Устройство для определения фазы сигналов Советский патент 1990 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоиэме- рительной технике и может быть использовано в радиотехнике при измерении фазы сигналов с нестационарным средним значением.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона исследуемых сигналов путем стабилизации положения среднего значения смеси сигнала с нестационарной помехой на интервале обработки.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - эпюры входного сигнала с нестационарным средним значением и эпюры его составляющих.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 копии сигнала, фазовращатель 2 на 90 , первый перемножитель 3, второй перемножитель 4 и вычислитель 5 отношения, блок 6 привязки уровня, блок 7 вычитания,

формирователь 8 импульсов, первый 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 интеграторы, первый сумматор 13, второй сумматор 14, первый 15, второй 16 и третий 17 блоки выборки и хранения. К входу устройства подключены последовательно соединенные блок 6 привязки уровня, второй перемножитель 4, второй интегратор 10, первый сумматор 13, выходом подключенный к второму входу вычислителя 5 отношения, выход котдрого является выходом устройства, К выходу блока 6 привязки уровня подключены последовательно соединенные четвертый интегратор 12, второй блок 16 выборки и хранения, второй сумматор 14, блок 7 вычитания, выход которого подключен к опорному входу блока 6 привязки уровня. Выход четвертого интегратора 12 подключен к второму входу второго сумматора 14, выход

(Л С

сд

00

о го J

сокоторого подключен к второму входу третьего блока 17 выборки и хранения, выход которого подключен к третьим входам первого и второго сумматоров 13 и 14. Выход блока 6 привязки уровня подключен также к в горомы входам блока 7 вычитания и первого перемножителя 3. К выходу второго перемножителя 4 подключены также последователь но соединенные третий интегратор 1 1 и первый блок 15 выборки и хранения, выход которого подключен к второму входу первого сумматора 13. Выход генератора 1 копии сигнала подключен к первому входу второго перемножителя 4 и входу формирователя 8 импульсов. Первый выход формирователя 8 импульсов подключен к первым входам четвертого интегратора 12, второго 16 и третьего 17 блоков выборки и хранения, а также к вторым входам третьего интегратора 11, первого блока 15 выборки и хранения и к управляющему входу блока 6 привязки уровня. Второй выход формирователя 8 импульсов подключен к вторым входам первого и второго интеграторов 9 и 10 соответст- венно.

Устройство работает следующим об- разом.

Входной сигнал, описываемый выражением

S(A) Accos(6Jt-4)+U0+kt+x(t), (1)

показан на фиг.2а. Этот сигнал содержит следующие составляющие: полезный сигнал (фиг.26), среднее значение принятой смеси (фиг.2в) и помеха x(t), которая для наглядности изобра- жена в виде гармонического сигнала (фиг.2г). На фиг.2 обозначено: U0 - AccosC| - начальное смещение, обусловленное начальной фазой сигнала; k - крутизна изменения среднего зна- чения нестационарной помехи.

Генератор 1 копии сигнала формирует гармоническое напряжение с частотой входного сигнала, которое поступает на вход формирователя импульсов и перемножителя 4 непосредственно, а на вход перемножителя 3 - через фазовращатель 2 на 90°. В результате на перемножители 3 и 4 поступают сигналы соответственно

U

cos СО t,

U sinCOt,

(2)

На первом выходе формирователя 8 импульсов вырабатываются короткие импульсы в моменты нуль-переходов с положительной производной сигнала генератора 1, а на втором выходе формирователя - последовательность импульсов в моменты нуль-переходов с отри-- дательной производной сигнала генератора 1, Короткие импульсы с первого выхода формирователя 8 импульсов пас- тупают на управляющие входы блока 6 привязки уровня и блоков 15-17 выборки и хранения, на установочные входы интеграторов 11 и 12. В результате на выходе интегратора 12, обнуляемого по заднему фронту этих импульсов в моменты времени t пТ + Јц , получаем напряжение

;т

j E

s(t)

с;-1)т

1-1

- Zlu i««

dt,

(3)

где I - среднее значение смеси сигнала с помехой на выходе блока 6 привязки уровня за интервал обработки, равный периоду полезного сигнала Т;

i 1,2,3,..., j 1,2,3,...

