Устройство для определения фазы сигналов

 

Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано в радиотехнике при измерении фазы сигналов с нестационарным средним значением. Для расширения суммарного динамического диапазона исследуемых сигналов почти в два раза в устройстве после второго и последующих периодов полезного сигнала начало каждого последующего измерения смещается на величину, равную kT, относительно мгновенного значения сигнала в моменты времени t (п+1)Т, где k - крутизна изменения среднего значения сигнала; Т - период полезного сигнала п 1, 2, 3... . 3 ил. с 3

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 R 25 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н Д BTOPCHOIVlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 1345134 (21) 4273511/24-21 (22) 19.05.87 (46) 07. 12. 88. Бюл. М 45 (71) Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) С.И.Богомолов, Н.Г.Переход и В.Д.Ринчинов (53) 621.317.373 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

К- 1345134, кл. С 01 R 25/00,16.03.86. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗЫ

СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к фазоиз„„SU „„ l 442932 A 2 мерительной технике и может быть использовано в радиотехнике при измерении фазы . сигналов с нестационарным средним значением. Для расширения суммарного динамического диапазона исследуемых сигналов почти в два раза в устройстве после второго и последующих периодов полезного сигнала начало каждого последующего измерения смещается на величину, равную

k Т, относительно мгновенного значения сигнала в моменты времени (n+1)T, где 1 — крутизна изменения среднего значения сигнала; Т вЂ” период полезного сигнала n = 1, 2, 3 ° ° ° ° 3 ил °

144?932

Изобретение относится к фаэоизмерительной технике, может быть исполь" эовано в радиотехнике при измерении фазы сигналов с нестационарным средним эначением и является усовершенствованием устройства по основному авт. св. М 1Э45134.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона исследуемых 1О сигналов с нестационарным средним значением.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 — входной сигнал и его составляющие, на фиг.Э— выходной сигнал блоха привязки уровня.

Устройство содержит генератор о копии сигнала, фаэовращатель 2 на 90, перемножитель 3, интегратор 4,блок 5 2р привязки уровня, формирователь 6 импульсов, перемножитель 7, интегра.тор 8, вычислитель 9 отношения, блок

10 вычитания, интеграторы 11 и 12, блок 13 выборки и хранения, сумматор 25

14, блок 15 выборки и хранения, сумматор 16 и блок 17 выборки и хранения.

Генератор 1 копии сигнала через о фаэовращатель 2 на 90, перемножи- jg тель 3 и интегратор 4 соединены с вычислителем 9 отношения, выход которого является выходом устройства, а также к выходу генератора 1 копии сигнала подключены последовательно соединенные перемножитель 7 и интегратор 8, первый вход блока 5 привязки уровня подключен к входу устрой ства, второй вход блока 5 соединен с объединенными вторыми входами интеграторов 4 и 8 и с первым выходом формирователя Ь импульсов, а выход блока 5 привязки уровня соединен с объединенными вторыми входами перемножителей Э и 7, выход генератора

1 копии сигнала соединен также с входом формирователя 6 импульсов, входом блока 13 выборки и хранения, выход которого через сумматор 14, блок 15 выборки и хранения и сумматор 16, второй вход которого соеди- 50 нен с выходом интегратора 8, соединен с вторым входом вычислителя 9 отношения, второй выход формирователя

Ь импульсов и выход перемножителя 7 подключены к соответствующим входам 55 интегратора 11, выход которого под" ключен к второму входу сумматора 14, причем второй выход формирователя 6 импульсов подключен также к второму входу блока 13 выборки и хранения, первый выход формирователя 6 импульсов соединен с первыми входами интегратора 12 и блока 17 выборки и хранения, а выход блока 5 привязки уровня соединен с первым входом блока 10 вычитания, с вторыми входами интегратора 12 и блока 13 выборки и хранения, а выход интегратора 12 соединен с вторым входом блока 10 вычитания, выход которого соединен с третьим входом блока 5 привязки уровня и с вторым входом блока 17 выборки и хранения, выход которого соединен с третьим входом сумматора 14.

На фиг.2 представлены графики:

a — смесь сигнала с помехой; 6 - полезный сигнал1 6 — среднее значение принятой смеси; - помеха с нестационарным средним значением.

В известном устройстве привязка последующего измерения осуществляется к мгновенному значению нестационарного сигнала с шумом и диапазон изменения нестационарного сигнала с шумом, в Зависю ости от начальной фазы полезного сигнала, составляет от - d *2А,+А до + Л 2А,„+А +1сТ, где U -Асов д- начальное смещение, б обусловленное начальной фазой сигнала

l с,-- (x(t) at

Т

- оценка среднего значения шума за период полезного сигнала; . шуме х(С) где А — амплитуда сигнала;

А,„- амплитуда шума;

k — крутизна изменения сред него значения сигнала, Т - период полезного сигнала.

