Способ измерения фазовых сдвигов

 

СОЮЗ СОБЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСН ИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 G 01 R 25/00 ь

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (t )+U (t ) Up

=2 arctg

1,Z сс ( где Пр (t) U«(t) t )P(t )+Ц (сц)P(t")

- .огибающие раэностного и сдвинутого суммарного сигналов соответственно; — моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет разноименные экстремумы, — знаки фазового сдвига между разностным и сдвинутым суммарным сигналами в моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет

P(t ), P(t ) экстремумы, т.е.

Р"+" при сдвиге

0, Р при сдвиге+ tT.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3580030/24-21 (22) 18.04.83 (46) 23.03.86. Бюл. ¹ 11 (71) Омский политехнический институт (72) И.Д. Золотарев, В.А. Киржбаум, С.П. Седельников и С.И. Журавлев (53) 62) 317.77(088.8) (56) Зюко А.Г. и др. Теория передачи сигналов. М.: Связь, 1980.

Авторское свидетельство СССР

¹ 104956, кл. G Ol R 25/00, 1981. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ

СДВИГОВ путем формирования суммарного и разностного сигналов, сдвига суммарного сигнала на Tt/2, выделения огибающих разностного и сдвинутого суммарного сигналов, фиксирования экстремумов огибающей разностного сигнала, определения значений огибающей сдвинутого суммарного сигнала в моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет экстремумы, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, определяют значение и знак фазового сдвига между разностным и сдвинутым суммарными сигналами в моменты времени, при которых огибающая раэностного сигнала.

„„SU„„219980 А имеет экстремумы, и измеряемые фазовые сдвиги ф вычисляют иэ соотно1Д щения

1 1219980

Изобретение относится к фаэоизмерительной технике и может быть использовано для измерения фазовых сдвигов при наложении двух гармонических сигналов с неизвестными частотами.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей.

На фиг. 1 приведены временные диаграммы; на фиг. 2 — структурная схема одного из возможных вариантов устройства в качестве примера реализации способа.

На фиг. la показан один из наложенных сигналов, на фиг. 18 — другой. В общем случае сигналы имеют разные амплитуды, частоты и началь- . ные фазы. На фиг. 1Ь вЂ” изображена смесь U1(t) этих сигналов, поступающая на один из входов фаэометра. На фиг. li и 1 показаны наложенные сигналы, имеющие фазовые сдвиги и соответственно относительно наложенных сигналов на фиг. lo,. На фиг. 1е изображена сумма U (й) сдвинутых по фазе сигналов, поступающая на другой вход фазоиэмерительного устройства. Входные сигналы могут быть представлены в виде:

U„P/=A„S ()„1"Р„+ 1„/2)+А, ;„(d 1+Р+Ч /2)

{ 1 ) 0 ()=Az ><(+pi++„+ /2)-1-А 5111(и)т + 2 " /2) (г) () у U 2{t) наложенные сигна- .

5 лы;

А„, Аг,и)„,о3, — соответственно цг Чу амплитуда, часто1 Я.т та, начальная фаза и измеряемый

10 фазовый сдвиг первого и второго сигналов.

После вычитания и суммирования имеем::

У,у () =2А„з1п (Ч „/2) cos (M„t+ М„) + . +sin(9 /2)cos(u3,t+,), Ц (t)=2A„cos(V„/2) sin(1»)„t+,)+

+2А соя(Чу„/2) sin(

1 где Uz (t), U, (t) — соответственно

20 раэност ный и суммарный сигналы (фиг. l д).

После сдвига суммарного сигнала на

/2 получаем (фиг . 1 ): ,, Uoo(t) 2À cos(Ч „/2)cos(M„t+ „)+

+2А соэ (Чу /2) cos {vJ + ) ° (5)

Выделяют огибающие разностного и сдвинутого суммарного сигналов (фиг. 1у, ). Аналитическое выражени огибающих имеет вид:

0,(Ок Е2А„. Sin(9„/2))+(2A,Sin(P

1 (б) 8А„А Б<г (Ч,/2)(1„)„-U,) 5;„ (a ) /g++

2 1. 2 4 5 и (Ч /2 ) >+ C.

