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

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к фа- зометрии, и может быть использовано для повышения точности измерения не только фазовых сдвигов электрических сигналов, но и частоты, активной и реактивной мощности, мощности диэлектрических потерь, коэффициента диэлектрических потерь и т.д.

Целью изобретения является повышение точности нтмерсния фазового сдвига электрических сигналов за счет уменьшения аддитивной и мультипликативной состанляющик погрешности измерения.

На фиг. 1 приведены эпюры напряжений, поясняющие способ; на фиг. 2 - структурная схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, содержит автоматический переключатель 1, установочный фазовращатель 2, блок 3 преобразования фаза - код, интерфейсный модуль 4, микроэвм 5, счетчик 6 импульсов, логический элемент И-НЕ 7, триггер 8, первый 9, второй 10 и третий 11 формирователя импульсов, логический элемент И 12, первый 13 и BTOpoi i 14 логические элементы ИЛИ, кнопку 15 Ручн. пуск.

to

05

3150

клемму 16 питания, клемму 17 Авт. пуск.

Клемма опорного сигнала соединена с объединенными первыми входами автоматического переключателя 1 и блока 3 преобразования фаза - код, второй вход которого через установочный фазовращатель 2 подключен к выходу автоматического переключателя 1, coe диненного своим вторым входом с клеммой сдвинутого по фазе сигнала.

Управляющей вход (вход Пуск) блока 3 преобразования фаза - код подключен к выходу логического эле- мента И 12, первьй вход которого соединен с выходом триггера 8, а второй вход подключен к второму выходу формирователя 10 импульсов. Вход формирователя 10 импульсов соединен с выходом первого логического элемента ИЛИ 13, первый и второй входы которого подключены к вторым выходам первого и третьего формирователей 9 и 11 импульсов соответственно.

Вход третьего формирователя 11 импульсов соединен с выходом второго логического элемента ИЛИ 14, первый вход которого через кнопку 15 Ручн. пуск соединен с клеммой 16 питания, а второй вход - с клеммой 17 Авт. пуск.

Первый выход третьего формирователя 11 импульсов подключен к объединенным между собой входам установки нуля и единицы счетчика 6 импуль- сов и триггера 8 соответственно.

Микроэвм 5 через интерфейсный модуль 4 подключена к цифровым выходам блока 3 преобразования фаза - код, выход Конец преобразования которого соединен с входом первого формирователя 9 импульсов, первый вход которого подключен к счетному

входу счетчика 6, первьш и второй

выходы которого соединены соответственно с управляюисими входами автоматического переключателя 1 и установочного фазовращателя 2, а также с первым и вторым входами логического элемента И-НЕ 7, а выход послед него подключен к входу установки нуля триггера 8.

Любой измерительный преобразователь, в том числе и фазометр, имеет функцию преобразования

у 3(иу)

где X - измеряемая величина; у - результат измерения; Лу - аддитивная составляющая погрешности измерения,

S v X - мультипликативная составляющая погрешности измерения , S - крутизная преобразования. При измерении фазового сдвига электрических сигналов, например, классическим методом результат измерения с учетом приведенного выражения будет равен

(UpCf,-HUU, (1)

где (|J х - измеряемая величина; - результат измерения; UU - аддитивная составляющая

погрещности измерения-, мультипликативная составляющая погрешности измерения ,

S - в/градГ

в котором имеют место аддитивная и мультипликативная составлякщие погрещности измерения. Исключение этих составляющих погрещности измерения обеспечивает получение истинного значения результата измерения.

В способе определения фазового сдвига сигналов измеряют фазовьй сдвиг cpjj (2.l Wy опорным и сдвинутым по фазе электрическим сигналом (фиг. 1а)

U,(t) U,sin(Qt+q,), (2) UjCt) U,sin(cot+Q p.(3)

Для этого из опорного сигнала (2) предварительно формируют второй дополнительный сигнал (фиг. 16)

Ц, (t) и „ ,s in (и t+qi,-I-(Рр)

(4)

(cot+Cf,)

где и - амплитудное значение сигнала;

Cf, - начальный фазовый сдвиг, путем введения в опорный сигнал (2) нормированного по значению фазового сдвига qj Cf .

