Способ определения знака разности фаз двух синусоидальных сигналов Советский патент 1992 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам определения знака разности фаз двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одной частоты и предназначено для пре- имущественного использования в прецизионных устройствах, обеспечивающих с приемлемой точностью определение знака относительно малых фазовых сдвигов между сигналами инфранизкочастотного диапазона, при этом амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах, Известны различные способы определения сдвига фаз, которые позволяют также определить и знак разности фаз. Эти способы характеризуются значительной сложностью из-за большого количества операций, заключающихся в формировании дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнении временных интервалов, введении коэффициентов модуляции, корреляции и т.п. Кроме значительной сложности этих способов возникает погрешность определения знака разности фаз при малых абсолют- ных Значениях разности фаз, малой амплитуде хотя бы одного из сигналов и в инфранизкочастотной области измерений.

В указанных условиях погрешность определения знака разности фаз становится значительной из-за того, что на ицфрлниз- ких частотах существенно уменьшается скоXI00

§

о ю

CJ

рость изменения сигиалсш и время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, причем эта неоднозначность еще больше возрастает при малых значениях амплитуд (или амплитуды хотя бы одного из сигналов) и малых разностях фаз, при этом длительноеги формируемых дополнительных импульсов имеют значительный разброс, что в целом увеличивает погрешность измерения знака разности фаз.

Известны более простые осциллографи- ческие способы определения знака разности фаз. Все эти способы основаны на формировании фигур Лиссажу на экраны осциллографа и по качественной оценке расположения фигуры на экране судят о знаке разности фазы между исследуемыми сигналами В способе иследуемые сигналы подают каждый па свою пару отклоняющих пластин. Определение знака разности фаз при малых абсолютных значениях разности фаз (ро из-за конечной разрезающей способности осциллографа, определяемой шириной луча затруднено, к тому же при малом значении амплитуды хотя бы одного из сигналов регистрация исследуемых напряжений будет осуа ествляться на нелинейном участке отклоняющего напряжения, кроме того, погрешность регистрации исследуемых сигналов и соответственно определение знака ро с помощью осциллографа возрастает в инфранизкочастотном диапазоне из-за ограниченности частотнотного диапазона осциллографа.

В способе уменьшена погрешность определения знака разности фаз за счет формирования из одного из сигналов пикообразных импульсов и подачи их на модулирующий электрод электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) На экране ЭЛТ будет высвечена точка, по знаку ординаты которой судят о знаке разности фаз. Однако положение этой точки будет неопределено при сигналах малой амплитуды и инфранизких частот, так как формирование пикообразных импульсов в этом случае представляет определенные сложности, погрешность определения знака разности фаз еще более возрастет для малых абсолютных значений pQ из-за ограниченной разрешающей способности осциллографа.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по достигаемому оф- фекту является способ определения знака разности фаз, который обеспечивает точ- определения этого знака не хуже, чем 5 но более простыми средствами

В соответствии с этим способом исследуемые сигналы подают на отклоняющие

пластины ЭЛТ, из одного из сигналов формируют пикообразиые импульсы и также подают их на отклоняющие пластины ЭЛТ. На экране осциллографа образуется амплитудная отметка, по положению которой на оси ординат судят о знаке фазового сдвига. Этому способу свойственны те же недостатки, что и способу 5, то есть при малых абсолютных значениях разности фаз, инфранизких частотах и малых амплитудах сиг- палов погрешность определения знака разности фаз значительно возрастает.

Целью изобретения является уменьшение погрешности определения знака разности фаз при малых абсолютных значениях разности фаз и в области инфранизких частот.

Указанная цель в способе определения знака разности фаз двух синусоидальных

сигналов, в соответствии с которым осуществляют взаимодействие-исследуемых сигналов, а знак разности фаз определяют путем качественной оценки результатов этого взаимодействия, достигается тем, что

один исследуемый сигнал делят на другой, региструют сигнал-частное, выбирают, по крайней мере, два значения сигнала-частного на временном интервале, расположенном в пределах половины любого периода

сигнала-делителя и не превышающем по длительности этот полупериод, таким образом, чтобы в пределах этого интервала два выбранных значения сигнала-частного различались между собой по величине больше

возможной погрешности сравнения этих значений, и определяют знак разности фаз сигналов делимого и делителя как положительный, когда значение сигнала-частного в начале выбранного временного интервала в

направлении оси времени больше значения этого сигнала в конце выбранного интервала, а при обратном соотношении аналогичных величин сигнала-частного - как отрицательный знак разности сдвига фаз

между сигналами делимого и делителя.

Фиг.1 -7 иллюстрируют предлагаемый способ.

