Способ измерения сдвига фаз Советский патент 1980 года по МПК G01R25/00 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ

, ,1 Изобретение относится к приборо.строению и электро-радиоизмеренида и может использоваться дпй точного определения разнс/сти аз двух переменных напряжений. Известен способ измедзения сдвига фаз между двумя напряжениями путем предварительного понижения их частоты с помощью двух ключевых детекторов и общего вспомогательног гетеродина. В одном из устройств, реализующем этот способ, в качестве общего гетеродина применен генератор синусоидальных колебаний с частотой, в „целое число раз большей частоты измеряемы} колебаний, а в каналах обработки этихнапряжений перел клю чевыми детекторами включены преобразователи синусоидальных колебаний в острсжонечные импульсы. Этот способ характеризуется низкой точностью измерений. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является сп соб измерения сдвига фаз, по которо му измеряют сдвиг между двумя сигна лами, умножают их частоту и измеряю фазовый сдвиг между сигналами умног Женной частоты, после чего угол фазового сдвига определяют по формуле , , У1 h h -фазовый сдвиг до умножения частоты; -фазовый сдвиг на умноженной частоте; -коэффициент умножения час тоты; -целое число периодов умноженной частоты в фазовом двиге измеряемой частоты . Устранение многозначности отсчета после умножения частоты в этом способе связано с определением велиЧины V . Для этого измеряют Ч и Y пределяют /k из соотнсяиения (1). Так Ксчк Ч в системе грубого отсчета измеряется с погрешностью 1 2-3, то в реальных устройстдвах. . h( . Hf i 21С ult - Ul5 Для однозначного определения фазоого сдвига величина Г, -; на быть меньше 1. Это накладывает граничения на выбор коэффициента умножения И , который в реальном устройстве равен 36. Однако точность измерения данным способом определяется коэффициентом умножения У1 , который тесно связан с точностью измерительной системы Грубого отсчета. Это является недостатком рассмотренного способа йзмерения фазы.. -..--- ,.......,..,:-.: Цель изобретения,- повышение точности измерения. Это достигается тем, что по спосо бу 7 оснсУванному ни пбследаёаРтШлЁйШ двоении частоты двух периодических сигналов, сравнивают разности фаз до И после удвоения частоты и сдвиг фаз определяют как.сумму фазовых сдвигов Пропорциональных периодам удвоенных Частот, причем фазовый сдвиг; пропорциональный периоду соответствующей Удвоенной частоты, суммируют только В том случае, если при сравнении раз ность фаз после очередного удвоения меньше, чем до удвоения частоты. По данному способу измерение сдви га фйз осуществляется путем сравнени фазовых сдвигов. Точность же операции сравнения определяется чувствительностью измерительных схем к разности фаз. Это гарантирует высокую . точность измерений сдвига фаз по предлагаемому способу. На фиг. 1 приведена блок-схема ус ройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2, а-е временные диаграммы, поясняющие сущность способа. Устройство, реализующее способ, содержит удвоители 1-8 частоты, коммутатор 9, блок сравнения сдвигов фаз, блок 11 формирования результата измерений и блок 12 управления. На фиг. 2 показаны: а - опорное напряжение до удвоения частоты UOH UvrSin uji ; б -- измеряемое напряже ние Ur-Umsiin(ii)t-v v), гдеЧ -Tt , в измеряемое напряжение Us Uy, 5-1и («Jtгде Ча опорное напряжени UOH после удвоения частоты хии-Ь ; g- напряжение U/i после удвоения частоты и( ( ); е - напряжение Ua после удвоения частоты U j -U|TiSin tot+ 2.; синусоидаль ные сигналы изображены схематично:. на фиг, 2, е обоз начает измеренный фазовый сдвиг, Временные диаграммы а, б, г, д иллю стрируют случай, когда фазовый сдви Ч1( после удвоения большей, чем фа зовый сдвиг Чн до удвоения частоты. При этом фазовый сдвиг, пропо циональный периоду удвоенной частот ftie участвует в формировании результ та измерения. Временные диаграммы, а, в, г, е иллюстрируют случай, ког да фазовый сдвиг после удвоени меньше, чем фазовый сдвиг Д с5 удв6ёния частоты. В этом случае фазовый сдвиг, пропорциональный периоду уд767663военной частоты, используется при формировании результата измерения. Сущность способа состоит в следующем. При удвоении частоты опорного и измеряемого периодических сигналов сдвиг фаз между сигналами удвоенной частоты также удваивается. При этом возможны два случая. Если сдвиг фаз до удвоения частоты меньше Tt радиан, то после удвоения частоты он по абсолютной величине больще, чем дЪ удвоения. Действительно, сдвиг фаз Ч между найряжениями (диаграммы а и б) , равный , после удвоения частоты равен % (диаграммы г, д) . Если )хе сдвиг фаз до удвоения частоты больше или равен Ic , то после удвоения частоты он по абсолютной величине меньше,чем до удвоения. Так сдвиг фаз ifg между напряжениями (диаграммы а, в), равный I г It ) после удвоения частоты равен J.