) 24 51уз(.Ч 12)3 +8)1,А 5<и(Чу /2)5 у (Ч )2)соз(„) -& ) t. +y, ) (в) 50 lrn- 1l ++ откуда t„ ; о0,1,... (9)

2 где t; — моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет экстремум»

Откуда:

U (t;))2A„sin(V„/2)+2Assin(+ /2)f, (10)

U„(t;) "12А соз(Ч „/2)+2А„зз.п(Ч /2)/, (11) Запишем раэностный сигнал в следующем виде:

Up (t) =2A< sin(9„/2) cos („t+g + Q t-ц) t+ g- g,)+2A

Определим значение разностного и сдвинутого суммарного сигналов в моменты времени t/ : О, й)к (2А;С (Ч,/2)1 +(2À2Ñîç(Чу /2Ц +8А,A Cos(9у /2/ Cospf /2)Соз/ (1,)-(J )1- р -y )

{7)

1 где U>(t), U (t) - соответственно ного сигнала. Огибающая разностного огибающие разност- сигнала принимает экстремальные знаного и сдвинутого 40 чения в моменты времени, когда персуммарного сигналов; вая производная от ее аналити—

Определяют моменты появления и значе- ческого выражения обращается в ния экстремумов огибающей разноог- ноль:

I, з 1219980 4

Ut, (t, )=(2A

+ V „— 9 ?)+2А з1п(Ф /2)).cos(d t;+Y ), при совпадении знаков выражений пе(13) ред косинусами фазовый сдвиг равенU (t. )=.(2A,cos(<0„ /2)роз((!)„-и ) t;+ "О" и знак фазового сдвига "+", при

+Ч? — g )2A cos(9 /2)}: cos(Q t;+g ) противоположных — фазовый сдвигп g 2 а 2 5 !

1 1! (14) "+ - и знак фазового сдвига

Из формул (13) и (14) видно, что Кроме того, разностный и сдвинутый вблизи моментов времени t разностный суммарный сигналы могут быть запии сдвинутый суммарный сигналы меня- саны в следующем виде

А S!ï (Ч, !2)S; f(a„ 2?) C+ Ч

0р(О Ор(0со ) 1+ +огcQ

А, Sin (Р„12)+ А,,Sin(9, Z)Cos((M, Цг.+Ч „-q.1 (1S) А cog (Ч /2) S!!! Г(о-)„ 3 )1 Т вЂ” Р ) )

1)сс Ur()с!! 1

A!СОВ(ч !/2)+ ?Соь(Ч,)2)созС(!?)!- 3к)t+ (16) 20

30 где ответственно; ! 1! — моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет разноименные экстремумы;"

P(t ), P(t ) — знаки фазового сдвига между разностным и сдвинутым суммарным сигналами в моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет разноI

Очевидно, что фазовый сдвиг между разностным и сдвинутым суммарным сигналами, пропорциональный разности арктангенсов, меняется во време2TI ни с периодом Т=, т.е. с пери1 одом, соответствующим периоду огибающей биений аддитивной смеси входных сигналов.

Раскрывая модули в формулах (I0) и (11), при использовании формул (6) и (7), а для P(t) формул (13) и (14), получаем, что измеряемые фазовые сдвиги могут быть найдены из соотношения:

° () >()P(t ) Лс (t")Р(t") (17) Р— измеряемые фазо1,? вые сдвиги;

Uð (t), 11, (t) — огибающие разностного и сдви нутого суммарного сигналов соименные экстремумы, т.е. Р="+", при сдвиге "О";

Р="-", при сдви!! 1 !! °

Устройство, реализующее способ, содержит три вычитателя 1-1 — 1 -3, три сумматора 2-1 — 2-3, фазовращатель 3, два амплитудных детектора

4-1 и 4-2, фазовый детектор 5, блок

6 определения экстремумов, два ключа

7-1 и 7-2, два блока 8-1 и 8-2 выборки-хранения, два блока 9-1 и 9-2 инверсии, два делителя 10-1 и 10-2, два блока 11-1 и 11-2 определения арктангенса, два усилителя 12-1 и

12-2.