В описанном устройстве начало последующего измерения смещается на величину среднего за период значе- ния сигнала относительно мгновенного значения сигнала. Величина смещения после первого периода полезного сиг- . нала равна. т

Uå,„,,- ) f Acos(tot-g)+U +kt, +

1г

kt i kT

+«(С)3Ыt Ц,т+ +C,-U,T+- -+ С,, 14429

Величина смещения после нторого и последующих периодов полезного сигнала равна

7т бэсм. ) PAccos (st g) +Uc +kt+x (t)2т kT

)at=и T + см1 о 2Т

-U Т- — +С о т (2) 10

20 и т.д.

Таким образом, после второго и последующих периодов полезного сиг- 25 нала начало каждого последующего измерения смещается на величину, равную

kT относительно мгновенного значения сигнала в моменты времени (n+1)T, где n = 1, 2, 3,.... З0

В результате суммарный динамический диапазон равен

kT

+ 1<С+х(t) — — — C

2 (7) 40 в интервале времени ЗТ

45 (4) U = cosset;

U = sin и)с. (5) (9) 50, .д

Из выражений (6) — (9) следует, что сигнал на выходе блока 5 привязки уровня в интервале времени 0

nT< t <(n+1)T выражением

= 1Т+ С

2т

1 где С7 = С „+ —, „x(t)at

Т т у,т

))с = — ) (А,сов ввв-y)+U,+kt+x(t)kt2 I ú

U cì U<< z ) t 1)оТ + Uo T

2Т вЂ” — — kT+C = kT+C»

kT (3) т

1 где С = С + — x(t) dt.

3 7 т 4

2т в

1Т + kT+ 2A = 2A 3kT

2 в)) (от — Л до +d фиг.3)

Генератор 1 копии сигнала формирует гармоническое напряжение с частотой входного сигнала )), которое поступает на вход формирователя 6 импульсов и перемножителя 7 непосредственно, а на вход перемножителя 3 — через фазовращатель 2 на .90

В результате на перемножители 3 и 7 поступают сигналы, соответственно

На первом выходе формирователя 6 импульсов вырабатываются короткие импульсы в моменты нуль-переходов с положительной производной сигнала генератора 1, на втором выходе формирователя последовательность импульсов в моменты нуль-переходов с отрицательной производной сигнала генератора 1.

Короткие импульсы с первого выхода формирователя 6 импульсов поступают

32

4 в на упранляющие входы блока 5 привязки уровня, блоков 13 и 17 выборки и хранения, установочные входы шггег— раторон 4, 8 и 12. В результате на вь ходе интегратора 12, обнуляемого по заднему фронту этих импульсов в моменты времени t = пТ+ „, получают напряжения (1), (2), (3), где и — 1, 2, 3..., значение длительности импульсов i „ « T поэтому в расчетах ею пренебрегают и пользуются ею только для наглядности при описании принципа работы устройства. Сигнал с выхода интегратора 12 поступает на вход блока 10, где он отличается от мгновенного значения сигнала с выхода блока 5 привязки уровня. В результате по переднему фронту импульсов,поступающих с первого выхода формирователя 6 импульсов в моменты времени t = nT, сигнал на выходе блока 5 привязки уровня периодически "привязывается" разности мгновенного и среднего за период сигнала значений сигнала, получаемого на выходе блока

10 вычитания. Используя выражения (1), (2) и (3), можно описать сигнал на выходе блока 5 привязки уровня.

В интервале времени 0 < t

U <(t) =А cos(ы -9)+U +kt+x(t), (6) в интервале времени Т

5(Е) Uc(t) 1см1 Ассов (с)С 9) + в интервале времени 2Ò (t <3Т

Б5 (С) =Uf(t) Б .в7 =А вСОБ (И С 4)) + kt+x(t) — — kT — С, 3

7

U, " (t) =U,(t)-U,,=A, os(ût-ф +

+ kt+x(t) -- kT — С

2 ь

1442932

U7((t) =.A(:cos ((4) t g)+kt+x(t) Подставляя в выр (10) (2п" 1)

2 И

«т

x(t) dt+G „,, 1 ажения (11) и (12) значение выражения (7), получают: Т

1 ив(2Т) - — f (Ассов(ос-и)+Сс+х(с)т

kT 1 А созЧ вЂ” - С,)пописав= —; (1)) n = 1, 2-, 3 . . °

Величина С „ « А и), поэтомУ в дальн ейших расчет ах ею пренебрегаем .

Сигнал с выхода блока 5 привязки уровня поступает также на перемножители 3 и 7, на вторые входы которых поступают сигналы, соответственно (4 ) и (5 ) . После перемножения сигналов (4 ) и (5 ) с сигналом (6) или (1 0 ) выходное напряжение перемножи- . теля 3 поступает на интегратор 4, а перемн ожителя 7 н а интеграторы 8 и . 1 1 . Интеграторы 4 и 8, обнуляемые по заднему фронту импульсов с первого выхода формирователя 6 импульсов в моменты времени t = nT + (,„ накаллив ают информацию в интервалах време ни (и- 1 ) Т (t < aT, а интегратор 1 1, обнуляемый по заднему фронту импульсо в с второго выхода формирователя 6 импульсов в моменты времени (2n-1) Т

+ „, в интервалах времени (2n-1) Т (2n+1) Т

< гдеппв1, 2, 3...

