Способ определения угла сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами Советский патент 1993 года по МПК G01R25/00 

: Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при Создании цифровых фазометров для измерения или контроля угла сдвига фаз между гармоническими сигналами, в том числе вы- С окочастотнымп.

Целью изобретения является повыше- tftvie точности и быстродействия измерения

фазового сдвига и расширение области применения.

Сущность изобретения заключается в том, что искомый интервал времени, пропорциональный сдвигу фаз, измеряют как интервал времени, определяемый числом интервалов квантования исследуемых сигналов между ближайшими значениями первого и второго сигналов после изменения их знакоп и уточняемый измеренными модулями значений квантованных по времени сигналов непосредственно до и после изменения их знаков. При этом, как показано ниже, для обеспечения аналогичной точности, частота квантования сигналов на два порядка ниже образцовой частоты fo. Кроме того, по последовательности изменения знаков первого и второго сигналов определяют диапазон фазового сдвига: от 0 до 180° или от 180 до 360°. Для реализации способа запоминают текущие и предшествующие отсчеты сигналов и сравнивают знаки этих отсчетов. При равенстве знаков информацию о предшествующих отсчетах замещают информацией о текущих отсчетах и т.д. При изменении знака текущего отсчета первого сигнала фиксируют пару соответствующих отсчетов этого сигнала и момент текущего отсчета. Далее, фиксируют первую по времени после изменения знака первого сигнала пару отсчетов второго сигнала, имеющих разные знаки, и момент соответствующего текущего отсчета. Полученной информации, после определения модулей зафиксированных значений сигналов, достаточно для определения с любой априорно заданной точностью интервала времени tytx между моментами перехода сигналами через нулевой уровень и, соответственно, угла сдвига фаз

(trtx);j60.(nx +

т

И)Л+Ј(1 +

lYil -|Y2I IY2I +IY2|

)n л А,ч iXil -IX21 Л1 -nxA-j(1+ |Yil+|Y2l }1

360An ... 1 f lYil -|Y2| Т l 2l |Yi + |Y2|

|Xil -|X2I IXil +|X2|

))где Т - период колебаний гармонических сигналов; .

А-интервал квантования;

пх - число интервалов квантования (от начала измерения) до момента зафиксированного текущего отсчета первого сигнала;

I - число интервалов квантования между зафиксированными текущими отсчетами сигналов.

Зафиксированные последовательности изменения знаков первого и второго сигналов (с + на - или наоборот) и nslgnY подвергаются сравнению. Если последовательности одинаковы, то фазовый сдвиг находится в диапазоне до 180°, если

разные, то в диапазоне от 180 до 360°. В этом случае к результату измерения сн , полученному в соответствии с (1), добавляется 180°, Определение величины

формализуется следующим образом:

$доп

: 18001signXAnslgnY V nsignX AnsignY),

(2)

где последовательностям изменения знаков 5 присваивается значение логической переменной, например, по правилу

nslgnU 1 при изменении знака с - на +

nslgnU 0 при изменении знака на 0 -. .

На фиг.1 представлена блок-схема варианта устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - расчетные кривые, иллюстрирующие эффективность 5 предлагаемого способа.

На фиг.1 обозначены:

1- первый квантователь (KBI),

2- второй квантователь (Кв2),

3- генератор тактовых импульсов (ГТИ). 0 4 - измерительно-вычислительный блок

(ИВВ).

Устройство работает следующим образом. Входы X и Y устройств, являющиеся первыми входами квантователей 1 и 2, под5 ключаются к первому X и второму Y гармоническим сигналам соответственно. Источник входных сигналов - генератор синусоидальных колебаний - в принципе не входит в состав устройства, однако инфор0 мация о текущем значении периода Т колебаний испытательной частоты имеется и вводится через первый вход в ИВБ А. Генератор 3 вырабатывает тактовые импульсы,- которые поступают на вторые входы кванто5 вателей 1 и 2 и на третий вход ИВВ 4. Тактовые импульсы вырабатываются через заданный интервал Д, информация о величине которого поступает со второго выхода ГТИ на четвертый вход ИВБ, Квантованные

0 сигналы Х(К) и Y(K) поступают с квантователей на второй и пятый входы ИВБ соответственно. В измерительно-вычислительном блоке постоянно хранится информация о двух последних отсчетах каждого сигнала с