Входы вычитателя 1-1 и сумматора

2-1 попарно объединены и являются входами устройства в целом. Выход сумматора 2-1 через фазовращатель 3 связан с входом амплитудного детектора 4-2 и первым входом фазового детектора 5, второй вход которого подключен к выходу вычитателя 1-1 и входу амплитудного детектора 4-1. Выход амплитудного детектора 4-1 свя45 зан с информационным входом блока 6 определения экстремума. Выход фазового детектора 5 связан с информационными входами ключей 7-1 и 7-2. Выход амплитудного детектора 4-2 связан с информационными входами блоков 8-1

50 и 8-2 выборки-хранения. Первый управляющий выход блока 6 определения экстремумов связан с управляющими .входами ключа 7-1 и блока 8-1 выборки-хранения, а второй — с управляющими входами ключа 7-2 и блока 8-2 выборки-хранения. Два выхода блока

6 ойределения экстремумов попарно

1219980 соединены с входами сумматора 2-2 и вычитателя 1-2. Выход ключа 7-1 связан с управляющим входом блока

9-1 инверсии, информационный вход которого связан с выходом блока 8-1 выборки-хранения. Выход ключа 7-2 связан с управляющим входом блока

9-2 инверсии, информационный вход которого связан с выходом блока 8-2 выборки-хранения. Выходы блоков 9-1 и 9-2 инверсии попарно связаны с входами сумматора 2-3 и вычитателя 1-3.

Выходы сумматоров 2-2 и 2-3 соединены с входами делителя 10-1, выход которого подключен к входу блока

ll-1 определения арктангенса, чей выход связан с входом усилителя 12-1, причем выход последнего является первым выходом устройства в целом.

Выходы вычитателей 1-2 и 1-3 соединены с входами делителя 10-2, выход которого подключен к входу блока 11-2 определения арктангенса, чей выход связан с входом усилителя 12-2, при- 2 чем выход последнего является вторым выходом устройства в целом.

Принципиальные ограничения, накладываемые на параметры сигналов, исключают только когерентность частот сигналов. Соотношение амплитуд, начальных фаз, фазовых сдвигов теоретически могут быть произвольны.

Практически полоса рабочих частот и динамический диапазон ограничиваются конкретной аппаратурной реализацией.

Устройство работает следующим образом.

Иэ входных сигHGJIQB Ц (t) H П (Й) (фиг. 1б,е) посредством вычитателя

1-1 и сумматора 2-1 формируют разностный П (t) (фиг. 1 ) и суммарный

U gt) (фиг. 1,„) сигналы. Затем суммарный сигнал сдвигают фазовращате- 4 лем 3 на П /2. Фазовращатель настро-, ен на постоянный сдвиг по всей полосе частот. Амплитудные детекторы

4-1 и 4-2 выделяют огибающие раэностного и сдвинутого суммарного сигналов Up(t) и П, (t) (фиг. l, P фазовый детектор 5 измеряет текущую разность фаз между разностным и сдви- нутым суммарным сигналами. Блок 6 определения экстремумов определяет моменты появления и значения экстремумов огибающей разностного сигнала.

В момент времени (t ), когда огибающая разностного сигнала Up(t) имеет минимум, блок 6 определения экстремумов выдает разрешающий сигнал на блок

8-1 выборки-хранения и ключ 7-1. В момент времени ("), когда огибающая разностного сигнала Up(t) имеет максимум, блок 6 определения экстремумов выдает разрешающий сигнал на блоь

8-2 выборки-хранения и ключ 7-2.

Блоки 8-1 и 8-2 выборки-хранения фиксируют значения огибающей сдвинутого суммарного сигнала. Ключи 7-1 и 7-2 стробируют выход фазового детектора 5. При этом стробированные значения с выхода фазового детектора 5,поступают на управляющие входы блоков 9-1 и 9-2 инверсии соответственно. При наличии нулевого сдвига фаз между разностным и сдвинутым суммарным сигналами на выходе фазового детектора 5 формируется сигнал положительной полярности, который управляет блоком инверсии так, что сигнал с блока выборки-хранения проходит без изменения. При наличии сдвига фаэ "+Xi" между разностным и сдвинутым суммарным сигналами на выходе фазового детектора 5 формируется сигнал отрицательной полярности, который управляет блоком инверсии, так что сигнал с блока выборки-хранения инвертируется. Полученные таким образом экстремальные значения огибающей разностного и обработанные значения огибающей сдвинутого суммарного сигналов поступают попарно на сумматоры 2-2 и 2-3 и вычитатели 1-2 и 1-3. Найденные суммы подаются на делитель 10-1, а разности — на делитель 10-2. Частные от деления обрабатываются в блоках

11-1 и 11-2 определения арктангенсов и затем умножаются на два в усилителях 12-1 и 12-2 соответственно.

Результаты выдаются на выходы, которые являются выходами устройства в целом.

ВНИИПИ Заказ l319/53 Тираж 728

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4