Способ определения фазового сдвига

 

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано для измерения в течение произвольно заданного интервала времени фазового сдвига сигналов, содержащих априорно известную п-ю гармонику основной частоты. Цель изобретения - повышение точности и быстродействия . Используя принцип квадратурной обработки сигналов, из одного входного сигнала, содержащего п-ю гармони- .ческую составляющую, и четырех gnop- ных сигналов (синусной и косинусной составлякшщх основной частоты и синусной и косинусной составляющих гармоники) формир тот с помощью операции перемножения десять вторичных сигналов. Затем сигналы интегрируют и, преобразовав в форму, удобную для вычислений, вычисляют уточненное значение фазового сдвига по формуле, приведенной в тексте описания. Кроме повышения точности за счет учета гармоники , повышается быстродействие, так как время интегрирования может быть много-меньше (в п раз) периода основной частоты. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

{51)4 G 01 К 25/00 ». »», ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4182139/24-21 (22) 16,01.87 (46) 15. 10.88, Бюл. У 38 (71) Красноярский политехнический институт, (72) Ф.В.Зандер и N.Ê.×ìûõ (53) 621.317.77(088.8) (56) Глинченко А.С. и др. Цифровые методы измерения сдвига фаз. — Новосибирск: Наука, 1979, с. 39-41, рис. 122.

Пестряков В.Б. Фазовые радиотехнические системы. — И.: Сов. радио, 1968ь с ° 379ь (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО

СДВИГА (57) Изобретение относится к области злектрорадиоизмерений и может быть использовано для измерения в течение произвольно заданного интервала времени фазового сдвига сигналов, содержащих априорно известную и-ю гармонику основной частоты. Цель изобретения — повышение точности и быстродействия. Используя принцип квадратурной обработки сигналов, из одного входного сигнала, содержащего и-ю гармони.ческую составляющую, и четырех опорных сигналов (синусной и косинусной составляющих основной частоты и синусной и косинусной составляющих п=й гармоники) формируют с помощью операции перемножения десять вторичных сигналов. Затем сигналы интегрируют и, преобразовав в форму, удобную для вычислений, вычисляют уточненное значение фазового сдвига по формуле, приведенной в тексте описания. Кроме повышения точности за счет учета гармоники, повышается быстродействие, так как время интегрирования может быть много-меньше (в и раз) периода основной частоты. 4 ил.

1430904

Изобретение относится к способам электрорадиоиэмерений и может быть использовано для измерения сдвига фаз сигналов, в составе которых присутствует п-я гармоника, за малое время измерения, в том числе и за время измерения, меньшее периода сиг" . нала, с повышенной точностью и помехоустойчивостью. 10

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия измерения фазового сдвига при наличии п-й гармоники в сигнале.

Способ определения фазового сдвига 15 сигналов основан на том, что измеряемый сигнал перемножают на синусную и косинусную составляющие опорного сигнала, результаты перемножений интег рируют и формируют соответственно 20 сигналы а и, измеряемый сигнал перемножают с синусной и косииусной составляющая и-й гармоники опорного сигнала и интегрируют, формируя соответственно сигналы q и Е, синусную и косинусную составляющие опорного сигнала и синусную и косинусную составляющие п-й гармоники опорного сигнала возводят в квадрат и интегрируют, Формируя соответственно сигналы

J, p» q и Е», синусйуЬ составляющую опорного сигнал и синусную составляющую п-й гармоники опорного сигнала перемножают между собой и интегрируют, формируя сигнал )1, косинусную составляющую опорного сигнала и косинусную составляющую п-й гармоники опорного сигнала также перемножают между собой и интегрируют, формируя сигнал, затем с помощью полученных

40 десяти сигналов вычисляют значение .Фазового сдвига по формуле: ,„„ У"= Ж "" -Х 1. -"= "" (» — )ь -у ) (1) 45

В выражении (1) используются мгно вениые значения сигналов (например, напряжения), полученные одновременно