Значение х Т, поэтому в расчетах его влиянием пренебрегаем, упоминая о нем только при описании принципа работы устройства. Сигнал (3) с выхода интегратора 12 поступает на первый вход сумматора 14 с весовым коэффициентом, равным 2. На второй и третий входы сумматора 14 поступают сигналы с выходов блоков 17 и 16 выборки и хранения. На выходе сумматора 14 получаем сигнал

U

САД

21 + Uc,--,

(4)

Этот сигнал поступает на первый вход блока 7 вычитания, на второй вход которого поступает сигнал с вы- хода блока 6 привязки уровня, В результате по переднему фронту импульс-, сов, формируемых на первом выходе формирователя 8 импульсов в моменты времени t пТ, сигнал на выходе блока 6 привязки уровня периодически привязывается к сигналу на выходе блока 7 вычитания. Опишем сигнал на выходе блока 6 привязки уровня в разные интервалы времени.

В интервале времени Ј Т

U6(t) Accos(Wc-ef)+U0 +kt+x(t)

(5)

В интервале времени Т t 2T Ug(t) U6(t) - UCMi - Accos(GJt -Cji) - U0 + kt + x(t) - kt - 2Cf,

(6)

I

где С , - I x(t)dt.

+ x

(t) sinOtdt S LiL..(8)

Это напряжение по переднему фронту

импульсов с первого выхода формирователя 8 импульсов в моменты времени t nT запоминается на блоке 15 Выборг ки и хранения и в момент времени t T

to равно

U,e(T) U,4(T)

MS

14AC sinЧ kT

2 21Г ,

(9)

Интеграторы 9 и 10 обнуляются по заднему фронту импульсами с второго выхода формирователя 8 (в моменты

Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано в радиотехнике при измерении фазы сигналов с нестационарным средним значением. Для расширения динамического диапазона амплитуд исследуемых сигналов в смеси с нестационарной помехой стабилизируется положение среднего значения смеси сигнала с нестационарной помехой на интервале обработки. Стабилизация осуществляется за счет формирования сигнала смешения с последующим введением его в блок привязки уровня. 2 ил.

В интервале времени 2Т. t Ј3T и последующих, предполагая, что крутизна К постоянна, получим, что сигнал на выходе блока 6 привязки уровня (в интервалах времени nT« t Ј(n+l)T) описывается выражением

Ug(t) Afcos(Wt ) + kT +

).i 4-UkT + cn.((7)

+ x.(t) - (2П л ° kT + Cn.(- 2Cn,

где n 2,3,4,..., a

hT Cn I J x(t)dt.

(МТ

теграторов 9 и 10 к моменту времени t - Т с учетом выражений (5) и (

т/г.

Сигнал с выхода блока 6 привязки уровня поступает также на перемножители 3 и 4, на вторые входы которых

/ОЧ „„ лл соответственно равны

поступают сигналы (2). Результирующий 4О

сигнал с выхода перемножителя 3 посту-т .3 т 1 f Гд

пает на интегратор 9, а с выхода пе-V Т) Т J. Accos((jt-) + U0 +

ремножителя 4 - на интеграторы 10 и 1I. Интегратор 11 обнуляется по заднему фронту импульсами с первого выхода формирователя 8 (в моменты времени t nT + С,) и накапливает информацию в интервалах времени (п-1)Т tЈnT, где n 1,2,3,...

3/2 Г

+ kt+ x(t)lcosOtdt + - jA.cosCWt-t/ 45JT j L сf

- UQ + kt + x(t) - kT - 2C)lcosQtdt

11

i Т

Э|2Т

J ГАССОЗ(СОС-СР) + kt

Напряжение на выходе интегратора 11 к моменту времени t Т с учетом выражения (5) равно

1

(т) 41 иб(

о

т

1 J Accos(Qt-lf) + U0 + kt о

20

(9п - I Т

времени t + Јц и накапливают информацию в интервалах времени

( QT(2п + 1)Т

25

Информация с интеграторов 9 и 10 за интервал времени

Т

не используется, поэтому рассмотрим их работу, начиная с момента времени

т t -j + (/ц . Напряжения на выходе ин35

теграторов 9 и 10 к моменту времени t - Т с учетом выражений (5) и (6)

т/г.

