрического колебания входного сигнала в каждом канале, и относятся к середине интервала времени, измерения Т,, .

В соответствии с выражением (2) для первого и второго входного сигнала получим

(t), co, t +cf,, oi

Разность фаз, отнесенная к моменвремени, равна

2 ,-(о2

(12)

Если подставить в (12) значения tfo, tPg, , СО, и G3j, определяемые по формулам (8) и (9), то получится выражение (1), которое определяет усредненные за время Т,, значения разности фаз двух входных сигналов, которые относятся к середине интервала измерения.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализукяцего способ; на фиг,2 - временные диаграммы напряжений входных и преобразованных сигналов; на фиг.З - структурная схема блока формирования времени измерения (БФВИ). I

Устройство содержит формирователи 1 и 2, ключи 3 и 4, генератор 5 счетных импульсов (ГСИ), блок 6 формирования времени измерейия (БФВИ), первый и второй адресные счетчики 7 и 8, арифметический блок 9, а также введенные третий ключ 10 третий - счетчик И импульсов, первый и второй блоки 12 и 13 оперативной памяти. При этом первый и второй выходы блока 6 формирова1шя времени измерения соединены соответственно с объединенными первыми и вторыми входами КЛИЧей 3, 4, 10, выходы формирователей 1 и 2 соединены соответственно с третьими входами ключей 3 и 4, выходы которых соединены соответственно с входами записи блоков 12 и 13 опера-, тинной памяти и со счетными входами адресных счетчиков 7 и 8, выходы которых соединены с первым и вторым информационными входами арифметического блока 9, а также соответственно с адресными входами блоков 12 и 13 оперативной памяти, информационные входы

,

10

15

о

20

которых соединены с выходами третьего счетчика 1 и с третьим информа- ционнь1м входом арифметического блока 9, четвертьй и пятый интepdзeнcныe шины которого соединены с интерфейсными шинами соответствующего блока оперативной памяти.

Выход первого формирователя 1 подключен к первому входу блока 6 форми-: рования временных и 1:тервалов, второй вход которого соединен с выходом ГСИ 5 и третьим входом третьего ключа 10, выход которого соединен со счетным входбм третьего счетчика 1I. Первый выход блока 6 соединен с входом Пуск арифметического блока 9, выход Сброс которого соединен с соответствующими входами адресных счетчиков 7 и 8, третьего счетчика 11 и третьим входом блока 6.

Схема блока 6 формирования времени измерения (фиг. 3)-построена по известному принципу и содержит три 25 триггера 14-16, элементы И 17 и 18, ключ 19 и делитель 20 частоты, причем соединенные между собой первые входы элементов И 17 и 18 и ключа 19 являются вторым входом блока 6, первый вход которого соединен с вторыми входами элементов И 17 и 10; выход элемента И 17 соединен с S-входом триггера 14, инверсный выход которого соединен с третьим входом элемента И 17, а прямой выход - с вчсрым входом ключа 19 и является вторым входом блока 6, первый выход которого (Пуск) соединен с инверсным выходом триггера 16, вход S которого соединен с выходом элемента И 18, третий вход которого соединен с прямым выходом триггера 15, инверсный выход которого соединен с третьим входом ключа 10, выход которого через делитель 20 частоты соединен с S-входом триггера 15. Все R-входы триггеров 14- 16, соединенные между собой являются входом Сброс блока 6.

Устройство работает следующим образом.

На входы первого и второго формирователей поступают соответственно опорное и измерительное напряжение (фиг.2 а, б). По переходам через нуль формируются сдви1гутые во времени две импульсные последовательности . (фиг.2 в, г), из которых соответственно первая является опорной, а вторая - измерителыюГ. Б.гиж формиро30

35

40

45

50

55

вания времени измерения по сигналу Сброс, поступающему из арифметического блока, и соответствующего переднему фронту первого после вьщачи сигнала Сброс импульса опорной последовательности и переднему фронту счетного импульса формирует передний фрон т прямоугольного импульса на втором выходе блока 6, по длительности