Существо изобретения заключается в том, что совершив простейшее действие над

исследуемыми сигналами - деление их друг на друга, можно однозначно определить знак разности фазы сигналов по характеру изменения временной зависимости-сигна- ла-частното от деления исследуемых сигналой на полупериоде сигнала-делителя, причем в области малых значений гро или р0 ±лг характер этого изменения выражен четко и никак не зависит от частоты сигналов

Заявителю неизвестно техническое решение со сходными признаками, на основании чего можно сделать заключение о существенности отличий заявляемого технического решения. Возможность определения знака разности фаз поясняется графиками функций частного, приведенными на чертежах. При делении двух синусои- дальных сигналов одной частоты сигнал-частное представляет собой функА slnCmt+yi) где

8цию времени f(t): .-,--,

нw В sin (on

В sin (со t + (pi) &0, фазы двух исследуемых сигналов, а разность фаз между ними + р0 (р (для р pi)- Функция f(t) будет также периодической функцией, но при этом в точках временной оси, соответствующих полупериоду сигнала-делителя функция f(t) будет принимать бесконечные значения (тигонометрические выкладки, позволяющие представить f(t) в виде простой аналитической зависимости, приведены в приложении).

На фиг. 1а, б представлены функции f(t) для + /)о ( (pz) и для - р0 (f/)i pi). Как видно из зависимостей, представленных на этих фигурах, при положительном знаке разности фаз на интервале в половину периода сигнала-делителя (например интервал, отмеченный точками ц, t2) значения функции f(t) в начале указанного интервала (и любого другого) превышают значения этой функции в конце интервала о направлении оси времени (фиг. 1а), а п.ри отрицательном знаке разности фаз значения функции f(t) в начале интервала ti-t2 меньше, чем в конце этого интервала (фиг. 16).

Характер зависимости f(t) как для положительного, так и для отрицательного знака разности сдвига фаз сохраняется при любых соотношениях и значениях разности фаз ра.

Так на фиг. 1а, б представлены зависимости) для р0 -nil и ,f(t) пересекает интервал полупериода сигнала-делителя (ц- t2) пересекает интервал полупериода сигнала-делителя (ti-ta) в его середине в точке to.

На фиг.2а, б представлены зависимости f(t) соответственно для р0 -0 (синфазные сигналы) и р0 П (противофазные сигналы) для и . Как видно из этих графиков, точка to пересечения их с временной осью смещается от начала интервала 1И2(фиг.2а) к его концу (фиг. 26).

При значительных различиях А и В изменяется скорость нарастания (убывания) зависимости f(t). На фиг. За, б (для /)0 0) представлены зависимости для и для , соотвественно, (вид зависимости

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

f(t) для 0 и представлены на фиг.За пунктиром).

Таким образом, при самых различных сочетаниях параметров исследуемых сигналов характер зависимостей f(t) для + р0 и

сохраняется на всем полупериоде сиг- пала-делителя: убывание функции f(t) на интервале ti-t2 для + р0 и возрастание этой функции на этом интервале для -(р0, причем даже при визуальном анализе на указанном интервале могут быть выбраны значения функции f(t) значительно различающиеся между собой, так что разность между этими значениями будет превышать разрешающую способность выбранного способа определения, т.е. будет больше- возможной ошибки определения.

Заключение о знаке разности фаз может быть сделано по характеру изменения функции f(t) и на более коротком, чём ti-t2, временном интервале.

На полупериоде сигнала-делителя, в пределах которого изменяется функция f(t), для любых вариантов соотношения параметров исследуемых всегда может быть выделен временной интервал, где значения функции f(t) будут либо убывать в направлении временной оси для + р0 либо возрастать

-для - (р0.

На фиг.4-6 приведены зависимостиf(t) для различных вариантов параметров исследуемых сигналов: синфазные -4а, 5а, 6а, б, противофазные 46, 56, а также для различных значений сдвига фаз (р0} и коэффиентз К-А/В.

Как видно из графиков фиг. 4-6 достаточно анализировать значения функций f(t). имеющих либо положительные, либо отрицательные (46) значения, чтобы определить знак разности фаз исследуемых сигналов.

Временной интервал для определения знака разности фаз должен быть выбран таким образом, чтобы на нем можно было выделить два значения функций f(ti) и f(t2), удовлетворяющих требованию: |f(ti(-f(t2)| ДЯ (5, где б - погрешность метода, примененного оператором для сравнения двух величин.

При этом непосредственное измерение значений f(t) проводить необязательно, так как достаточно определить характер изменения функции f(t) на выбранном временном интервале. В частности при значениях po - П на участки изменения функции f(t) будут интервалы с резко выраженным градиентом df/clt (в начале ь в конце интервала, фиг. 4а, б), так что здесь не требуется конкретного измерения, как для плавно изменяющейся функции (в середине

интервала), а достаточно визуальной оценки характера изменения функции f(t) на интервале с большим градиентом изменения.

