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

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения разности фаз между двумя сигналами одинаковой частоты.

Цель изобретения - повышение достоверности и точности измерения при больших флюктуациях фаз сигналов относительно среднего значения.

На фиг. 1 представлены диаграммы, поясняющие сущность способа, на фиг. 2 - структурная схема устройства, реализующего способ.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения: а - зависимость плотности вероятности распределения разности фаз входных сигналов (Рх) от мгновенных значений разности фаз между входным и опорным сигналами (х); б - передаточная характеристика преобразователя фазовый сдвиг - интервал времени; в - передаточная характеристика анализатора распределения; г - число попаданий (Р;) в дискретные интервалы (стробы) KJJ д - постоянная составляющая (Св), определенная после дискретного преобразования Фурье (ДПФ); е - синусная составляющая (Cs) первой гармоники, ж - косинусная составляющая (Сс) первой гармоники.

Сущность способа состоит в следующем.

За каждый период опорного сигнала осуществляется преобразование фазового сдвига в интервал времени в диапазоне 1180°, что искажает функцию распределения плотности вероятности ресл

СП

со

со 1C

ального процесс Т% при больших значениях флюктуации фазы входного сигнала (см. ).

В процессе флюктуации фазы входного сигнала значения фазы в интервале

tf . it накладываются на значе1Г

ния, лежащие например, в интервале - f tfх с И . Наложение значений ясняется разрывностью характеристики преобразователя в фазовый интервал (см. фиг. 1,6). В результате функция {распределения на выходе фазового пре- |Образователя существенно отличается от функции распределения плотности вероятности на входе этого преобразователя.

Если учесть, что в диапазоне -с 7Г характеристика фазового Преобразователя линейка, а шаг кван- тования анализатора распределения (К.) постоянный, то максимальное значение Р. будет совпадать с математическим ожиданием фазы входного сигнз- jia (см. фиг, 1,а,б,в,г). Это легко доказывается аналитически при нормаль Ном законе распределения плотности (вероятности сдвига фазы входного игнала.

Дискретное преобразование Фурье Дозволяет определить синусную и коси- русную составляющие первой гармоники юлученной дискретной функции распре- Деления плотности вероятности Р. при разбиении сдвига фаз на К. стробов см. фиг. 1 д,е,ж), т.е.

К-1

г - -1- V Р ьо - v Ј. -;

к

К-1

c --rLP 8in(ri)s

К-1

т .,

-:hY P.coe(),

К

К

Q

0 5

0

5

V,

опорного сигнала или диапазон измерения сдвига фаз;

Т - период опорного сигнала;

Р. - число попаданий в 1-й строб полученных после преобразования фазовых интервалов;

А1 - фаза и амплитуда первой гармоники ДПФ.( J - коэффициент, характеризующий достоверность результата измерения сдвига фаз.

По полученным составляющим Cs и СС1, используя выражение (4), определяют фазу первой гармоники, которая совпадает с математическим ожиданием сдвига фаз реального процесса.

Рассмотрим применение способа на конкретных примерах.

Допустим, что за время измерения произведено 3600 преобразований в фазовый интервал, диапазон (Т) измерения сдвига фаз 0-360° разбит на 360 стробов, т.е.

, 3600, К 360,

К-1

X Р,

-о а сдвиг фаз между входными сигналами

равен нулю.

Результаты расчетов показывают, что при отсутствии шумов способ рения дает точный результат при коэффициенте его достоверности равном единице.

Рассмотрим случай, когда на такой сигнал наложен шум такой интенсивное- 0 ти, что значения после преобразования в фазовый интервал попадут в равном количестве не только в нулевой, но и в соседние интервалы-стробы

(фиг. 26)„ т.е.

Изобретение относится к способам электроизмерений и может быть использовано при измерениях среднего значения сдвига фаз в условиях высокого уровня флуктуационных помех. Для повышения достоверности и точности измерения сдвига фаз при больших флуктуациях фазы входного сигнала измеряют и делят период опорного сигнала на К равных частей, формируют стробы, соответствующие каждой I-й части периода опорного сигнала, преобразуют сдвиг фаз в фазовый интервал времени, фиксируют совпадение конца фазового интервала времени с тем или иным по номеру стробом в течение заданного постоянного измерительного интервала, подсчитывают в каждом I-м стробе число упомянутых совпадений, полученную последовательность чисел совпадений подвергают дискретному преобразованию Фурье (ДПФ) и определяют сдвиг фаз как отношение синусной составляющей первой гармоники ДПФ к ее косинусной составляющей. 2 ил.

CSf tft arctg-g,

ci

A, ic|,,;

AI y..-l ,

C0,CS1,CC1- постоянная составляющая и коэффициенты дискретного преобразования Фурье (ДПФ); К - число дискретных интервалов (стробов) на которые разбит период

1200 при 1200 при 1200 при 1 359,

О при остальных 1.

В этом случае результат измерения в известных фазометрах с постоянным временем измерения, выделяющих среднее значение сдвига фаз:

5

М

К-1

4-1

i/ .

Р:

1200-0+1200 -1 + 1200 200+Т200+Т200

359

В соответствии с данным способом находят коэффициенты преобразования Фурье:

К-1

Сс - , г-(1200+1200+1200) К jrojoU

Si

%

-n-Z P; din(---i)

N )oл

з|оС1200 sin(0°)+1200.sin(te) + + 1200,sin(359°) 0, Cei--r.P«coe(-r«

К %

- сов(Ов) + 1200.сов(Г) + +1200.cos(359°)3 9,998.