J. Accos((jt

3/2 Г

+ kt+ x(t)lcosOtdt + - jA.cosCWt-t/)- 45JT j L сf

- UQ + kt + x(t) - kT - 2C)lcosQtdt

11

0

i Т

Э|2Т

J ГАССОЗ(СОС-СР) + kt

т/г

л

+ x(t)JcosQtdt + - I cosQtdt з/гтт 25 (Up+ kT + 2С.)

Т

т

Accos f . 2

f cosG)tdt

(Ю)

13 1580279

У -f 1 Voecat-if) +

1UT ij Accos(COt- 5

8

Т12

(Т) U,4(T) - 2U0 + kT + 2C(.

(14)

Напряжение (13) поступает также на второй вход блока 7 вычитания, на первый вход которого поступает сигнал с выхода блока 6 привязки уровня и по перед-if)-u0+ kt + x(t) - k(T)-2c,.imatdt. нему фронту импульса с первого

U + kt + о

x(t)jsi

sinCOtdt +

формирователя 8 импульсов в момент времени t Т производится привязка

1 f Г.. , . ,, Л . ,выходного сигнала блока 6 привязки

J coetot-Cf) + kt +x(t)J BinOtdt уровня к сигналу на выходе лока 7

„т(U + kt + 2С ) fTчитания, в результате сигнал на Е

+ f sinlDtdt° J sintotdt де блока 6 привязки уровня будет

вырезультате сигнал на выхоопиг-5 сьгоаться выражением (6).

Напряжение (12) поступает также на вход блока 16 выборки и хранения и по переднему фронту импульса с первого ACsinif kT 2U о + kT + 2Ci /ii выхода формирователя 8 импульса в мо- 221ГITin мент времени t Т + запоминаетт/2

AcsinCf + kT U0 UQ+ kT + 2Ci 2 . 27- 7

20

времени ся на нем

kT

Напряжение (10) поступает на первый вход вычислителя 5 отношения, а напряжение (11) - на первый вход сумматора 13 с весовым коэффициентом, 25 равным 0,5, на второй вход которого поступает напряжение (9) с выхода блока 15 выборки и хранения также с весовым коэффициентом, равным 0,5.

На третий вход сумматора 13 поступает 30 ходит обнуление интеграторов 11 и 12. напряжение, формируемое интегратором Далее сигнал (14) с весовым коэф- 12, сумматором 14, блоками 16 и 17.

Напряжение на выходе интегратора 12 в моменты времени t nt можно вычислить по формуле (3) и в момент вре-,, мени t Т оно имеет вид

и,6(т) - utt (т) - и0 + + ci. 15)

время задержки, необходимое для согласования во времени работы блоков 16 и 17 выборки и хранения.

В момент времени t Т + LU проист г

sinWtdt

фициен том, рав ным

1 тг/с, поступает на третий вход суммаkT

(12)

тора 13. В результате в момент време- 3

пряжение равно

U,4(T) I, - U0 + Cf.

ни t Т на выходе сумматора 13 с Это напряжение с весовым коэффици- 40м 2 жений (д) (п) (4) на

ентом, равным 2, поступает на второй вход сумматора 14, на первый вычитающий вход которого поступают сигналы

с блока 16 выборки и хранения, а на

, ч ., „, 10 ч„ f ,s

третий вход поступает сигнал с выхода 45

блока 17 выборки и хранения. Напряже-Ала1п kT

. /+ ft Sli - (Т П qf csini +- K1

ние на выходе сумматора 1ч описьтает-U JU 5 1- 2

ся выражением (4). Так как U 7 (0) 0 и U б(0) 0, то в момент времени

U21(T) 0,5 U,0(T) + «UJCT)

