Способ измерения квадратурных составляющих периодических сигналов Советский патент 1989 года по МПК G01R19/06 

Изобретение относится к измерению активных и реактивных составляющих переменных напряжений и. может быть использовано для измерений .в цепях с помехами, превышающими по своему уровню измеряемый сигнал.

Целью изобретения является повышение точности измерения квадратурных составляющих периодических сигналов при действии шумов и помех, а также автоматизация процесса измерения.

На чертеже приведена схема устройства для осуществления способа.

Сущность способа заключается в еле- следующем.

Под воздействием сигнала развертки U(c) с периодом Т монотонно изменяют параметр х(Ш физического процесса, определяющий характер протекания процесса в различные моменты времени. Опорным сигналом частоты СО, модулируют развертываемый параметр х(Ц), вызьтая

15255994

относительно бьютрые изменения пара-Ц., (t) U cos(CO -О 5Afi3)t (5)

метра X относительно периода разверт-

ки (и -|-). С помощью датчикаВторой вспомогательный сигнал путем сдвига квадратурного сигпреобразуют исследуемый параметр у(х) Гнала (3) вверх по частоте на то же

проце9са в модулированный электричес-значение 0,5 лсо , т.е. на кий сигнал, который используют для измерения квадратурных составляющих и.СО, СО, + 0,.(g) анализа динамиш исследуемого процес- | Q

са. Под воздействием развертки ампли-в результате получают второй вспотуда и фаза выходного сигнала датчикамогательный сигнал меняются во времени, неся информацию

об исследуемом динамическом процессе.U,(t) U 8in(CO,+0,5u(«))t(7)

Выходной периодический сигнал дат-

чика в смеси с шумомВыбирают амплитуды первого и второг- го вспомогательных сигналов (5) и (7)

U,(t) U(t:),t+q (t)J+ l(t), (1)одинаковыми, т.е.

где U(t) - изменение амплитуды сиг- 20U .

нала (((t) - изменения фазы сигнала Суммируют первый и второй вспомогаО - частота сигнала;тельные сигналы (5) и (7) с исследуе(t) - шумовая составляющая,име- мым периодическим сигналом (1). В реющая бесконечный спектр; 25 зультате получают суммарный сигнал т. е. л СО „ - 00 ,

усиливают в выбранной полосе частотUgCt) U(t) + U4.(t)-m(t) (8)

Ь СО с центральной частотой СОд- СО,

Полосу частот Л СО выбирают исходя изкоторый усиливают в выбранной полосе

скорости изменения амплитуды и,фазы JQ частот периодического сигнала (1), т.е. от значенийUW (СОо ,5й(о)-(Ов-0,5Ш) .

d|jJ(t)J/dtБлагодаря избирательному усилению,

и35 сигнала (8) в полосе частот из шумов

b (t)J/dt.выделяют сигнал

Для измерения квадратурных состав-Ц (t)Ug(t)+U, (t)+U,o(t)(9)

ляющих форм1фуют опорный и квадратурный сигналы:40 где

«(с) U,,cosW.t(2)Ue(t)k,U,(t)k,Ujt),(t) +

и

U,(t) U 3sinCO,t(3)+t|(t) + (10)

45

с частотой СО,, равной частоте перио- гак как I (t) - О при iCO - ЛСО дического сигнала (1).

Затем формируют первый и второй е)(и)1.cos(ii)(

вспомогательные сигналы. Первый вспомогательный сигнал формируют путем cos ((,5ЛСЛ)с+Срг,(11) сдвига опорного сигнала (2) вниз по частоте на значение, равное половине и выбранной полосы частот, т.е. на

Mt)k,(co5t+q.,)k,u ,

Ыг со. - 0,5йСО.W «cos(CO,+0,5bQ)t+q 3,(12)

В результате получают первый вспо- ,

могательный сигналU+QZ Z

Ф+Q Ai

Ч л|1+Р

коэффициенты усиления усилителя (с центральной частотой (J ) на частотах СО, , COj CD, -0,5ла) и Q, Ck)i +0,5 fiCO соответственно;

k - коэффициент усиления усилителя на частоте tJ, Ci3o Q - эквивалентная добротность

узкополосного усилителя,

« соГ

tOo

о

U,

стройки усилителя, tf, arccgQ „ ц arctgQTVj, Cf, arctgQ , - фазовые сдвиги, вносимые усилителем.