-fc на удвоенной частоте (диаграммы ги е) . Это происходит потому, что если после удвоения частоты фазовый сдвиг Ч больше фазового сдвига ( до удвоения, то измеряемый фазовый сдвиг равен некоторой части целого периода удвоенной частоты напряжения на диаграммах б-и д, где видно, что Ч., а если фазовь й сдвиг Ц) после удвоен1 я частоты меньше фазового сдвига PJ до удвоения частоты, то измеряемый фазовый сдвиг равен сумме целого периода удвоенной частоты и некоторой части целого периода (напряжения на диаграммах в и е), где видно, что Чд 2Ги + ЧзОтсюда следует, что если сигналы последовательно удваивать по частоте и всякий раз сравнивать разности фаз до и после удвоения частоты, то по результатам сравнения можно определить, превышает ли фазовый сдвиг до удвоения целый период удвоенной частоты, и в случае превышения к результату измерения прибавить фазовый сдвиг, пропорциональный периоду соответствующей удвоенной частоты. Окончательный результат измерения, таким образом, будет представлен в виде суммы фазовых сдвигов;, пропорциональных периодам удвоенных частот, на которых в результате сравнения фазовый сдвиг оказался меньше, чем до удвоения частот. В устройстве для измерения сдвига фаз (фиг.1) в удвоители 1-8 частоты образуют две цепочки умножения; 1,2, 3,4 - опорного сигнала и 5,6,7,8 измеряемого сигнала. Удвоители частоты в каждой цепочке соединены последовательно (выход предыдущего с входом последующего) , причем выходы и входы всех удвоителей частоты соединены с входами коммутатора 9, выходы которого через блок 10 сравнения сдвигов фаз связаны с входом 11формирования результата измерени второй вход которого соединен с вых дом блока 12 управления и с входом коммутатора 9. Устройство работает следующим образом. . По управляющим сигналам из блока 12коммутатор 9 подает на вход блока 10 сравнения периодические сигна лы (опорный и измеряемый) с входов и выходов соответствующих удвоителей частоты двух цепочек. На первом такте эти сигна;1ы поступают с входов удвоителей 1 и 5 частоты и с вы ходов этих же удвоителей частоты. Блок 10 вырабатывает сигнал коррекц +1, поступающий в блок 11 формирова ния результата измерений в том случае, если Ч-( т.е. если сдвиг фаз после удвоения частоты меньше/ чем до удвоения частоты. После прибавления единицы в блок 11 формирования результата, содержимое блока 11 умножается на Два по сигналу из блока управления. Если же .то в блоке 10 сигнал +1 не вырабатывается и не поступает в блок 11, но содержимое блока 11 также умножается на два по сигналу их блока 12. Следующим тактом по сигналу из блока управления коммутатор 9 подает на входы блока 10 сигналы с входом и выходов удвоителей 2 и 6 част ты, затем очередным тактом с удвоителей 3,7 и далее 4,8. В каждом так те содержимое блока 11 увеличиваетг ся на 1, если ) М ..1 и всякий раз умножается на два. На последнем такте работы устройства в блоке 11 формирования результата измерений будет, записана полная величина фазового сдвига. По данному способу, в отличие от известных способов измерения сдвига фаз с помощью умножения частоты периодических сигналов, определение сдвига фаз осуществляется по результатам сравнения фазовых сдвигов до удвоения и после удвоения частоты периодических сигналов. Достоверность сравнения определяется чувствительностью схемы сравнения сдвигов фаз, а так как чуствительНость по фазе в известных фазовых системах достаточно высока, то способ и устройство для его осуществления позволяют определять угол фазового . сдвига с большей точностью, чем в известных фазометрах с умножением частоты сигналов, при использовании сравнительно простой аппаратуры. Повыление точности измерения угла фазового сдвига и упрощение устройства для измерения фазового сдвига позволя )т повысить точность и упростить оборудование измерительных систем в автоматике и вычислительной технике, использующих фазовые методы при H3is«jeрении линейных и угловых величин. Формула изобретения Способ измерения сдвига фаз, основанньД на последовательном удвоении частоты ;цвух периодических сигналов, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности, сравнивают разности фаз до и после удвоения частоты и сдвиг фаз определяют как сумму фазовых сдвигов, пропорциональных периодам удвоенных частот, причем фазовый СДВИГ, пропорциональный пе- . риоду соответствующей удвоенной частоты, суммируют только в тем случае, если йрй сравнении разность фаз после очередного удвоения меньше, чем до удвоения частоты.

Vui.f

.Voa-Omfiaut

.;..г.З