Способ измерения сдвига фаз Советский патент 1990 года по МПК G01R25/00 

ел сп

со со

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению разности фаз между цвумя сигналами одинаковой частоты,,

Цель изобретения - повышение точности измерения при больших флтоктуа- циях фаз сигналов относительного среднего значения.

На фиг. 1 представлена диаграмма, поясняющая сущность предложенного способа; на фиг. 2 - зависимость погрешности способа-прототипа от величины флюктуации и среднего значения сдвига фаз входнчх сигналов; на фиг. 3 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг, 1 приняты следующие обозначения: х - мгновенные значения разности фаз между входными сигналами m x - математическое ожидание (среднее значение) сдвига фаз.между входными сигналами, которое необходимо измерить i modx - наиболее вероятное значение сдвига фаз между сигналами, которое при нормальном (симметричном) законе распределения совпадает с т , Р(х) - вероятность сдвига фаз, равного xj у - процесс после преобразования ФИК; mody - наиболее веро- ятное значение процесса после преобразования фазовый сдвиг - интервал времени - код (ФИК); Р(у) - вероятность того, что процесс после преобразования ФИК примет значение у m у математическое ожидание (среднее значение) процесса после преобразования ФИК.

Сущность предложенного способа состоит в следующем.

За каждый период входных сигналов осуществляется преобразование ФИК в диапазоне t180°, что искажает функцию плотности вероятности реального процесса Р(х) при больших значениях флюктуации фаз сигналов (см. фиг.1).

Плотность вероятности после такого преобразования можно описать выражением

Р(у) 1 Рх(у+25Ч),

(О

де х-

i

Р(х)

уравнение 1-й ветви зависимости y(x)j целая часть частного x/2ii 55

плотность вероятности процесса флюктуации разности фаз сигналов

при наложении на них случайной помехи, рас- пределенной по нормальному закону,:

()

Р(х) -Д-е V2F6,

16.

(2)

где 6);- среднеквадратичное отклонение (СКО) процесса флюктуации разности фаз. Учитывая характер нелинейного преобразования (1) при больших флюктуа- циях фаз сигналов, математическое ожидание сдвига фаз после преобразования ФИК можно определить как If

m.

J Px(y+2lTi)dy.

(3)

Подставляя в это выражение (2) и изменив порядок интегрирования и суммирования, выражение (3) можно представить в следующем виде

„1 |

,.

(y-iry-nr;)1

уе

ГЪ

dy.(4)

Для нахождения mv производят замену переменной в этом выражении

t (y-mx+2(Ti)/&x; у t6x+mj,-21fi; dy 6xdt; о(„ (2ffi-1 -mx)/6x ; о(й (21Г1+1Г-ту)/6Л.

Тогда 1

le

ту ---- Z I (t6,+mx-2ffi)e dt (6)

V21T6, г- „(„

Если учесть, что для нормального закона распределения нормированная функция плотности распределения вероятности,

i

f(t) -i. ( /21

нормированная функция распределения вероятности

1 -- t(i) --- е 2 dt,

/21 о

то окончательно выражение (6) можно записать в виде

m

:Ll()(cu-)- 7

а.,/У

m .

-аг/у т„

(14)

Это подтверждает справедливость равенства

Изобретение относится к способам измерения разности фаз двух сигналов одинаковой частоты. Целью изобретения является повышение точности измерения при больших флуктуациях фаз сигналов относительно среднего значения. Способ расширяет сферу возможного применения фазоизмерителей, особенно в условиях больших помех, что повышает его экономическую эффективность. Способ может быть реализован на основе микропроцессорной техники. В описании изобретения приведен пример реализации способа в устройстве, содержащем генератор 1 импульсов, преобразователь 2 фазовый сдвиг-интервал времени - код, счетчик 3 периода входного сигнала за время измерения, делитель 4 частоты, анализатор 5 распределения, множительное устройство 6, генератор 7 управляющих сигналов, логический блок 8 и индикаторное устройство 9. 3 ил.

Из этого выражения видно, что при больших значениях 6Хсреднее значение реального процесса сдвига фаз т, которое необходимо измерить, и сред- нее значение, измеряемое по способу- прототипу, Гоу, существенно отличаются Это и приводит к значительным погрешностям известных способов в условиях больших флюктуации без сигналов (фиг. 2). Предложенный способ измерения сдвига фаз в таких условиях имеет более высокую точность.

Учитывая выражения (1) и (2), плотность вероятности процесса после преобразования ФИК . 11f ,«

Р -. Је26J 8)

V2f Ь «-

Для определения сдвига фаз, соответствующего максимальной вероятности находят производную этой функции

(y+mgtfjl

, 16М9

dy

V21T6

Представим это выражение в виде суммы составляющих:

dPM . (у)+а1(У)+а4(у)(10)

где

(3-1)

а0(у) (у-тх)е г& , (11)

а, (у) - 21 Ј ie l&2 , (f2)

zi (1-fi x lf-iYl

а4(у) - ie (13)

Мода Р(у) определяется при равенстве нулю выражения (10). Так как решение этого уравнения в аналитическом виде затруднено, покажем, что

dy2 ° при у шхРавенство нулю выражения (11), т.е. га х 0, может быть проверено путем прямой подстановки. Сумма а,(у) и а(у) равна нулю, так как соответствующие члены рядов (12) и (13) одинаковы по величине и противоположны по знаку

modP(y) m

(15)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Таким образом, при большой флюктуации фаз сигналов предложенный способ, включающий операции измерения моды процесса после преобразования ФИК, а не среднего значения, как в прототипе, имеет более высокую точность измерения сдвига фаз.