Измеряют фазовый сдвиг меязду вторым дополнительным и опорным сигналами (4) и (2). В результате получают сигнал (фиг. 1д)

Ц, -s(q,-q,)(1+y)+uu

Sq(H-J-)+UU,(5)

где S - чувствительность или крутизна преобразования;

&U - мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности измерения; - измеряемый фазовый сдвиг

сигналов (4) и (2). Затем формируют первьй дополнительный, сигнал (фиг. 1в)

где ЗКЦ Л

и &и - мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности измерения К Ц)(, - измеряемый фазовый сдвиг

сигналов (8) и (2). Об истинном значении фазового сдвига исследуемых сигналов (2) и (3) судят по выражению

Изобретение может быть использовано в устройствах для измерения фазы сигнала. Целью изобретения является повышение точности измерения фазового сдвига электрических сигналов за счет уменьшения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности. Для этого формируют второй дополнительный сигнал путем сдвига на первое фиксированное значение фазы φ₀ опорного сигнала, измеряют разность фаз между вторым дополнительным и опорным сигналами U₂, формируют третий дополнительный сигнал путем сдвига опорного сигнала на второе фиксированное значение сигнала Kφ₀, измеряют разность фаз между третьим дополнительным и опорным сигналами U₃. Кроме того, формируют первый дополнительный сигнал путем сдвига на первое фиксированное значение φ₀ сдвинутого по фазе электрического сигнала, измеряют разность фаз между первым дополнительным и опорным сигналом U₁, а величину фазового сдвига сигналов определяют по формуле φ_XO = (K-1)φ U₂-U₁/U₃-U₁. 2 ил.

U4(t)U,sin(wt+q Cf) и sin(Wt-Hf)

по чначе,0

где амплитудное значение сигнала ;

cf начальный фазовый сдвиг, путем введения в сдвинутый по фазе сигнал (3) нормированного нию фазового сдвига (р (-/

Измеряют фазовый сдвиг между первым дополнительным и опорным сигналами (6) и (2). В результате получают сигнал (фиг. 1е)

Uj S(),)(1+J)+UU S((4,+ -Htf)()+uU,(7)

где 3(М,+(,)

иbU - мультипликативная

и аддитивная составляющие погрешности имерения ; t измеряемый фазовый

Полученный результат (11)

сдвиг сиг11алов (6) и (2). (фиг. 1 з) равен истинному значению

Из опорного сигнала (2) формируют третий дополнитеаьный сигнал (фиг. 1г)

фазового сдвига исследуемых сигнало (2) и (3). Он не зависит от чувствительности (или от крутизны преобU5(t)(ut + Cp,+kq)) U.sin()

«5

где и

(8)

V115

амплитудное значение сигнала5 начальный фазовый сдвигу

К 2,3,4

путем введения в опорный сигнал (2) второго нормированного по значению фазового сдвига tf kq), кратного первоначальному и превышающего его не менее чем в два раза, т.е. ( /Ч- ) 2.

Измеряют фазс вый сдвиг между третьим дополнительным и опорным сигналами (8) и (2). В результате полу- чают сигнал (фиг, 1ж).

Uj S(,) ()( 11- +y)

; (K-i)cf° Е

у у.

(10)

(6)

г

Де У,

0

5

0

у , j- результаты промежуточных измерений Ц о 1 Чо первое и второе значения нормированных фазовых СДВИГОВ,

Подставим в (10) результаты промежуточных измерений (5), (7) и (9), тогда

(к-1)с,.

и. 1 лср §i iliL«Hl±muU-sy.iij:|C)-ty sKif(Uf)-t-uu-sif,(n-j)-uu

-(...1М 1И1П1§сй,И±Р . SKti/un-sei ur)

(к-1)(°

(к-Осро

)

(11)

Полученный результат (11)

г. 1 з) равен истинному значе

фазового сдвига исследуемых сигналов (2) и (3). Он не зависит от чувствительности (или от крутизны преоб40 разования, не содержит аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности измерения.

Необходимо отметить, что согласно предлагаемому способу измерения

45 значения нормированных фазовых сдвигов выбирают из условия

К(; (0,01...0,07)(f ,.(12)

5Q Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

На первые входы автоматического переключателя 1 и блока 3 преобразования фаза - код поступает опорный сигнал (2). На второй вход автоматического переключателя 1 поступает сдвинутый по фазе сигнал (3).

При нажатии кнопки 15 Ручн. пуск или при подаче на клемму 17 внешне55

го импульса запуска осуществляется ручной или автоматический пуск устройства. С выхода второго логического элемента ИЛ1 14 импульс запуска поступает на третий формирователь 11 импульсов. Необходимо отметить, что в качестве формирователей 9-П могут быть использованы одновибрато- ры с парафазными выходами. С перво- го выхода третьего формирователя 11 импульсов на входы Уст.О и Уст.1 счетчика 6 и триггера 8 соответственно поступает импульс, который устанавлизает счетчик 6 импуль- нуль, а триггер 8 - в единицу.