Поочередно перемножают усиленный сигнал (9) с опорным (2) и квадратурным (3) сигналами, а результаты перемножения интегрируют в течение времени Ъ , В результате получают напряжения:

г и„ -f J U,(tJU,(t),k,,

(t)+4 n ,

t V f j U(t)U,(t),k,UZ

(t) + cp,.

Полученное напряжение минают. Затек тот же уси марный сигнал (9) перемн рым вспомогательным сигн результаты перемножения

(13j 35 таюке в течение времени

напряжение

(14)

С

и„ J U(t)U,(t)

40

1525599

составляющая с частотой Q подавляется фильтром нижних частот.

В случае использования аналого- 5 цифрового преобразователя (АЦП) интегрирующего типа время интегрирования определяется периодом помехи, которой в рассматриваемом случае явля

ется низкочастотное напряжение частоты 5Z, возникающее в процессе перемножения сигналов с близкими частотами. Поэтому, интегрируя (усредняя) результат перемножения за время IT /ЛСЭ , можно полностью подавить мешающее низкочастотное напряжение частоты S2 .

Для проверки правильности полученных результатов преобразования усиленных сигналов Ug(t)f lL(t) и Ui(,(t) дополнительно перемножают усиленный суммарный сигнал (9) с nepBiiW вспомогательным сигналом (3), а результаты

перемножения интегрируют в течение времени t . В результате получают постоянную составляющую

гч, (.

и 13 U7(t)U4(t)).(15)

Полученное напряжение (15) запоминают. Затек тот же усиленный суммарный сигнал (9) перемножают с вторым вспомогательным сигналом (7), а результаты перемножения интегрируют

Получают

напряжение

С

и„ J U(t)U,(t),k UД„cos f,.(16)

Изобретение относится к измерению активных и реактивных составляющих переменных напряжений. Цель изобретения - повышение точности и автоматизация процесса измерения. Сущность способа заключается в формировании первого и второго вспомогательных сигналов из опорного и квадратурного сигналов путем сдвига последних вниз и вверх по частоте, суммировании вспомогательных сигналов с исслудуемым, поочередном перемножении усиленного суммарного сигнала с опорным, квадратурным и вспомогательными сигналами, интегрировании полученных сигналов, формировании разностного сигнала, которым регулируют значение центральной частоты до момента равенства последней, и частоты исследуемого сигнала, после чего фиксируют значения составляющих исследуемого напряжения. Способ реализован в устройстве, содержащем источник 1 физического процесса, цифроаналоговые преобразователи 2 - 5, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь 6, модулятор 7, генератор 8 опорного сигнала, делитель 9 частоты, счетчик 10 импульсов, регистраторы 11 и 12 квадратурных составляющих, квадратурный фазовращатель 13, блоки 14 и 15 сдвига частоты, датчик 16 физической величины, сумматор 17, избирательный усилитель 18, синхронный детектор 19, коммутатор 20, дисплей 21, микроЭВМ 22, общая шина 23. 1 ил.

где k - коэффициент передачи интегрирующего звена-, Ср, - вносимый фазовый сдвиг.

Напряжения U,, и U, запоминают.

Причем время интегрирования с выбирают из условия подавления низкочастотных состаалчкнцих с частотой сдвига 52. 0,5йСО, возникших при перемножении сигналов U8(t) и Il2(t) 1и,(сЛ .Uq(t) и lLi(t)|U,(t;| , Mt) и Ui(t)(Uj(t)| с близкими частотами Q, HWo, 00, H(0j, СО, и СО, соответственно.