Используя полученные значения Ctf, 25 С , СС1 находят фазу сигнала и коэффициент достоверности полученного результата :

I/ arctg-p 1 О,

LCi

Г

9jiliiic 2 о

9998

Существенное повышение точности измерения сигнала с помощью данного способа измерения сдвига фаз, включающего операции ДПФ после подсчета числа попаданий в установленные стробы, еще в большей мере проявляется при больших флюктуациях фазы входного сигнала Экспериментальная проверка показала, что дальнейшее увеличение среднего квадратического отклонения фазы входного сигнала приводит к уменьшению коэффициента fдостоверности результата измерения.

В таблице даны погрешности измерения сдвига фаз высоких гармоник в тяговых сетях переменного тока в диапазоне ±180° с помощью цифрового фазометра, реализующего способ-прототип (верхняя цифра в графе), и измерительной системы, реализующей данный спо- соб (нижняя цифра). Значение среднего квадратического отклонения (СКО), средней фазы и погрешности измерения даны в градусах.

10

5

0

5

0

5

0 5

о 5

,,Как видим, погрешность данного способа практически не зависит от средней фазы и СКО фазы входного сигнала.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг. 2) содержит генератор 1 импульсов, преобразователь 2 фазовый сдвиг - интервал времени - код (ПФИК), преобразователь 3 период код (ППК), делитель 4 частоты, анализатор 5 распределения, блок 6 деления на константу, формирователь 7 управляющих сигналов (ФУС), преобразователь 8 Фурье, блок 9 деления и два индикаторных блока 10 и 11.

Первый информационный вход ПФИК 2 подключен к источнику исследуемого сигнала, второй информационный вход - к источнику опорного сигнала, тактовый вход - к выходу генератора 1 импульсов, который через делитель 4 частоты подключен к входу формирователя 7 управляющих сигналов, выход ПФИК 2 через анализатор 5 распределения и преобразователь 8 Фурье подклю-: чен к информационному входу первого индикаторного блока 10, другие два выхода преобразователя 8 Фурье через блок 9 деления подключены к информационному входу второго индикаторного блока 11, информационный вход ППК 3 подключен к источнику опорного сигнала, другой вход - к выходу генератора 1 импульсов, выход через блок 6 деления на константу подключен к первому управляющему входу анализатора 5 распределения, второй управляющий вход последнего подключен к первому выходу формирователя 7 управляющих сигналов, второй выход которого подключен к управляющему входу преобразователя 8 Фурье, третий выход формирователя 7 управляющих сигналов подключен ко вторым входам индикаторных блоков 10 и 11.

7155

Устройство работает следующим образом.

Импульсы высокой частоты от генератора 1 импульсов поступают на вход це лителя 4 частоты. С выхода делителя 4 частоты импульсы, период которых определяет время измерения, поступают ha вход (ФУС) 7, вырабатывающего на Ьервом выходе сигнал, управлягащий ДЛИтельностью цикла измерения, который поступает на второй управляющий вход Анализатора 5 распределения. С второ- iro выхода ФУС 7 сигнал запуска поступает на управляющий вход преобразователя 8 Фурье, а с третьего выхода ФУС 1 сигналы управления записью ре- зу льтата в регистры индикаторных блоков 10 и 11 поступают на соответствующие входы управления.

За время измерения в каждом пери- Ьде входного и опорного сигналов |ПФИК 2 в диапазоне измерения сдвига фаз вырабатывает кодовые комбинации, пропорциональные мгновенному значению сдвига фаз. Эти значения сдвига фаз поступают на информационный вход анализатора 5 распределения, который подсчитывает число попаданий полученных кодов в соответствующие дискретные интервалы. При этом размер каждого интервала устанавливается делением кода на выходе преобразователя 3 с помощью блока б деления на кон станту К, задающую чиспо каналов анализатора 5 распределения,, приггем его выходные коды, соответствующие гистограмме распределения функции плотности вероятности сдвиге фаз в диапа- зоне измерения, представляют число- 1вую последовательность, которая подвергается дискретному преобразованию Фурье преобразователем 8„ Код фазы

8

первой гармоники с первого выхода преобразователя 8 передается в первый индикаторный блок и является результатом измерения, В блоке 9 деления определяется отношение амплитуды первой гармоники к величине постоянной составляющей, которое передается на второй индикаторный блок, сравнением которого с единицей оценивается достоверность полученного результата. Чем ближе частное к единице,, тем более

достоверен результат измерения

фаз.

сдвига

5

Q

40

0

5

0

35

Формула изобретения

Способ измерения сдвига фаз, основанный на преобразовании сдвига фаз между опорным и измерительным сигналами в фазовый интервал времени и накоплении результатов измерения в течение постоянного измерительного времени, значительно превышающего период опорного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности измерений в условиях больших флуктуационных помех, делят период опорного сигнала на К равных частей, формируют соответствующие каждой i-й части периода стробы, фиксируют совпадение конца фазового интервала времени с тем или иным по номеру стробом в течение постоянного измерительного времени,подсчитывают в каждом i-м стробе число упомянутых совпадений, полученную последовательность числа совпадений подвергают дискретному преобразованию Фурье и определяют сдвиг фаз, как отношение синусной составляющей первой гармоники дискретного преобразования Фурье к ее косинусной составляющей.

-JT JT /

4 Hl

В J

-Л

I I 1/6 II

/

Д

ж

Я i Ч

II

II

fl

ow

i i

i r i

.r-rr-j x

e Ui L rb

ж ftWj| I

I ,

i /

: a

U « J «