равного времени измерения (Фиг.2д который поступает на входы всех трех ключей. Открытый третий ключ разрешает прохождение счетных импульсов на вход третьего счетчика, который начи- нает подсчет счетных импульсов. Результаты подсчета при этом поступают непрерывно на входы блоков 12 и 13 памяти. Открытые сигналом Т,,, первый и второй ключи пропускают опорную и измерительную импульсные последовательности на входы адресных счетчиков и на вход блоков памяти, как импульсы записи. При этом первый и второй адресные счетчики определяют номера переходов через нуль входных напряжений в положительном направлении в течение всего измерительного интервала Tj,4. Одновременно этими фронтами производится запись теНУущих значений времени t, и t; в блоки 12 и 13 (фиг. 2 е, ж). Эти значения определяются состоянием счетчика 11 в момент записи. Адреса ячеек памяти при этом в блоках 12 и 13 определяются состоянием счетчиков 7 и 8. По истечении времени измерения па сигналу Пуск, формируемому в блоке 6 на первом выходе, ключи 3, 4 и 10 закрываются и счет импульсов в счетчиках 7, 8 и 11 прекращается, после чего в арр фметическом блоке 9 записывается вся необходимая информация. Это поступающие из блоков 12 и 13 памяти числа и t{ счетных импульсов, подсчитанных счетчиком {1 в моменты перехода входных напряжений через нуль в положительном направлении, и соответствующие им номера ij и i

этих переходов. Из адресных счетчиков 7 и 8 поступает общее число k и k переходов входных сигналов, из счетчика 1 I - число Т„(м счетных импульсов, соответствующее времени измерения.

Используя эти данные арифметический блок вычисляют по формуле (1) усредненное значение разности фаз, а по формуле (8), если это необходимо.

g

о 5 о Q

5

0

5

усредненные значения частот входных сигналов.

После проведенного расчета арифметический блок выдает сигнал Сброс , который полохсительным фронтом обнуляет счетчики и устанавливает блок формирования времени измерения в исходное состояние, после чего цикл измерения повторяется.

Таким образом, данный способ измерения среднего значения сдвига фаз позволяет повысить точность за счет отсутствия ошибок на границе перехода измеряемой фазы от ЗбО к нулю. Кроме того, способ позволяет также без усложнения схем реализаций измерять усредненные значения частот входных

сигналов.

.

Используя предлагаемый способ, могут быть построены в различных радиотехнических системах многоканальные измери.тели среднего значения сдвига фаз без значительного усложнения их структуры и схемной реализации.

Формула изобретения

о

V 1. Способ определения усредненного значения сдвига фаз, основанный на том, что формирз ют из (упорного и измерительного входных сигналов по переходам через нуль в положительном направлении импульсные последовательности, формируют времязадающую последовательность счетных импульсов, в течение заданного промежутка времени формируют интервал измерения, начало которого совпадает с первым счетным импульсом, следующим после первого импульса опорной импульсной последовательности, а конец - с К-импульсом указанной последовательности, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения сдвига фаз за счет устранения возмож-. ных ошибок .на границах Перехода фазы от нуля к 360 , непрерывно в течение всего интервала измерения измеряют и запоминают значения интервалов времени t и tl- между началом интервала измерения и каждым . импульсом опорной и каждым 1„-м импульсом изме-. рительной последовательности, а также измеряют значение I всего интервала измерения и содержащееся в нем общее число К, и К импульсов соответственно опорной и измерительной последовательностей и по полученным тов определяют усредненное значение данным до методу наименьших квадра- Л(ср разности фаз по формуле

&q

Р rkt

.ii.:.bi.ji.

..SIC:;,) - ( xt,.,)

«- 1fc. -л

f.X, « 2tl1

z irz: (ti,)M:i,- .t,v.r4 tJ

..t... J Тиэм

«2«k -т - -

J f V&-i-- -:-S- :..iiiL

,-(.il4)

4 - 4 . л

1,r1

t.1

Ifzkz

- 2:t. Zli)

- (lit. X

IjH

.il

. л

t.1

IjH

30

5

о j

0

входных формирователей, а выходы ключей - соответственно с входами записи первого и второго блоков оперативной памяти, адресные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго счетчиков, а также соответственно с первым и вторым информационными входами арифметического блока, третий информационный РХОД которого соединен с выходом третьего счетчика и с информационными входами блоков оперативной памяти, интерфейсные шины которых соединены с четвертым и пятым интерфейснь1ми шинами арифметического блока, выход Сброс которого соединен с входами сброса первого, второго и третьего счетчиков и с третьим входом блока формирования времени измерения, первый выход которого соединен с первым входом третьего ключа и входом Пуск арифметического блока, а второй выход - с вторым входом третьего ключа, выход которого соединен со счетным входом третьего счетчика.