При использовании в качестве интегрирующего звена фильтра нижних частот частоту среза его АЧХ выбирают равной или несколько меньшей частоты S2 . В этом случае переменная

где cfj- вносимый фазовый сдвиг, которое сравнивают с предыдущим напряжением (15), т.е. решают неравенство

45

(17)

Если частота исследуемого периодического сигнала совпадает с центральной частотой усилителя (т.е. СО, в ) « 50 то коэффициенты усиления k и k первого и второго вспомогательных сигналов (5) и (7) равны меяаду собой, т.е.

55

-JH-Q

-.---- -(18)

Кроме того, равны и косинусы вносимых фазовых сдвигов, т.е.

cos (,cos (arctgQ j,)cosCf, cosCarctgQ Aj).

Следовательно, сравниваемые напряжения (15) и (16) равны

и

з

и

п

Это означает, что коэффициент усиления усиливается на частоте W, Ид становится равным номинальному (k,kp а дополнительный фазовый сдвиг становится разным нулю ( Cf, 0) .

При равенстве сравниваемых напряжений (15) и (16) производят отсчет и регистрацию квадратурных составляющих (13) и (14), которые в указанном имеют следуюпиш значе1шя:

ц|, (t)(t)cosq(t) (21) U,,,(t)(t)) (22)

так как при СОо СО, , , tf, 0.

Квадратурные напряжения (21) и (22) могут быть использованы для определения амплитуды и фазы исследуемого периодического сигнала по вьфаже- ниям:

U,5(t) u,,(t)2 + u ,,(t)(t), (23) Hg(t)arctgyf Ч((24) 35

где S 1/4kVk7.

При неравенстве сравниваемых напряжений (15) и (16) формируют сигнал

40

и„ k(U,-U,,)k,k (k cosCl - -kjCOsCf,),

(25)

где k - коэффициент пропорциональности ,

пропорциональный разности сравниваемых напряжений (15) и (16), которым регулируют значение центральной частоты выбранной полосы частот путем, например, изменения реактивного параметра избирательного усилителя.

Знак разностного напряжения опреде- гаяется соотношением коэффициентов усиления kj и k, на частотах соответсгвенно. Поэтому регулирующее воздействие сигнала (25) при любом знаке расстройки направлено на сбли

жение центральной частоты усилителя с частотой исследуемого периодического сигнала (иэ,,- )

Допустим, что в результате регулирования сигналом (25) значение центральной частотыСОоИзменяется. Это приводит к изменению относительных расстроек «Л, , Aj и 7 избирательного

10 усилителя, а следовательно, и коэффициентов усиления k, k и k составляющих суммарного сигнала (8) до значения Л , , , Л и k,, k и kj соответственно. В результате избиратель- 15 ного усиления сигнала (8) получают. суммарный усиленный сигнал

U,g(t)k ,U, (t)+k2U4(t)+kiu5(t)- 20 U,,(t)+U2o(t)+ll,(t).

(26)

Повторно перемножают усиленный суммарный сигнал (26) с первым и вторым вспомогательным сигналами поочередно, затем интегрируют в течение времени и запоминают полученные напряжения

л1/

22 T- j

kXuL -osM i

(27)

и

t и„ - j U,e(t)U5(t)dt

о

k;k u cosep;.

где CfjH CP, - вносимые фазовые сдвиги.

Напряжения (27) и (28) сравнивают между собой , т.е. определяют неравенство ,,,. Одновременно формируют сигнал

23

(U,-U,,) (kicosq-;- . -k coscfj),(29)

пропорциональный разности сравниваемых напряжений (27) и (28).

Регулируют значение центральной частоты новым значением разностного сигнала (29) во второй такт подстройки. Проводят необходимое количество тактов подстройки до момента равенства сравниваемых постоянных напряжений. Это достигается при tO, СО, т.е. при

совпадении частоты измеряемого сигнала с центральной частотой избирательного усилителя.