В результате интегрирования в одном и том же интервале времени Т„:

50 пос (t) - з

Способ обеспечивает определение фазового сдвига с систематической погрешностью равной нулю. Для того, чтобы убедиться в этом, найдем ма (t) я,s>n(t + +V, ) + тп.l - ()SÄ (t)dt; (2)

-т„П

p q g(t) S „(t}dt;р

$ $ (t) s„„(t)dt;р (4)

-т„(г

E - $ $(t)S„ „ (t)dt;

Ы» C S2 (t)dt; (6)

О5 т, г

p» ) S2Ä (t)dt;

-TsN т,п (8)

r„iq

S2 (t)dt; ос

Т>!2

SÄ(t) SÄÄ (t)dt; (10)

-т г т п(2

S„(t) s„„(t}dt. (t1)

-т„ц

В приведенных выражениях интегрируются следующие сигналы:

;«измеряемый сигнал (t), который с учетом наличия в его составе и-й гармоники и шума определяется выражением: ((t) Seisin(coot + цс ) + Б „„с х х а1п(про t + Чвс ) + n(t) э где Б „, ы,,, - амплитуда, частота, Фазовый сдвиг гармонического измеряемого сигнала;

S „Час амплитуда и фаза

Ь11о п-й гармоники измеряемого сигнала;

n(t) - флюктуационный шум, присутствующий совместно с полезным сигналом;

n - номер гармоники, присутствующей в сигнале, -синусная и косинусная составляющие опорного сигнала

S0,> (t) = S sinv t р

S ñ (t) Seisin@)сtþ, (9) -синусная и косинусная составляющие и-й гармоники опорного сигнала

I (t} = S Äcos пи,t. (14) тематическое ожидание результата измерения.

Для этого подставим в выражение (1) измеряемый сигнал 12 без шумов,т.е °

in{nb> t + LP„ ) (15)

1430904 входящих в (1), получают

Для составляющих (2-11) Тп (S cos g (1 А) + S сos g„ (C )1 р (16) р = — (Б sin5p (1 + А) + S sin, (С + D)(; (17) -1 (3 cos q (С вЂ” D) + S „cos g„(f — В)1; (13)

Т вЂ” — jS sing (С + D). + S sin g (1 + В) ; (19)

Т

2 о I17tlо Но

a" -- — (1 — А) °

Тп

3 (20) p»= -(f + А)

9 (21) q» = — (1 — В) .

Tq . 2

Э (324

= --(1 + В)

Тп

У (23) (с в), Ть (24) — (С+ D)

Тп

9 (5) где

А = здп ооТ /(ноТ„;

В = ь n п43 T(/и ыо T (26) 0 (27) sin n — 1 юТ /2

1 1 (n - 1)ь) T„/2

sin(n + 1)и, Т /2 (),î, -,/ (29) 35 (n + 1) ы /2

Если подставить (16-25) в (1), получают

4 цзм = 4о ° (30) причем данное равенство справедливо 4р для любого Т„, как кратного, так и некратного периоду сигнала, в том числе и для Т„, меньшего периода сигнала.

Что касается случайной погрешности 4 способа определения фазового сдвига, то на основе исследования функции правдоподобия можно показать, что данный способ имеет минимальчо возможную случайную погрешность из возС можных способов определения фазового сдвига при времечи измерения, меньшем периода сигнала или некратном периоду сигнала.