В результате на выходах счетчика 6 импульсов установите) код нуля, а на первом входе логического эле- И 12 установится потенциал, разрешающий прохождл ние управляющих импульсов через логический элемент И 12 на вход Пуск блока 3 преобразования фаза - код.

При наличии кода нуля (0,0) на вы- ходах счетчика 6 импульсов, а следовательно, и управляю111их входах автоматического, переключателя 1 и фазовращателя 2 осуп1есхвляется установка их в исходное состояние. Автоматичес кий переключатель 1 переводится в по ложение, указанное на фиг, 2, а фазовращатель 2 устанавливается в состояние, обеспечивающее введение первого нормированного по значению фазового сдвига u U)o в опорный сигнал При этом на первый и второй входы блока 3 преобразования фаза - код поступят электрические сигналы (2) и (4).

После нажатия кнопки 13 Пуск с второго выхода третьего формирователя 11 импульсов импульс запуска поступает через первый логический элемент lUM 13 ла вход второго формирователя 10 импульсов. В формирова- теле 10 этот импульс задерживается на время , переходных процессов в фазовращателе 2. Задержанный импульс длительностью С через логический элемент И 12 поступает на вход Пуск блока 3.

В результате преобразования в код фазового сдвига сигналов (2) и (4) на выходе блока 3 пояпится код числа

N, S(H-pt,+ AN, (ГЗ)

где 1(1 - фазовый сдпиг сигналов (2) и (4),

,

UN - мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности преобразования. Одновременно на выходе Конец

преобразования блока 3 появляется импульс, который дает команду на запись (разрешает запись) кода числа (13) в память микроэвм 5. Необходимо отметить, что сопряжение выходов блока 3 и входов микроЭВМ 5 осуществляется с помощью интерфейсного модуля 4. Одновременно импульс, соответствующий окончанию преобразования фазового сдвига сигналов (2) и (4) в код, поступает на вход перв го формирователя 9 импульсов, который формирует пару импульсов, соответствующих логическому нулю и логической единице .

Импульс с первого выхода вателя 9 импульсов поступает в счетчик 6 импульсов и увеличивает его содержимое на единицу. Выходной код счетчика 6 импульсов станет равным коду едини1« 1 (1,0). При этом коде автоматический переключатель 2 поменяет свое положение на противоположное. Состояние установочного фазовращателя 2 не меняется.

На второй вход преобразователя 3 поступит уже сигнал (6).

С второго выхода первого формирователя 9 импульсов импульс, соответствующий моменту окончания первого преобразования в код фазового сдвига сигналов (2) и (4), поступает через логический элемент ИЛИ 13 на вход второго формирователя 10 импульсов. Последний формирует следующий импульс запуска работы блока 3 преобразования фаза - код, задержанный на время переходных процессов в фазовращатеУш 2 при изменении положения автоматического переключатели 1.

В результате в код преобразуется фазовый сдвиг электрических сигналов (2) и (6). Код числа

NI S(), (14)

гдеЦ)4-(- измеряемый фазовый сдвиг;

5(СР,-ь

Ч о)

UN - мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности преобразования,

поступает на входы интерфейсного модуля 4.

Одновременно на выходе Конец преобразования блока 3 появляется соответствующий импульс, который дает команду на запись кода числа (14) в память микроэвм 5. Этот импульс поступает также на вход первого формирователя 9 импульсов. С первого выхода формирователя 9 им- пульсов импульс, соответствующий концу второго преобразования, поступает в счетчик 6 импульсов и увеличивает на единицу его содержимое. На выходе счетчика 6 устг новится код двойки ( 0,1). При этом коде антома тический переключатель 1 примет свое исходное положение, указанное на фиг. 2, а фазоврашатель 2 установится в состояние, обеспечивающее введение второго нормированного по значению фазового сдвига ср , равного, например, удвоенному значению фазового сдвига ср , т.е. Ц) 2Ц

На второй вход блока 3 поступит электрический сигнал (8) при .

С второго выхода первого формирователя 9 импульс, соответствующий моменту времени скончания второго преобразования в код фазового сдвига сигналов (2) и (6), поступает через логический элемент ШЖ 13 на вход второго формирователя 10 импульсов. Последний формирует очередной импульс запуска работы блока 3 преобра зования фаза - код, задержанный на время переходных процессов.

В результате в код преобразуется овый сдвиг I (8). Код числа

фазовый сдвиг 2 Cft сигналов (2) и

NJ S2q)(1+J)+&N

(15)

где 2 Срд - измеряемый фазовый сдвиг,

25(;оУ.

bN - мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности преобразования, поступает в память микроЭВМ 5 в момент времени появления на выходе блока 3 импульса, соответствующего концу преобразования.