Причем фактическое число тактов подстройки устанавливают в зависимости от допустимого неравенства значений центральной частоты и частоты исследуемого сигнала. Искомое значение квадратурных составляющих получают после перемножения усиленного суммарного сигнала (26) с опорным (2) и квадратурным (3) сигналами и выделения их постоянных составлякнцих. При

о

Вторые входы первого и второго блоков 14 и 15 сдвига частоты соединены

1 t ( РЗ ° квадратурные сое- ,5 с первым и вторым входами коммутатора

тавляющие описьшаются выражениями (21) и (22).

Устройство для осуществления crto- соба измерения квадратурных составляющих исследуемого физического процесса содержит источник 1 физического процесса, первый - четвертый циф- роаналоговые преобразователи 2-5, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь 6, модулятор 7, генератор 8 опорного сигнала, делитель 9 частоты, счетчик 10 импульсов, первый 11 и второй 12 регистраторы квадратурных составляющих, квадратурный фазовращатель 13, первый 14 и второй 15 блоки сдвига частоты,датчик 16 физической величины, сумматор 17, избирательный усилитель 18, синхронный детектор 19, коммутатор 20, дисплей 21, микроЭВМ 22, общую шину 23.

Источник 1 физического процесса подключен к выходу первого цифроана- логового преобразователя 2 через модулятор 7. Управляюпщй вход модулятора 7 соединен с выходом генератора 8 опорного сигнала, к которому подключен и квадратурный фазовращатель 13.

Выход источника 1 физического процесса соединен с последовательно сое20, выходами генератора 8 опорного сигнала и квадратурного фазовращателя 13 соответственно.

Выходы первого 14 и второго 15

20 блоков сдвига частоты соединены с третьим и четвертым входами коммутатора 20, вторым и третьим входами сумматора 17 соответственно. Первый вход сумматора 17 подключен к выходу дат25 чика 16 физической величины, выход соединен с входом избирательного усилителя 18. Управляющий вход усилителя 18 подключен к выходу четвертого циф- роаналогового преобразователя 5, а

30 выход коммутатора 20 соединен с управляющим входом синхронного детектора 19.

Устройство работает следующим образом.

35 Под воздействием развертывающего во времени сигнала U (t) пилообразной формы (сигнала развертки) с периодом Т монотонно изменяют параметр х(ц) физического процесса, про40 текающего в источнике 1 физического процесса. Параметр х(Ц) определяет характер протекания физического процесса в различные моменты времени.

Формирование сигнала развертки осудиненными датчиком 16 физической вели-45 ществляется путем деления на п часчины, избирательным усилителем 18, синхронным детектором 19 и интегрирующим аналого-цифровым преобразователем 6.

тоты выходного сигнала генератора 8 опорного сигнала и заполнения емкости счетчика 10 импульсов. Емкость N счетчика 10 импульсов выбирается таВыход интегрирующего аналого-цифро-50 кой, чтобы обеспечивалось формировавого преобразователя 6 подключен к микроэвм 22.через общую шину 23, с которой соединены входы дисплея 21, второго 3, третьего 4 и четвертого 5 цифроаналоговых преобразователей.

Выходы второго 3 и третьего 4 цифроаналоговых преобразователей подключены соответственно к вторым входам первого 11 и второго 12 регистраторов

55

нив с помощью цифроанапогового преобразователи 2, подключенного к выходам счетчика 10, пилообразного сигнала развертки длительностью

Т (f/n)

W 2Т

Опорным сигналом частоты модулируют развертываемый параметр

10

квадратурных составляющих, первые входы которых соединены с выходами первого цифроанапогового преобразователя 2.

Выход генератора 8 опорного сигнала через делитель 9 частоты соединен с первыми входами блоков 14 и 15 сдвига частоты и входом счетчика 10 им- пульсов. К выходу счетчика 10 импульсов подключены входы первого цифро- аналогового преобразователя 2.

Вторые входы первого и второго блоков 14 и 15 сдвига частоты соединены

20, выходами генератора 8 опорного сигнала и квадратурного фазовращателя 13 соответственно.