Количественная оценка возможностей предлагаемого способа была проведена как путем осциллографирования исследуемых сигналов, так и на компьютере. В персом варианте устройство для реализации способа (фиг.7) содержит блок делителя 1 и осциллограф 2, вход которого подключен к выходу делителя 1, а на два входа последнего подают синусоидальные сигналы x(t) и y(t). В качестве блока деления был использован цифровой вольтметр В7-23, работающий в режиме блока деления, и выбран осциллограф марки С1-83.

Сигналы x(i) и y(t) имели частоту ,2 Гц и амплитуду, соответственно, мВ и мВ, Сдвиг фаз между сигналами задавался с помощью фазосдпигающей ПС-цепи, а сами сигналы формировались из синусоидального сигнала с выхода генератора типа ГЗ-11,0, выходная амплитуда сигнала 103 мВ делилась в 10 и в 100 раз, соответственно. На фиг. 5а,б приведены результаты определения знака для1у 01 0,6°, на фиг. 6а, б - СО0.

По второму варианту способ был промоделирован на компьютере IBM PC/AT. Синусоидальные сигналы с частотой f-0,2 Гц при частоте дискретизации 200 Гц и амплитудами с условными единицами -10 и 103 моделировались с помощью компьютера со значениями разности фаз, которые задавал оператор. В соответствии с программой компьютер делил сигналы, и оператор выбирал на экране дисплея удобный для оценки характера изменения функции f(t) временной интервал. Графики имели вид типа представленных на фиг.4 - 6. Анализ большого количества графиков для различных сочетаний параметров р0 , К и частоты показал, что знак разности фаз четко определялся и при малых значениях разности фаз вплоть до p0l 0,01°, что практически еще возможно при физических измерениях, при этом диапазон частот не имел значения и в инфранизкочастотной области составлял десятые доли гц.

Один из лучших на сегодня цифровой фазометр Ф2-34 позволяет определять и знак разности фаз, но гарантирует возможность определения до значений р0 0,2° на частоте не ниже 1 Гц. Эффект определения знака разности фаз столь малой величи- ны D области инфранизкочастотных колебаний и при малой величине хотя бы одного из сигналов достигается за счет того, что в способе не используется, как в других

известных способах 1 - 3, ряд операций, являющихся источником погрешностей: измерение моментов времени пересечения сигналами уровня опорного напряжения,

сравнение длительностей сформированных импульсов, моделирование м пр.

Предлагаемый способ имеет большое значение по своей простоте и надежности при проведении физических экспериментов, сопровождаемых сейсмическими явлениями, когда исследуемыми сигналами являются электрические аналоги сейсмических колебаний инфранизкочастотного диа- пазона, преобразуемых датчиками в

многоканальной системе измерения, при этом идентификация типов волн осуществляется, в основном, не по частоте, а по фазе, и возможность различать по фазе и знаку разности фаз сигналы близкие по фазе или

различающиеся на 180° увеличивает надежность идентификации, тем более, что сигналы регистрируются относительно редко и достоверность обрабатываемой информации имеет большое значение.

Формула изобретения Способ определения знака разности фаз двух синусоидальных сигналов, в соответствии с которым осуществляют взаимодействие исследуемых сигналов, а знак разности фаз определяют путем качественной оценки результатов этого взаимодействия, отнимающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности определения знака разности фаз при малых или близких к 180° абсолютных значениях этой разности и в области инфранизких частот, величины одного исследуемого сигнала делят на величины другого, регистрируют сигнал-частное,

выбирают, по крайней мере, два значения сигнала-частного на временном интервале, расположенном в пределах половины любого периода сигнала-делителя и не превышающем по длительности этот полупериод,

таким образом, чтобы в пределах этого интервала два выбранных значения сигнала- частного различались между собой по величине не меньше ошибки выбранного метода сравнения величин этих значений, и

определяют знак разности фаз сигналов делимого и делителя как положительный, когда значение сигнала-частного в начале выбранного временного интервала в направлении оси времени больше значения

5 этого сигнала в конце выбранного интервала, а при обратном соотношении аналогичных величин сигнала-частного - как отрицательный знак разности сдвига фаз между сигналами делимого и делителя.

а

б

Использование: обработка информации в прецизионных измерениях для сигналов, изменяющихся в широком амплитудном.и частотном диапазонах. Сущность изобретения: делят два исследуемых сигнала друг нч друга, а о знаке разности фаз судят по характеру изменения функции-частотного ни временном интервале, не превышающем по длительности 1/2 периода сигнала-делителя. 7 ил.

а

fe Г,

1-/Ч Г01

Ґ

1

.

.

/Uz

-/

Фие.З

Фие.5