На фиг. 1 приведена структурная схема одного из вариантов устройства, реализующего способ*, на фиг.2 — вариант схемы блока управления на фиг.3 вариант схемы генератора опорного напряжения на фиг.4 — временные диа-" граммыы р" — г ы j 1 ;òoêÿ стгра-. пения

Устройство, реализующее способ, содержит генератор ": опорного напряжения (Г0,"1) . перемно;-.ителм 2-5 квад. раторы 6-9 ере;и ожптели !0 и ",1„ интеграторы 12=21., вычигл-. тельный блок (ВБ) 22, инцикатор . 3, блок 24 управления (БУ)„ Чри атом ГОН 1 опорного напряжения первым выходом., язляющимсч Выходо ; си - "ч с" ой с ioтавлякбцей опорного сигнала, подключен к первому входу перемчожителя 2,, входу ква-ритора б и первому входу перемножителя

10. вторым выходом,. являющимся выходом косинусной составляю";ей опорного сигнала- к первому ходу перемножителя "., входу квапра-,op;- . 7 ч первому входу перемно :ителя ";1, третьим выхо дом> являющимся Выходом с 1яус ной сос тавляющей и-й гармоники опорного сигнала - к первому входу перемножителя 4, входу квадро.-.îðà 8 и второму в входу перемножителя 10, четвертым выходом, являющимся выходом косинусной составляющей и-й гармоники опорного сигнала„- к первому входу перемножителя 5, входу квадратора 9 и второму входу перемножителя 11. Вторые входы перемножителей 2-5 подключены к шине входа измеряемого сигнала, выходы перемноялтелей 2-5 - . входам соатвет" ственно интеграторов 12-15, выходы квядраторав 6-о — к Входам саатBerственно интеграторов 16- ":9, Вьхаиь перемножителей 1А и !i * к:. зхадям сО"= ответственно интеграторов 20 и 2,„

Выходы интеграторов I2-2 — к десяти

Входам ВычислNTельнгзГQ 5$IoKG 22 Bbi"-" ходом соединенного с.индикаторам 23.

Блок 24 управления содержит (фиГ. 2) формирователь 25 импуззься пуска (ФИП),, вреияз я яъыцгй элемент (833) 26 и Ao»мивоьа «ел:. 7 з шульсав (Фи) НО следов ятел ьн О (" Сед "..не ". .В"ые

NpKgg собой. ПеpBbé Выход БУ 4 Hb!Ir = ется Выходам Вр -.,яззцяюще."а элемента

26> и Второй - Вых..здам ФИ 27. Первый

ВХОД ЕГО ПОДКЛ«ЗЧЕН К У ЬЗЯЕ,.гЯЮЩИМ ВХОдам ЩЯ f и -нгтэ —;.-,1 ава-

ВТОРОЙ к Упззав!.;.:!%IIIII õ Р:,.Одам нт : граторав !2-2 и икпиката«за 23 «

1"OH "; содержи". (6IIII« „3) )т" < roвый генератор (ТГ) 28 «Вход катарага пад" ключен к первому Выходу БУ 24,, четы-ре запоМинающих блока (ЗБ) 29-32,.

ВхОды кОтО|зых подключены к Выхадям

Т1 28 N четыре дифроаналагoBb x преОбразОВЯтеля (ПИ 1) 3"- 36 -1хадь(кО

T Ор ых и Од кл юч с b bi K с а а т В е :. т:-. ую,t;;.", ВыхОДЯм ЗБ 29-32 е ВЬГ;ОДь.. Являются

ВыхОдами скнуснай и, каскнусн*"::" сос т являющими Опорно Га сиГИ Ол я н с . .1нус"

НОЙ i«I Касинуснай Са ".-:." -.ВЛ>, щ::- :г.ги П-И

Гармоники рг арнага: I :ãi:!»I": ОБ 1, устроиства 3 Яба".. .e i ; --,:-;= :-,úçö--;-;.,- 00-. разом.