Выходы первого 14 и второго 15

блоков сдвига частоты соединены с третьим и четвертым входами коммутатора 20, вторым и третьим входами сумматора 17 соответственно. Первый вход сумматора 17 подключен к выходу датчика 16 физической величины, выход соединен с входом избирательного усилителя 18. Управляющий вход усилителя 18 подключен к выходу четвертого циф- роаналогового преобразователя 5, а

выход коммутатора 20 соединен с управляющим входом синхронного детектора 19.

Устройство работает следующим образом.

Под воздействием развертывающего во времени сигнала U (t) пилообразной формы (сигнала развертки) с периодом Т монотонно изменяют параметр х(ц) физического процесса, протекающего в источнике 1 физического процесса. Параметр х(Ц) определяет характер протекания физического процесса в различные моменты времени.

Формирование сигнала развертки осутоты выходного сигнала генератора 8 опорного сигнала и заполнения емкости счетчика 10 импульсов. Емкость N счетчика 10 импульсов выбирается та

нив с помощью цифроанапогового преобразователи 2, подключенного к выходам счетчика 10, пилообразного сигнала развертки длительностью

Т (f/n)

W 2Т

Опорным сигналом частоты модулируют развертываемый параметр

х(Ц) физического процесса, вызьтая относительно быстрые изменения параметра X относительно периода развертки

О /

(f).

С помощью датчика 16 физической величины преобразуют исследуемый параметр у(х) физического процесса и модулированный электрический сигнал (1) который используется дпя анализа динамики исследуемого физического процесса. Под воздействием развертки амплитуда и фаза выходного сигнала (1) датчика 16 физической величины меняются во времени, неся информацию об исследуемом процессе.

Выходной сиг нал (1) датчика 16 физической величины поступает на первьй вход сумматора 17, где суммируется с первым и вторым вспомог ательными сигналами (5) и (7) с равными амплитудами, поступаюпщми на второй и третий входы сумматора 17. Первый вспомогательный сигнал (5) с частотой f-f/n формируется в блоке 14 сдвига частоты путем сдвига опорного сигнала (2) с частотой f СО, /21| вниз по частоте на значение f/n. Сигнал с частотой f/n формируется делителем 9 частоты опорного генератора 1 и поступает на первый вход блока 14 сдвига частоты, а опорный сигнал (2) поступает на второй вход блока 14.

Второй вспомогательньй сигнал (7) с частотой f+f/n формируется в блоке 15 сдвига частоты путем сдвига квадратурного сигнала (3) с частотой f

СО, /2 ir вверх по частоте на значение f/n. Сигнал с частотой f/n поступает на первый вход блока 15 сдвига частоты с выхода делителя 9 частоты. Квад- ратурньй сигнал (3) поступает на второй вход блока 15 сдвига частоты с выхода квадратурного фазовращателя 13.

Коэффициент деления n делителя 9 частоты-выбирается таким, чтобы частота f/n выходного сигнала делителя 9 частоты примерно равнялась полосе пропускания управляемого избирательного усилителя 18.

Суммарный сигнал (8), содержащий гармонические составлякмцие с частотами f, f-f/n и f+f/n, усиливается избирательным усилителем 18 и посту0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

пает на сигнальный вход синхронного детектора 19. На управляющий вход синхронного детектора 19 через че- тырехканальный коммутатор 20 поочередно поступают сигналы с выходов генератора 8 опорного сигнала, квадратурного фазовращателя 13, и блоков 14 и 15 сдвига частоты. Последние два сигнала поочередно перемножаются с усиленным суммарным сигналом (с помощью синхронного детектора 19), затем усредняются и преобразуются в код с помощью интегрирующего аналого- цифрового преобразователя 16. Выходной код последнего через общую шину 23 поступает в оперативную память микроэвм 22. По программе, записанной в постоянном запоминающем устройстве микроэвм 22, сравниваются между собой постоянные напряжения (15) и (16), представленные кодов соответствующих чисел. Одновременно в микроЭВМ 22 формируется разностный код, который с помощью четвертого цифроаналого- вого преобразователя 5 преобразуется в управляющий сигнал, изменяющий центральную частоту полосы пропускания избирательного усилителя 18, изменяя его реактивный параметр. Поочередное перемножение сигналов обеспечивается коммутатором 20, управляемым по командам, формируемым микроэвм 22 и поступающим через общую шину 23 на его управляющие входы.