5 замещением на каждом такте предшествующего отсчета текущим. В нем же производится определение и сравнение знаков двух последних отсчетов для каждого сигнала. В момент квантования, когда знак текущего отсчета сигнала X первый раз после включения устройства в режим измерения не совпадет со знаком предыдущего отсчета, производится фиксирование этой пары отсчетов и порядкового номера текущего от- | счета. Аналогичным образом выполняются |операции фиксирования отсчетов сигнала JY, но непосредственно после изменения | знака сигнала X, и определяется прираще- |ние порядкового номера текущего отсчета |при изменении знака сигнала по отноше- | нию к текущему отсчету при изменении зна- |ка сигнала X. После определения модулей |значений зафиксированных отсчетов в бло- ке 4 производится вычисление основного значения сдвига фаз сигналов. Кроме того, |в блоке 4 определяется, запоминается и сравнивается последовательность измене- |ния знаков сигналов X и Y и при разных j последовательностях изменения знака к ос- |новному значению фазового сдвига добав- |ляется 180°.

i Положительный эффект от использова- :ния предлагаемого способа может бытьоце- нен следующим образом. Единственной методической ошибкой предлагаемого спо- соба является ошибка уточнения интервала (времени между пересечениями нулевого |уровня (добавки к числу интервалов кванто- |вания I), определяющаяся ошибкой аппрок- |симации синусоиды (на участках, примыкающих к его нулевому значению) |прямой линией. В силу того, что указанный интервал уточняется с двух сторон суммар- |ную максимально возможную ошибку опре- |деляем путем увеличения максимальной ошибки с одной стороны в Y/Граз. На фиг.2 кривая 1 отображает зависимость числа отсчетов на период испытательной частоты I у |( -т ) от максимально возможной ошибки ап проксимации. Отметим, что даже при шести (квантованиях на период ошибка измерения не превышает 1,5°. а при десяти - всего лишь 0,3°. Кривая 2 показывает во сколько раз должна быть выше частота квантования в способах, основанных на цифровом кодировании временных интервалов, пропорциональных фазовому сдвигу, по отношению к Частоте квантования предлагаемого спосо- |ба при одних и тех же максимальных ошиб- ках (максимальная ошибка в этих способах

ID

ценивается величиной

j 360). Так при

максимально допустимой ошибке измерения фазового сдвига в 0,3° использование предлагаемого способа позволяет снизить частоту квантования в 120 раз. Очевидно, гго указанный эффект тем более значите- пен, чем более высокочастотен испытательный сигнал и чем выше требования к

точности. Способ-прототип тоже позволяет повысить точность отсчета в заданное m раз. Однако, как отмечено выше, это связано с одновременным увеличением времени

измерения. Представляет интерес сравнить способы по критерию качества, определяемому обратной величиной от произведения времени измерения на соответствующую ошибку, т.е.

1

К

1изм б

Для способа-прототипа при 1изм тТ и 15 , 360 А -ггГТ

Кгшот -

1

прот 360 А .

(3)

Для предлагаемого способа т.Изм Т и

i1,7 A,s

( (выражение для ополуче1-4,4 Т

но в результате аппроксимации кривой 1 фиг.2)

Кизобр

1-4.4 1.7 А

(4)

Из сопоставления (3) и (4) следует, что при -т 4,5 коэффициент Кизобр. Кпрот. а

Т

при -г 10 это превышение оценивается в

один - два порядка. Столь существенное снижение потребной частоты квантования и повышение точности позволяет расширить область применения способа и, в частности, реализовать цифровые многоканальные фазометры, измеряющие одновременно фазовые сдвиги нескольких гармонических сигналов.

Таким образом, техническим преимуществом предлагаемого способа является повышение точности и быстродействия, связанные с исключением ошибки непосредственной фиксации моментов прохожде- ния сигналами нулевого уровня и возможностью точного измерения интервала времени между этими моментами при весьма низком (исчисляемом единицами)

числе квантований выходного сигнала на период колебаний испытательного сигнала. Указанные преимущества позволяют расширить применение предлагаемого способа для исследования высокочастотных сигналов, а также для одновременного определения фазового сдвига нескольких сигналов одновременно.

Формула изобретения Способ определения угла сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами, заключающийся о том, что определяют моменты перехода сигналами нулевого уровня, формируют интервал времени между ними, измеряют его, измеряют период входных сип 1алов и определяют знак сдвига фаз, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, последовательно попарно измеряют и запоминают текущие и предшествующие значения первого X и второго Y сигналов, смещенных на интервал квантования Д, определяют идентичность знаков каждой последней пары значений, фиксируют значения первого сигнала до Xi и после Х2 изменения знака и следующие.за ними значения второго сигнала до YI и после Ya изменения знака, подсчитывают число I интервалов квантования между зафиксированными текущими значе

ниями первого и второго сигналов, определяют последовательность изменения знаков зафиксированных значений соответственно первого и второго сигналов, и определяют фазовый сдвиг между сигналами по формуле

/ 8 T 2 -i f-1х| | + |х2 Г nsignx v

VnsignXAnsIgn Y,

где Т - период колебаний гармонических сигналов;

ris.ignU - последовательность изменения знака сигнала U;

причем flslgnU 1 при изменении знака с +, FlslgnU 0 при изменении знака с + .

Фиг.1

/OwO

)