2Uo + kT + 2С,Ч 2U0+-kT + 2C

)-.yy+

t Т

U44(T) - 2U4i(T) + U47(0) - (0)«

(13)

2U0 + kT + 2C,,

Это напряжение по переднему фронту . Это напряжение поступает на второй импульса с первого выхода формирова- вход вычислителя 5 отношения, на пер- теля 8 импульсов в момент времени

вый вход которого поступает напряжение (9) с выхода интегратора 9. На дыходе вычислителя 5 отношения в моt « Т запоминается на блоке 17 выборки и хранения

8

нему фронту импульса с первого выхо

формирователя 8 импульсов в момент времени t Т производится привязка

Напряжение вход блока 16 переднему фро выхода формир мент времени

времени ся на нем

kT

ходит обнуление интеграторов 11 и 12. Далее сигнал (14) с весовым коэф-

и,6(т) - utt (т) - и0 + + ci. 15)

время задержки, необходимое для согласования во времени работы блоков 16 и 17 выборки и хранения.

В момент времени t Т + LU происороесо

sinWtdt

фициен том, рав ным

1 тг/с, поступает на третий вход сумматора 13. В результате в момент време- 3

ни t Т на выходе сумматора 13 с м 2 жений (д) (п) (4) на

пряжение равно

«z, ч ., „, 10 ч„ f ,s

U21(T) 0,5 U,0(T) + «UJCT)

2Uo + kT + 2С,Ч 2U0+-kT + 2C

)-.yy+

+ n c Acsintl1 kT, Acsin f,.,,

+ 0,5(-j- - Tpjr) - -.-g - (16)

Это напряжение поступает на второй вход вычислителя 5 отношения, на пер-

вый вход которого поступает напряжение (9) с выхода интегратора 9. На дыходе вычислителя 5 отношения в момент времени t Т формируется сигнал, пропорциональный отношению сигналов, поступающих на его входы

и5(| т) - и„ (| т)/и4(|т)

Ac sin Cf ACCOS if

tglf.

(17)

В момент времени t - Т + Ји происходит обнуление интеграторов 9 и эазом, в моментывреме

на выходе устройства

2

.обеспечивается несмещенная оценка тан генса фазы исходного колебания

S(t) Accos(0)t-lf) + U0 + kt +

+ x(t).

Формула изобретения

Устройство для определения фазы сигналов, содержащее последовательно соединенные генератор копии сигнала, фазовращатель на 90°, первый перемножитель, первый интегратор и вычислитель отношения, выход которого является выходом устройства, выход генератора копии сигнала соединен с входом формирователя импульсов, а также с первым входом второго перемножителя, выход которого соединен с первыми входами второго и третьего интеграто- ров, выход второго интегратора соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого подключен

0

5

0

5

о Q

5

к выходу первого блока выборки и хранения, а выход первого сумматора соединен с вторым входом вычислителя отношения, блок привязки уровня, первый вход которого соединен с входом устройства, управляющий вход - с первым выходом формирователя импульсов, опорный вход - с выходом блока вычитания, а выход блока привязки уровня соединен с вторыми объединенными входами первого и второго перемножителей, первый выход формирователя импульсов соединен с первыми входами четверто - го интегратора, второго и третьего блоков выборки и хранения, при этом вторые входы четвертого интегратора и блока вычитания подключены к выходу блока привязки уровня, выход второго . блока выборки и хранения соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу третьего блока выборки и хранения, отлич ающеес я тем, что, с целью расширения динамического диапазона исследуемых сигналов, первый выход формирователя импульсов соединен также с вторыми входами третьего инг тегратора и первого блока выборки и хранения, первый вход которого соединен с выходом третьего интегратора, второй выход формирователя импульсов соединен с объединенными вторыми входами первого и второго интеграторов, выход четвертого интегратора соединен с вторым входом второго блока выборки и хранения и третьим входом второго сумматора, второй вход которого соединен с введенным третьим входом первого сумматора, а выход второго сумматора подключен к второму входу третьего блока выборки и хранения и к первому входу блока вычитания.

SCU

а

fi

- ii13

B .

z-&