После завершения настройки усилителя 18 на частоту генератора В опорной частоты по программе с микроЭВМ осущест.вляется поочередное перемножение усиленного избирательным усилителем 18 суммарного сигнала с опорным сигналом (2) генератора и квадратурным сигналом (3) фазовращателя 13.

Выходные сигналы синхронного детектора 19 усредняются и преобразуются в код с помощью интегрирующего аналого- цифрового преобразователя 6, затем через общую шину 23 поочередно поступают на входы цифроаналоговых преобразователей 3 и 4 соответственно, а также в оперативную память микроэвм 22. С помощью цифроаналоговых преобразователей 3 и 4 осуществ ляется преобразование цифровых кодов в аналоговые сигналы (21) и (22) соответственно. Сигналы (21) и (22) с выходов цифроаналоговых преобразователей 3 и 4 поступают на вторые входы первого 11 и второго 12 регистраторов квадратурных составляющих соответственно.

При необходимости регистрации амплитуды и фазы исследуемого физичес,кого процесса, т.е. из текущих значе ни й, с помрщью микроэвм 22 осуществляется обработка кодов чисел, записанных в оперативную память, по алгоритмам (23) и .(24).

Для этого в память микроЭВМ 22 в виде констант предварительно вводят значения коэффициента k настроенного измерительного усилителя 18 и ко, эффициента k аналого-цифрового пре- образователя 6. Результаты вычислений индицируются на экране дисплея 21 с заданной дискретностью во времени.

Применение изобретения позволяет повысить разрешающую способность и достоверность измерения квадратурных составляющих исследуемого физического процесса, развертываемого во времени. При этом уровень измеряе мых квадратурных составляющих может быть соизмерим или даже меньшим уровня шумов и наводок объекта.

Исключение операции периодической настройки избирательного усилителя на частоту модуляции развертывав-- Mofo параметра физического процесса позволяет полностью автоматизировать процесс измерения и уменьшить затра- ты на дополнительный контроль работ избирательной системы.

Формула изобретения

Способ измерения квадратурных составляющих периодических сигналов, заключающийся в усилении исследуемого сигнала в выбранной полосе частот, в поочередном перемножении усиленно- го сигнала с опорным и квадратурным сигналами, интегрировании полученных сигналов, запоминании постоянных сосJO

15

0 5

0 5

0

5

тавляющих, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения, формируют первый вспомогательный сигнал путем сдвига опорного сигнала вниз по частоте на значение, равное половине выбранной полосы частот, формируют второй вспомгатель- ный сигнал путем сдвига квадратурного сигнала вверх по частоте на то же значение, суммируют первый и второй вспомогательные сигналы с исследуемым, усиливают суммарный сигнал в выбранной полосе частот, дополнительно перемножают усиленный.суммарный сигнал с первым вспомогательным сигналом, полученную постоянную составляющую запоминают, затем тот же усиленный суммарный сигнал перемножают с вторым вспомогательным сигналом и полученное напряжение сравнивают с предыдущим, при их равенстве производят отсчет и регистрацию квадратурных составляющих, при неравенстве сравниваемых напряжений формируют сигнал, пропорциональный разности сравниваемых напряжений, которым регулируют значение центральной частоты выбранной полосы частот, повторно перемножают усиленный суммарный сигнал с первым и вторым вспомогательным сигналами поочередно, сравнивают полученные напряжения, регулируют значение центральной частоты новым значением разностного сигнала во второй такг подстройки, проводят необходимое количество тактов подстройки до момента равенства сравниваемьк напряжений, причем фактическое число тактов под- СТРОР1КИ устанавливают в заьисимости от от допустимого неравенства значений центральной частоты и частоты исследуемого сигнала, а отсчет искомого значения квадратурных составляющих производят после перемножения усиленного суммарного сигнала с опорным и квадратурным сигналами и выдеаенне их постоянных составлякмцих.

V

О 7 JS