Способ измерения изменений разности фаз двух синусоидальных напряжений и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к фазоизмери- тельной технике и может быть использовано для измерения изменений разности фаз двух переменных напряжений в фазометри- ческих устройствах, предназначенных для различных радиотехнических систем, контроля свойств веществ и материалов с использованием электрических датчиков резистивного, емкостного, индуктивного и других типов, основанном на использовании информации, заложенной в фазовом сдвиге электрических колебаний.

Цель изобретения - повышение разрешающей способности измерений изменений разности фаз за счет преобразования и интегрирования нестационарного частотного сдвига, возникающего в процессе изменения разности фаз.

Сущность способа состоит в следующем.

При непрерывном изменении разности фаз между двумя синусоидальными сигналами возникает разность частот этих сигналов вида

Af(t) f(t),.

(1)

где f(t), fo - частоты измерительного и опорного сигналов,

(t) - изменение разности фаз. Знак возникающего частотного сдвига определяется знаком Др (t) и зависит от свойств конкретной фазосдвигающей цепи. Откуда

ы

со со vi

zy(T) ±27r|Af(t)dt,(2) где т- фиксированный временной интервал. Таким образом, интеграл от возникающего частотного сдвига за фиксированное время интегрирования однозначно определяет изменение разности фаз.

.Величина возникающего частотного сдвига Af(t) определяется, как видно из (1), скоростью изменения разности фаз, на практике обычно является сравнительно малой величиной по сравнению с частотой измеряемых сигналов. Поэтому с целью повышения разрешающей способности измерений осуществляется умножение возникающего частотного сдвига. Для этого опорную частоту умножают в п - 1 раз, а частоту f0 + Дт(т) измерительного сигнала - в п раз и полученные сигналы смешивают:

nf0 ± n A f(t) - (п - 1) f0 fo + nA f(t). (3) Частота полученного сигнала вновь умножается в п раз и смешивается с умноженной в п - 1 раз опорной частотой:

rifot n2 A f(t) - (п -1) fo fo + n2A f(t). (4)

Проведя описанные операции п раз, получают:

nfo+ nm Af(t) - (n - 1)f0 fo± nmA f(t). (5)

Многократное умножение разностной частоты, позволяющее повысить разрешающую способность, накладывает, однако, существенные ограничения на диапазон изменения Af(t), т.е. на динамический диапазон измерений, а, следовательно, и на выбор числа т. Поэтому для увеличения разрешающей способности осуществляют дальнейшее преобразование частоты f0+ + nm Af(t) в более низкую несущую частоту с сохранением умноженного частотного сдвига. Для этого формируют второй опорный сигнал, частота которого близка к частоте первого опорного сигнала. Она выбирается такой, чтобы значение низкой несущей частоты оставило 10 Гц, где К - целое положительное число. Так, например, для частоты .f0 106 Гц и второй опорной частоты 990 кГц, число К 4. Смешивают информационный сигнал f0+ nm Af(t) с частотой, близкой к f0 и получают, таким образом, измерительныйсигнал частотой 10К+ nm Af(t), который интегрируется повремени и по результату интегрирования определяют изменения разности фаз.

Для перехода от зарегистрированного цифрового кода N, представляющего собой результат интегрирования, к величине изменения разности фаз (т) .полученный отсчет N умножают на ценуй/э единицы счета. Разрешающая способность измерений умноженной разностной частоты

и

6 (ГГАГ) Ттакт ТизмI Тизм

(6)

где Тизм - измеряемая низкая частота; Ттакт - период высокочастотных тактовых импульсов; i- множитель периода; i 10°- 104.

Откуда

HAf) -п Тогда

n-mf2

П Тизм

такт

(7)

97Г - mf2 r

&р 2л:(5( , . изм сч.

I Ттакт

(8)

Учитывая, что

Тизм Тсч получаем

(5р 2тггГт изм

г

тогда

такт

Ар(г) 2тгМгГт

такт

(9)

(10)

25

30

35

40

45

50

55

Таким образом, непрерывно умножая, выделяя и интегрируя по времени возникающую в процессе изменения разности фаз разность частот измеряемых сигналов, мож но определить с высокой разрешающей способностью изменение разности фаз. Сравнение частот двух сигналов и выделение разностной частоты осуществляется с

. высокой степенью точности, а точное интегрирование по времени выполняется довольно просто: интегрирующее устройство в виде счетчика электрических импульсов является идеальным интегратором с неограниченным временем интегрирования.

На чертеже приведена функциональная блок-схема устройства для измерения изменений разности фаз.

Устройство для измерения изменений разности фаз содержит источники опорного и измерительного сигналов, первый 1 умножитель в п раз частоты измерительного сигнала, вход которого соединен с источником измерительного сигнала, второй 2 и т.е. т-й 3 умножители в п раз частоты измерительного сигнала, умножитель 4 в п - 1 раз частоты опорного сигнала, первый 5, второй 6 и т.д. т-й 7 смесители частоты, первые входы которых соединены с выходом умножителя 4, а вторые входы - соответственно с выходами первого 1, второго 2 и т.д. m-го З умножителей, первый 8, второй 9 и т.д. т-й 10 полосовые фильтры, входами соединенные с выходами-первого 5, второго 6 и т.д. т-го 7 смесителей, а выходы от первого 8 до (т-1)-го полосовых фильтров соединены соответственно с входами от второго 2 по т-й 3 умножителей частоты, последовательно соединенные синтезатор 11 второй опорной частоты, входом подключенный к источнику

