Способ определения сдвига фаз двух гармонических сигналов Советский патент 1993 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения фазового сдвига исследуемого сигнала относительно опорного сигнала при низких отношениях сигнал-шум.

Цель изобретения -- повышение быстродействия.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг.2 представлена временная диаграмма, поясняющая сущность предложенного способа.

Устройство, реализующее способ, содержит устройство 1 определения знака производной, нуль-орган 2, первый интегратор 3, второй интегратор 4, логическое устройство 5, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 6,7, запоминающие устройства 8,9, блок управления 10, вычислитель 11, дисплей 12.

Клемма Вход 13 соединена с входами устройства 1 и нуль-органа 2, клемма Вход 1.4 соединена с входами интеграторов 3, 4.

Выход устройства 1 соединен с управляющим входом нуль-органа 2, выход которого через логическое устройство 5 соединен с входом блока управления 10.. Выходы интеграторов 3, 4 соединены через АЦП 6, 7 с входами запоминающих устройств 8, 9 соответственно, выходы которых соединены с входами вычислителя 11, выход которого соединен с входом дисплея 12. Первый и второй выходы логического устройства 5 соединены с управляющими входами интеграторов 3.4 соответственно. Первый выход блока правления 10 соединен с управляющим входом устройства 1, второй выход блока управления 10 соединен с управляющим входами АЦП 6 и запоминающего устройства 8. третий выход блока управления 10 соединен, с управляющими входами АЦП 7 и запоминающего устройства 9, четвертый выход блока управления 10 соединен с управляющим входом вычислителя 11. На клемму Вход 13 подается опорный сигнал Xv(t), на клемму Вход 14 подается исследу(Л

С

00 00

Ск 00

О

СО

емый сигнал. Все блоки устройства выполнены на основе комплекса агрегатирован- ных технических средств.

Способ осуществляется следующим образом.

На клеммы Вход 13 и 14 поступают соответственно опорный сигнал X0(t) и исследуемый сигнал Х(Т) с фазовым сдвигом F, подлежащим измерению в диапазоне - я/2... л/2. По команде блока управления 10 устройство 1 определяет знак производной опорного сигнала и при dX0(t)/dt О выдает сигнал разрешения на управляющий нуль-органа 2. Нуль-орган 2 фиксирует момент времени ti перехода через нулевое значение опорного сигнала (см.фиг,2). При этом на выходе нуль-органа 2 формируется сигнал, под действием которого логическое устройство 5 вырабатывает на своем первом выходе сигнал разрешения/По этому сигналу первый интегратор 3 осуществляют интегрирование исследуемого сигнала (Х(1).

В момент времени т,2 нуль-орган 2 вновь фиксирует переход опорного сигнала X0(t) через нулевое значение (см.фиг.2). Под действием выходного сигнала нуль-органа 2 логическое устройство 5 формирует на своем первом выходе сигнал запрета, а на втором выходе - сигнал разрешения. Под действием этих сигналов первый интегратор 3 прекращает интегрирование исследуемого сигнала X(t), а второй интегратор 4 начинает интегриоование исследуемого сигнала X(t). Одновременно по команде блока управления 10 АЦП 6 преобразует результат первого интегрирования

t2

Si /X(t)dt

О)

ti

в цифровой эквивалент 5г. Значение $2 запоминается в устройстве 9 под действием сигнала разрешения, поступающего с третьего выхода блока управления 10.

По команде блока управления 10, поступающей на его четвертый выход, вычислитель 11 вычисляет результат измерения фазового сдвига F в соответствии с алгоритмом

F arctg(),(3)

i Si гдек -g-.

Результат измерения отображается на

дисплее 12. После появления запрещэюще го сигнала на выходе логического устройства 5 блок управления 10 формирует команду окончания измерения. Устройство выключается и будет находиться в этом состоянии до подачи команды на выполнение очередного цикла измерения.

Следовательно, в основе предложенного способа лежит последовательное во времени интегрирование исследуемого сигнала X(t) на равных временных интервалах t2-ti t3- t2 T/2. где Т- период опорного сигнала, причем . 2Т, где Т. - период исследуемого сигнала. При этом на результат измерения фазового сдвига не влияют значения амплитуд опорного и исследуемого сигнала, а также мультипликативная помеха. Не влияет и действие аддитивной помехи, если математическое ожидание этой помехи на

интервале интегрирования равно нулю. Это условие во многих случаях выполняется на практике. В частности, оно выполняется, когда интервал корреляции аддитивной помехи меньше периода исследуемого сигнала. Достигаемый выигрыш в быстродействии составляет

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения фазового сдвига исследуемого сигнала относительно опорного сигнала при низких отношениях сигнал-шум. Цель изобретения - повышение точности измерений фазового сдвига при низких отношениях сигнал-шум. Сущность изобретения: устройство, реализующее способ, содержит блок определения знака производной, нуль-орган, интеграторы, логическое устройство, АЦП. запоминающее устройство, блок управления, вычислитель, дисплей.2 ил.

в цифровой эквивалент Si. Значение Si запоминается в устройстве 8 под действием сигнала разрешения, поступающего со второго выхода блока управления 10.

В момент времени тз нуль-орган 2 фиксирует переход опорного сигнала X0(t) через нулевое значение (см.фиг.2). Под действием выходного сигнала нуль-органа 2 логическое устройство 5 формирует на своем втором выходе сигнал запрета, Под действием сигнала запрета второй интегратор 4 прекращает интегрирование исследуемого сигнала X(t). Одновременно по команде блока управления 70 АЦП 7 преобразует результат второго интегрирований

52 X(t)dt{2}

12

N

il

IT

з

2

Погрешность измерения фазового сдвига F определяется следующим образом. Из (3) следует, что абсолютная погрешность dp измерения фазового сдвига зависит от первичной погрешности dk измерения величины к:

55

3f W 5k,

(5)

где W -коэффициент влияния: , df 1 сГК Т+Г

w

отсюда следует, что с увеличением величины k коэффициент влияния W уменьшается.

Следовательно, при увеличении величи- Hbik абсолютная погрешность измерений Э снижается, что существенно важно. При этом знак величины k не влияет на величину W.

Относительная погрешность Јр измерения фазового сдвига F с учетом (3) и (5) равна

К -ек

CF

(1-.+ tf)arctg.

К-1

К-М

(6)

где Јk - относительная погрешность определения отношения k -„- .

02

Предложенный способ обеспечивает повышение точности измерения фазового сдвига F за счет исключения погрешности формирования сигнала, ортогонального опорному. Если учесть, что в известном техническом решении погрешности формирования опорного и ортогонального сигналов равны, то достигаемый выигрыш в точности

Вход 13

5

10

15

20

25

при доверительной вероятности Р 0,95 составит

R 1,1 V5 1.5.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает повышение быстродействия и точности измерения фазового сдвига F.

Формула изобретения Способ определения сдвига фаз двух гармонических сигналов, основанный на том, что формируют опорный сигнал, интегрируют исследуемый сигнал за время действия одной полярности опорного сигнала, повторно интегрируют исследуемый сигнал, вычисляют отношение К результатов интегрирования, определяют сдвиг фаз по формуле арктангенса, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, опорный сигнал формируют путем удвоения частоты исследуемого сигнала, повторное интегрирование исследуемого сигнала выполняют за время действия другой полярности опорного сигнала, а величину сдвига фаз определяют по формуле

F arctg(K- 1/K+ 1).

x.(i/

о

i /

о

Фиг. 2

Врш

К

Фаза