Способ измерения амплитудного значения переменного напряжения Советский патент 1992 года по МПК G01R19/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения амплитуды электрических сигналов, в частности при низких отношениях сигнал-шум.

Известен способ измерения амплитудного значения переменного напряжения, основанный на введении дополнительного фазового сдвига, сравнении мгновенных значений исследуемого и сдвигутого по фазе электрических сигналов, измерении в момент их равенства значения напряжения и определении отношения. Недостатки этого способа заключаются в сложности практической реализации и низкой точности измерений при низких отношениях сигнал-шум. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения ампл1 уд,1:ого значения переменного напряжения,осмоленный на введении в него дополнительного фазового сдвига, сравнении мгновенных значений исследуемого и сдвинутого по фазе электрических сигналов, измерении в момент их равенства значения напряжения, определении отношения, причем в момент равенства исследуемого и сдвинутого по фазе электрических сигналов измеряют значение исследуемого

XI GJ XJ

сигнала, при этом о значении амплитуды исследуемого сигнала судят по отношению измеренного напряжения к постоянной величине, равной синусу половины фазового сдвига.

Недостатком известного способа является низкая точность измерений при воздействии помех на исследуемый сигнал, в частности при низких отношениях сигнал- шум. При низких отношениях сигнал-шум в известном способе теряется устойчивость и повторяемость результатов измерений, причем последние имеют большой разброс.

Цель изобретения - повышение точности измерения при низких отношениях сигнал-шум.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая сущность предложенного способа; на фиг. 3 - график выигрыша по точности.

Устройство, реализующее способ, содержит фазовращатель 1, блок 2 сравнения, блоки 3 и 4 интегрирования, пороговый элемент 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, нуль-орган 7, таймер 8, блок деления 9, блок умножения 10, блок 11 задания коэффициента умножения, блок 12 индикации,

Вход устройства соединен с входом фазовращателя 1, входом блока 3 интегрирования и первым входом блока 2 сравнения. Выход фазовращателя 1 соединен с вторым входом блока 2 сравнения и входом блока 4 интегрирования, выход которого соединен с входом АЦП 6, выход которого соединен через блок деления 9 с входом блока умножения 10, выход которого соединен с входом блока 12 индикации. Выход блока 2 сравнения соединен с первыми управляющими входами блоков 3 и 4 интегрирования и первым управляющим входом таймера 8. Выход блока 3 интегрирования соединен через пороговый элемент 5 с входом нуль- органа 7, выход которого соединен с вторыми управляющими входами блоков 3 и 4 интегрирования, управляющим входом АЦП 6 и вторым управляющим входом таймера 8, выход которого соединен с управляющим входом блока деления 9. Выход блока 11 соединен с управляющим входом блока умножения 10.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Входной сигнал yi(t)Asin on+ g(t), где А - амплитуда, 2 п круговая частота, Ј (t) - мгновенное значение помехи, сдвигается фазовращателем 1 по фазе на угол F. Сдвинутый сигнал y2(t)Asin(o t-F)+ Ј(t) сравнивается с входным в блоке 2 сравнения. В момент времени to (см. фиг. 2) их

равенства блок 2 сравнения формирует импульс разрешения. По этому импульсу включается таймер 8, и блоки 3 и 4 начинают интегрирование сигналов yi(t) и y2(t) в соответствии с уравнениями (1) и (2):

Si(ti) У yi(t)dt(1)

to

S2(tih7 y2(t)dt.(2)

to

Интегральное значение Si(t) поступает на вход порогового элемента 5.

Когда интегральное значение Si(t) превысит пороговое значение, то элемент 5 начнет пропускать сигнал Si(t) на вход нуль-органа 7. Наличие порогового элемента 5 исключает срабатывание нуль-органа 7 в начальный момент времени to (см.

фиг. 2).

В момент времени ti, когда будет выполнено условие Si(ti)0, нуль-орган 7 выдает сигнал на второй управляющий вход таймера 8, на вторые управляющие входы

блоков 3 и 4 интегрирования и на управляющий вход АЦП 6. По этому сигналу таймер 8 прекращает отсчет времени, блоки 3 и 4 прекращают интегрирование, а АЦП 6 осуществляет преобразование значения сигнала S2(ti) в цифровой эквивалент, который поступает на вход блока деления 9. На управляющий вход блока деления 9 поступает значение интервала времени ti-to с выхода таймера 8. Цифровой эквивалент сигнала

$2(ti) в блоке 9 делится на значение ti-to. В результате на входе блока деления 9 формируется значение отношения

у2

S2(ti)

t1 -to

(3)

Значение у2 в блоке 10 умножается на постоянный коэффициент

К

л-F

2sinF-cosЈ

(4)

55

значение которого заранее вводится в блок 11. Величина

(5)

равная амплитуде исследуемого сигнала, отображается на устройстве индикации 12.