Устройство, реализующее предлагаемый способ содержит генератор 1 Импульсов, преобразователь 2 фазовый сдвиг - интервал времени - код (ПФИК), счетчик 3 периодов входного сигнала за время измерения, делитель 4 частоты, анализатор 5 распределения множительное устройство 6, генератор 7 управляющих сигналов, логический блок 8, индикаторное устройство 9. Информационные входы ПФЙК 2 подключены к источникам сигналов, между которыми измеряется сдвиг фаз, тактовый вход его подключен к выходу генератора 1 импульсов, который через делитель 4 частоты подключен к входу генератора 7 управляющих сигналов, выход ПФИК 2 через анализатор 5 распределения и логический блок 8 подключен к одному из входов множительного устройства 6, другой вход последнего через счетчик 3 периодов подключен к выходу одного из источников входных сигналов, которьй также подключен к третьему управляющему входу анализатора 5 распределения, выход множительного устройства 6 подключен к входу индикаторного устройства 9, первый выхот; генератора 7 управляющих сигналов подключен к управляющим входам счетчика J периодов, анализатора 5 распределения , второй выход генератора 7 управляющих сигналов подключен к управляющим входам логического блока 8, индикаторного устройства 9 и вторым управляющим входам счетчика 3 периодов и анализатора 5 распределения.

Устройство работает следующим образом.

Импульсы высокой частоты от генератора 1 импульсов поступают на вход делителя 4 частоты. С выхода делителя 4 частоты импульсы, период которых

,-

L

определяет время измерения, поступают на вход генератора 7 управляющих сигналов, формирующего на первом выходе сигнал начального сброса, на втором - сигнал, соответствующий кон цу измерения.

За время измерения в каждом периоде входных сигналов ПФИК 2 вырабатывает пачки импульсов, число которых Пропорционально мгновенному значению сдвига фаз. Эти значения сдвига фаз в числоимпульсном коде поступают на информационный вход анализатора 5 распределения, который определяет час |тоту попадания процесса на выходе РФИК 2 в дискретные интервалы (кванты иза время измерения формирует гистограмму плотности вероятности распреде пения.

Логический блок 8 сравнивает меж- у собой частоты попадания сдвига фаз в различные кванты и формирует на выходе адрес кванта, в котором зарегистрировано максимальное число попада- ний процесса на выходе ПФИК 2, что и является результатом измерения моды процесса.

Полученное значение сдвига фаз, соответствующее максимальной вероятное- ти, умножается в множительном устройстве 6 на число периодов, подсчитанны счетчиком 3 периодов за время измерения, и результат передается на индикаторное устройство 9.

На первом выходе генератора 7 управляющих сигналов формируется импульс начальной установки счетчика 3 периодов и счетчиков в анализаторе 5 распределения в нуль. На втором вы- ходе вырабатывается импульс конца измерения , который останавливает счетчик 3 периодов, разрешает передачу измеренного значения моды с выхода логического блока 8 на вход множи- тельного устройства 6 и переписывает результат измерения сдвига фаз в регистр индикаторного устройства 9. Погрешность известных способов измерения (7) в предложенном способе отсутствует. Это выгодно отличает предлаг-аемый способ измерения от известных, так как имеет повышенную точность при больших флюктуациях фаз сигналов.

Реализация предлагаемого способа расширяет сферу возможного применения фазоизмерителей, особенно в условиях больших помех, что обеспечивает его

о 5

5

экономическую эффективность. Кроме того, предложенный способ просто реа - лизуется на основе микропроцессорной техники. Особенно удобно микропроцессору отдать функции логического блока и множительного устройства, хотя аппаратурная реализация этих блоков позволяет получить более высокое быстродействие.

Предложенный способ был реализован в фазоизмерительной системе, включающей микроЭВМ, которая была использована для измерения сдвига фаз высших гармоник в тяговых сетях переменного тока, имеющих нелинейную нагрузку. Эта фазоизмерительная система сохраняла работоспособность и точность измерений в пределах 1° при резких флюктуациях фаз сигналов, при которых цифровой фазометр, реализованный по способу-прототипу был уже неработоспособным. Так, при 6Х 60° и m х- 60° его погрешность составляет 8°, а при га х 60°превышает 20°. Такая большая величина погрешности отражается в неоднозначности показаний серийного прибора при последовательных измерениях одного и того же среднего значения сдвига фаз и свидетельствует о его неработоспособности в таких условиях. Это подтверждает экономическую эффективность внедрения предлагаемого способа измерения сдвига фаз.

Формула изобретения Способ измерения сдвига фаз, заключающийся в том, что в каждом периоде -в течение постоянного времени измерения, значительно превышающего период входных сигналов, осуществляют преобразование фазовый сдвиг - интервал времени - код, причем коэффициент преобразования и время измерения выбирают такими, чтобы результат измерения сдвига фаз был представлен непосредственно в градусах, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при больших флюктуациях фаз сигналов, за время измерения подсчитывают число периодов входного сигнала и измеряют моду процесса, полученного после преобразования фазовый сдвиг - интервал времени - код, а результат измерения получают в виде произведения моды процесса на подсчитанное число периодов.

-Ti

О тх Ж () ф„,/

и ГПху

град.

-60

л град.