Указанный импульс поступает также на вход первого формирователя 9 импульсов. С первого выхода формирователя 9 этот импульс поступает в счетчик 6, увеличивая его содержимое на единицу. Выходно) код (1,1)

0

5

0

5

0

числа три с первого и второго вы- холс р счетчика 6 импульсов поступает на управляющие входы автоматического переключателя 1 и фазовращателя 2 соответственно. Одновременно выходной сигнал (1,1) счетчика 6 поступает на входы логического элемента И-НЕ 7. Последний при наличии на входах сигналов, соответствующих логическим единицам, формирует импусьс, устанавливающий триггер 8 в состояние логического нуля на его выходе. Это Приводит к запрещению прохождения через логический элемент И 12 выходного импульса второго формирователя 10, обеспечивающего за- пуск блока 3 преобразования фаза - код. Под действием сигналов с первого и второго выходов счетчика 6 положение автоматического переключателя 1 устанавливается противоположным указанному на фиг. 2, а состояние фазовращателя 2 не изменяется. Однако процесс преобразования сдвига а. код не производится.

После появления третьего импулб- са на выходе Конец преобразования блока 3, соответствующего окончанию третьего такта преобразования в код фазового сдвига входных сигналов, микроэвм 5 начинает обработку результатов промежуточных преобразований (13)-(15) по алгоритму (при К 2).

- 35

NZ-N,

-. -

(16)

аналогичному (10). Необходимо отметить, что нормированное значение Nv|c фазового сдвига выносится в память микроэвм 5 заранее.

Покажем, что истинное значение (16) фазового сдвига исследуемых сигналов (2) и (3) не зависит от крутизны преобразования блока 3 и не содержит аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности преобразования. Для этого подставим в (16) выражения (13) - (15) и получим, что

.м Isli lifjilill Д1Ь Stf nmiiN. ,(Uj )(1+y)+ftN

N,

N,

(17)

ifo 0 По сравнению с прототипом в предлагаемом способе измерения повьш1ение точности достигается за счет введения информационной избыточности путем дополнительного измерения фазо- вых сдвигов между опорным и первым дополнительным, опорным и вторым дополнительным сигналами. В обработке используется и значение фазового сдвига между опорным и вторым дополнительным сигналами. Как уже отмечалось, предлагаемый алгоритм обработки результатов промежуточных измерений обеспечивает исключение влияния чувствительности (или крутизны преобразования) на результат измерения, а также исключение влияние аддитивных и мультипликативных составляю- цих погрешностей результатов промежуточных измерений. Положительный эффект достигается тем, 4fo вначале определяют разность второго и первопромежуточных измерений, а затем - частное от деления первой разности результатов на вторую. Увеличенное в (K-Oq раз частное от деления и характеризует истинное значение фа- зового сдвига исследуемых сигналов.

Таким образом, предлагаемая совокупность и последовательность операций обеспечивает повышение точности измерения фазового сдвига злектричес ких сигналов.

Формула изобретения

Способ определения фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в формировании первого дополнительного сигнала путем введения в сдвинутый по фазе электрический сигнал первого нормированного по значению фазового сдвига, измерении фазового сдвига между первым дополнительным и опорным сигналами с последующим определением истинного -значения фазового сдвига исследуемых сигналов, отличаю щийс я тем, что, с целью повьш1ения точности за счет

уменьшения аддитивной и мультипли- кативной составляющих погрешности измерения, из опорного сигнала формируют второй дополнительный сигнал путем введения в опорный сигнал первого нормированного по значению фазового сдвига, измеряют фазовый сдвиг между вторым дополнительным и

опорным сигналами, формирует третий дополнительный сигнал путем введения в опорный сигнал второго нормированного по значению фазового сдвига, кратного первому и превышающего его

не менее чем в два раза, измеряют фазовый сдвиг между третьим дополнительным и опорным сигналами, а истинное значение фазового сдвига исследуемых сигналов определяют по выражению

ч.(- -о:-Ui

5

О

5

где Ц

Ц. U. М-:.

ик(|: 0

результат измерения фазового сдвига между вторым дополнительным и опорным сигналами;

результат измерения фазового сдвига между первым дополнительным и опорным сиг- налами

результат измерения меязду третьим Д9полнительным и вторым сигналами;

первое и второе значения нормированных фазовых сдвигов, причем значения нормированных фазовых сдвигов выбирают из условия

Kqi; (0,01...0,07)q

о макс (

45

где средне верхнее значение диапазона измеренийf К 2,3,4,...

Фиг.1

If I 1 .

d)u.2