Повышение точности измерений при низких отношениях сигнал-шум достигает- ся за счет существенного уменьшения влияния помехи Ј(t) и влияния нестабильности фазового сдвига на результат измерения амплитуды А. При этом особенности формирования сигналов Sifti) и S2(ti) состоят в следующем. После интегрирования исследуемого и сдвинутого по фазе сигналов на интервале времени ti-to сигналы на выходе блоков 3 и 4 равны

Si(ti) / yi(t)dt

to

A 1 p (cos (p0 -cos ipi)+Rfc

(6)

}

S2(tl) / Y2(t)dt to

- A j cos(p0 -F) -cos(pi -F)+Rv (7)

Здесь po, (p - фазы исследуемого сигнала, отвечающие моментам времени to и ti (см. фиг. 2)

р0(л+г)(8)

р - 1л - р0 .

На практике интервал корреляции помехи обычно существенно меньше периода исследуемого сигнала, поэтому

R,, /Ј(t). С t0

После преобразованил уравнения (7) с учетом соотношений (8) получают

(ti)

п -F

(ti -t2)-2sinFcos-2

(9)

Величину оптимального фазового сдвига, при которой нестабильность фазового сдвига практически не влияет на дисперсию результата измерения амплитуды А, определяют из условия - 0, откуда находят

,6929693 рад, при этом

,10-S2(ti)/(ti-to).(Ю)

Если фазовый сдвиг выбрать F я/2, тогда

,11-S2(ti)/(ti-t0).

(11)

Достигаемый выигрыш в точности измерения амплитуды для предложенного способа в сравнении с известным для случая F nil составляет

-r

13,9 +

91 af h cfr

(12)

где о,, - относительные дисперсии результатов измерений амплитуды для известного и предложенного способов;

0i2, 0ЈF - относительные дисперсии помехи и фазового сдвига соответственно, h - отношение сигнал-шум.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Например, при a -a F 0,05 выигрыш в точности измерений амплитуды составляет ,7 раза (см, фиг. 3).

При выборе оптимального фазового сдвига F0pt достигаемый выигрыш резко возрастает,

При реализации предложенного спосо- ба может осуществляться сдвиг по фазе как по отставанию, так и по опережению выходного сигнала фазовращателя 1 относите/ь - но исследуемого сигнала. В случае, если используется опережение по фазе, то выход фазовращателя слэдует соединить с входом блока 3 интегрирования, а вход фазовращателя 1 - соединить с входом блока 4 интегрирования.

При этом интегркоование сигналов yi(t) и y2(t) прекращают при выполнении условия S2(ti)0, а значение амплитуды исследуемого сигнала определяют по формуле косвенного измерения

А

Si(ti)-(jr-F)

2(ti t0)sinF-cos-2

F

(13)

где Si(ti)- результат интегрирования исследуемого сигнала yi(ti) на интервале времени ti-to.

Предложенный способ в сравнении с известным обеспечивает более высокую точность измерения амплитуды благодаря уменьшению коэффициентов влияния соответствующих первичных погрешностей (дисперсии фазового сдвига и дисперсии помехи) на погрешность косвенного измерения амплитуды.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает повышение точности измерений амплитуды при низких отношениях сигнал-шум. Достигаемый выигрыш в точности измерений возрастает с уменьшением отношения сигнал-шум,

Формула изобретения 1. Способ измерения амплитудного значения переменного напряжения, основанный на формировании дополнительного напряжения путем введения фазового сдвига в исследуемый сигнал, сравнении мгновенных значений исследуемого и дополнительного электрических сигналов и определении амплитудного значения по расчетной формуле, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при низких отношениях сигнал-шум, в момент to равенства исследуемого и дополнительного сигналов интегрируют оба

сигнала до тех пор, пока интегральное значение исследуемого сигнала не достигнет нуля, в этот момент времени ti измеряют интегральное значение дополнительного сигнала, значение амплитуды исследуемого сигнала определяют по формуле

Л S2(ti)rfrr-F)

2(ti -t0)sinF-cosЈ

где S2(ti)- результат интегрирования дополнительного сигнала на интервале времени (ti-to);

F - фазовый сдвиг.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что величину фазового сдвига принимают равной ,6929693 рад ( 97°).

п

Использование: в измерительной технике для измерения амплитуды электрических сигналов при низких отношениях сигнал- шум. Устройство, реализующее способ, содержит фазовращатель 1, блок сравнения 2, блок интегрирования 3, блок интегрирования 4, пороговый элемент 5, аналого-цифровой преобразователь 6, нуль-орган 7, таймер 8, блок деления 9, блок умножения 10, блок задания коэффициента умножения 11, блок индикации 12. Формируют дополнительный сигнал, сдвинутый по фазе относительно исследуемого. В момент равенства этих сигналов to начинают интегрирование обоих сигналов до того момента, пока интегральное значение исследуемого сигнала не достигнет нуля. В этот момент времени ti измеряют интегральное значение дополнительного сигнала, а значение амплитуды определяют по формуле (ti) (тг-F) / /2(ti-to)sinFcos j, где S2(ti) - результат интегрирования дополнительного сигнала на временном интервале (); F - фазовый сдвиг. Причем величину фазового сдвига выбирают равной .6929693 рад ( 97°). 1 з.п. ф-лы, 3 ил. СО с

/

Фиг.1

Г

3

J

Фиг. 3