опорного сигнала (m + 1)-й 12 смеситель, второй вход которого соединен е выходом m-ro 10 полосового фильтра, (т + 1)-й 13 полосовой фильтр и измеритель периода 14, внешний вход опорной частоты которого соединен с источником опорного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Входные опорный Uon и измерительный Уизм сигналы частотой f0 поступают, соответственно, на входы умножителей частоты в п - 1 и в п раз. Изменение разности фаз между двумя измеряемыми сигналами приведет к возникновению разности частот и частота измерительного сигнала на входе умножителя 1 составит f0+ A f(t), который осуществляет умножение ее в п раз. Полученный сигнал поступает на вход смесителя 5, где смешивается с опорной частотой, умноженной в п -1 раз, отфильтровывается полосовым фильтром 8 и на выходе этого фильтра разность частот будет в п раз большей, чем на входе умножителя 1. Выходной сигнал с выхода фильтра 8 поступает на вход второго 2 умножителя частоты в п раз, который совместно со вторым 6 смесителем и вторым 9 фильтром осуществляет аналогичные преобразования сигнала и на выходе полосового фильтра 9 разность частот измерительного и опорного сигналов будет уже в п раз большей, Осуществив такие преобразования m раз, на выходе m-ro 10 полосового фильтра разность частот составит + nm+ A f(t) и частота сигнала будет fo + nm Af(t). Многократное умножение разностной частоты накладывает существенные ограничения на диапазон изменения A f(t), так как полоса пропускания блоков умножения разностной частоты остается одной и той же. С целью сохранения необходимого динамического диапазона и увеличения разрешающей способности применяется дальнейшее преобразование полученной частоты в более низкую частоту с сохранением умноженного частотного сдвига. Для .этого синтезатор 11 преобразует опорную частоту в частоту сигнала, близкую к частоте fo. Разность частот этих сигналов на практике для простоты отсчета составляет обычно 10К Гц, где К - целое положительное число, выбор которого зависит от частоты f0. Сигналы с выходов гл-го полосового фильтра 10 и синтезатора 11 поступают на соответствующие входы (т + 1)- го смесителя 12, на выходе которого получают измерительный сигнал, который отфильтровывается с помощью (т + 1)-го полосового фильтра 13. Полученный измерительный сигнал подается на вход измерителя периода 14, который осуществляет интегрирование по времени умноженного частотного сдвига путем измерения периода

измерительного сигнала, используя при этом метки времени высокой частоты. Для устранения дополнительной погрешности, связанной с разностью частот опорного исследуемого сигнала и сигнала задающего

генератора, а также связанной с нестабильностью частоты сигналов, на внешний вход опорной частоты измерителя периода подается опорный сигнал, который используется в качестве задающего для формирования

меток времени и времени измерения. В результате на цифровом табло измерителя периода 14 регистрируется цифровой код N, который в соответствии с выражением (10) однозначно определяет изменение разности фаз.

К достоинствам устройства относится также и то, что в процессе формирования измерительного сигнала умноженный в п раз информационный сигнал каждый раз

смешивается с соответственно умноженным одним и тем же опорным сигналом, опорный сигнал является также исходным и при формировании .сигнала близкой частоты. Это позволяет максимально устранить

всевозможные систематические погрешности измерения, поскольку в конечном итоге регистрируется изменение частоты сигнала относительно одного и того же опорного сигнала.

Формула изобретения

1. Способ измерения изменений разности фаз двух синусоидальных напряжений,

заключающийся в том, что формируют m измерительных сигналов путем соответствующего умножения частоты сигналов опорного и измерительного каналов и m-кратного дополнительного их преобразования, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности при измерениях, формируют второй опорный сигнал, частота которого близка к частоте первого, смешивают преобразованный и

сформированный сигналы, выделяют сигнал с разностной частотой, непрерывно интегрируя частоту измерительного сигнала по времени, измеряют изменения разности фаз.

2. Устройство для измерения изменений разности фаз двух синусоидальных напряжений, содержащее источники опорного и измерительного сигналов, m умножителей в п раз частоты измерительного сигнала, первый из которых входом соединен с источником измерительного сигнала, умножитель в

n - 1 раз частоты опорного сигнала, m смесителей частоты, первые входы Которых соединены с выходом умножителя в n -1 раз, а вторые входы - соответственно с выходами m умножителей частоты в n раз, m полосовых фильтров, входами соединенных с выходами каждого из m смесителей, а выходы от первого до (т - 1)-го полосовых фильтров соединены соответственно с входами от второго m-го умножителей частоты в n раз, отличающееся тем;что, с целью

0

повышения разрешающей способности при измерениях, устройство дополнительно содержит последовательно соединенные синтезатор второй опорной частоты, входом подключенный к источнику опорного сигнала, (т + 1)-й смеситель, второй вход которого соединен с выходом m-го полосового фильтра, (т + 1)-й полосовой фильтр и измеритель перехода, внешний вход опорной частоты которого соединен с источником опорного сигнала.

Использование: фазоизмерительная техника и может быть использовано для неразрушающего контроля свойств веществ и материалов с использованием электрических датчиков резистивного, емкостного индуктивного и других типов, в различных радиотехнических системах. Сущность изобретения: изобретение позволяет повысить разрешающую способность измерений за счет преобразования и интегрирования нестационарного частотного сдвига, возникающего в результате изменения разности фаз, в процессе измерений выделяют информационный сигнал путем последовательного умножения нестационарного частотного сдвига, полученный сигнал смешивают с частотой, близкой к частоте опорного сигнала, выделяют сигнал с разностной частотой и непрерывно интегрируют его по времени. Устройство содержит m умножителей частоты в п раз (1, 2, 3) умножитель частоты в п -1 раз (4), m смесителей (5, 6, 7), (т + 1) смеситель (12) m + 1 полосовой фильтр (13), m полосовых фильтров (8, 9, 10), синтезатор второй опорной частоты (11) и измеритель периоды (14), 2 с.п. ф-лы, 1 ил. СЛ С