Момент нячапя измеаения за:и-.ру -.Тся ФИН 25 (Abir„-,:; Б 2-":,. pàLoTàюшега

РУЧНОМ г ЛК ЯВТОМЯТНЧЕСКОМ P —. - .ГЯХ . ВЗЗ 26 БУ 24 lop! лцз згс: т имп ульс (фиг.4б) равный па длительности Времени измерения Т, катарь""г па ерваму

l выходу подается H" ГОН 1„на вход ТГ

28 и на интегратг- ""-2,. Б течен;:-е времени интег»ира,:;ения ГОН ) форми-рует синусную и касинусную састявляющИЕ ОПОРНОГО СИГНЯЛЯ« К .гтарыв НОДЯЮТ ся на паремнажител=:-:: 2 .- :- 3 «.аядр Торы б и 7, пер.;ыож-::;тенги и ; . с-."-."-нусную и касннусную сас-Гяьзляющ-. е и--й гармоники опорного сигналя, которые пОДаются нЯ перемеажнтелк 4 и:3 « квадратары 8 и 9 г-,: перемножителк !Q и r3. .Пеаемнаженные с изме -.яемьн « сиг = налом синусняя и косину: няч состав= ляюшие опорного сигнала и сннусня,«:

И КОСИНУС НЯЯ СОС 1 ЯвлвгОШНЕ П и ГЯРМО ники апорнага сигналя„кьядркравянные синусная и касинусная составляюшие опорного сигнала и синусная и косинусная составляющие п-й гармоникй опорного сигнала, а также перемноженные между собой синусная составляющая спорного сигнала и косинусная составляющая и-й гармоники опорного сигнала, косинусная составляющая опорного сигнала и косинусная составляющая и-й гармоники опорного сигналя интегрируются в течение времени

Тп. После окончания интегрирования результаты запоминаются (фиг.4в) на время Т„, равное длительности импульса с Выхода ФИ 27 в БУ 24, поступающе "o па второму Выходу на интеграторь: ",2-23 к индикатор 23. Сигналы с выходов интеграторов, которые в тече2б ние действия импульса по второму выходу постоянны ва времени, подаются на входы ВБ 22, в котором вычисляется результат измерения по формуле (12). С выхода ВБ сигнал, являющийся

25 результатом измерения, поступает на индикатор 23, который запоминает его ва время действия импульса по второму входу и отображает до окончания сле дующего измерения.

Технико-зкономический эффект данпога способа заключается в уменьшении погрешности измерения. Особенно зто

3àæBo при измерении сдвига фаз сигналов ня инфранкзких частотах при вре:ени измерения, меньшем периода сигналя. При малых временах измерения, меньших периода сигнала, погрешность может достигать 2О и более, т.е. изо мерение фактически становится невоз,О можным. Для выголнения измерения с приемлемой точностью время измерения необходимо увеличить дî sначения, кратного периоду (полупериоду) сигнала, т,е. изобретение позволяет умень4„ шить время измерения.

Формула и э обретения

Способ определения фазового сдви.-, Га, ;основанный на перемножении измеЗО ряемаго сигнала на синусную и косинусную составляющие опорного сигнала, интегрировании двух результатов перемножения и вычислении результата измерения как арктангенса отношения:"

lg первого результата а интегрировайия квторомур, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия измерения фазового

7 1430904 8 сдвига при наличии априорно известной ники опорного сигнала перемножают . и-й гармоники в сигнале, измеряемый межцу собой и интегрируют, формируя сигнал дополнительно перемножают с сигнал у, косинусную составляющую синусной и косинусной составляющими опорного сигнала и косинусную состав5 пй гармоники опорного сигнала и ин- лякицую и-и гармоники опорного сигнала тегрируют, формируя соответственно также перемножают между собой и инсигналы ц и 1, синусную и косинусную тегрируют, формируя сигнал д, затем составляющие опорного сигнала и си- с помощью полученных десяти сигналов нусную и косинусную составляющие и-й ð по результатам интегрирований вычисгармоники опорного сигнала возводят ляют значения фазового сдвига по форв квадрат и интегрируют, формируя со- муле; ответственно сигналы o(, l3 + и E "- 11"" ": х -1 синусную составлякяцую опорного сигна- = аксгд ча н синусную составляющую и-й гармо1430904

Составитель Ю.Макаревич

Техред м.яндык Корректор В.Романенко

Редактор Л.Пчолинская

Заказ 5339/48..Тираж 772 Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауц ская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4