Информация с интегратора 11 за

Т интервал времени 0 (t — не исполь2 зуется. Так как к моменту времени

t = Т информация на интеграторе 11, после его обнуления в момент времени

Т

= — накапливается только за пол2 периода, то и информация с интеграторов 4 и 8 за интервал времени

0 ct Т также не используется. Поэтому можно рассмотреть работу интегратора 11, начиная с момента вреТ мени t xt — а интеграторов 4 и 8

2 А с момента времени t = Т.

В результате, после интегрирования, напряжения на выходе интеграторов 4 и 8 к моменту времени t вп 2Т соответственно равны

1 т

U q (2T) = — ) U I (t) соз(,)МС; (11)

Ят ц (2Т) — — $ U, (t) 8 inst t ° (12)

1Т

lo ив(2т) — f (А,сов(ис-v) +kt+x(t)1

Т т — — — С «вспосаса — - — (14)

kT ° A

2 2 2(1 напряжение (13) поступает на один иэ входов вычислителя 9 отношения, а напряжение (14) на один из входов сумматора 16. При этом второе, слагаемое в правой части выражения (14) характеризует погрешности определения

20 квадратурной составляющей исследуе-мого сигнала.

Для исключения этой погрешности сигнал (14) суммируется в сумматоре

16 с сигналом, формируемьм интеграZ5 тором.11, сумма1ором k14, блоками 13, 15 и 17.

Напряжение на выходе интегратора

1 1 к моменту времени t — Т равно

2

30 и„(— Т) — j и,(С) вспохав. (15) т

Подставляя в выражение (15) выраже35 ния (6) и (10) ° получают т

U„(- T) - ) (A соз((.)е-(«))-ц +kt+

3 1

2 Т т(1 (т(А2/т

+x(t)7в1сввсас+ — t (Аооов(юс Т)+(сов

T

40 kT . 1

+x(t) - — J sin(4)tdt = — (Ассоз((в«с-Ц) +

2 Т Т„

+kt+x(t)3 sin(4)t+dt + — ) sin(4)tdt L Т

ke А 81пЧ kT Uå

45 2 2 21«s

kT Ас81пЧ Uе (16)

21(2 f

На блоках 13 м 17 выборки и хранения по переднему фронту импульсов с первого выхода формирователя 6 импульсов, в моменты времени t nT запоминаются, соответственно, напряжения с выходов блока 5 привязки уровня и блока 10 вычитания. В результате в момент времени t Т на выходах блоков 13 и 17 выборки и хранения имеются сигналы, соответственно

144293? и,) (Т) =иГ (T) =Accos ((Л-

+х(Т)=А rosv+U +kT+x(T); (17) U„(t)=U„(T)=U,(Т)-UÄ (T) =

=U (Т) -Uñ„„=A,cos (ыТ- y) +U. +kT+x (Т)— и (— т) =01 (Т) =

2п+1 - 2п +1

U, (2 Т)+Г U (пт)

2n+1 1

30 — — „U,„(nT) .

Ц (19) С учетом выражений (16), (17) и

3 (18) к моменту времени с = — Т

2 о (2 Т)=он(2 Т) о" (2 Т)

3 3 3

+ =„U (Т) — — U (Т)

1 1 A sin 4 40

1Ъ 2 — + (А cos <+ U, + kT+ x(T)3

0.. 1

fi л< с

1 kT

- „— (А cos q+ — + х(Т))

II 2 45

Асв1пV kT (20)

2 2

Напряжение (20) с выхода блока 15 выборки и хранения поступает на первый вход сумматора 16 с весовым ко- 50 эффициентом, равным 0 5 где происходит его суммирование с сигналом (14), поступающим на второй вход сумматора 16 с выхода интегратора 8, также с весовым коэффициентом, рав- 55 ным 0 5. В результате на выходе сумkT kT

-U, — — = А,cos + — + х(Т) . (18) далее сигнал (17) с весовым коэфтц фициентом, равным 1/Т j sinмг. dt = о

1/О, поступает на один из входов сумматора 14, а сигнал (18) также с весовым коэффициентом, равным 1/т, поступает на вычитающий вход сумматора 14, на третий вход которого с выхода интегратора 11 поступает сигнал (16). В результате выходное напряжение сумматора 14 по переднему фронту импульсов с второго выхода формирователя 6 импульсов запоминается на блоке 15 выборки и хранения (2n+1) в моменты времени t

2 25

Т: матора 16 к моменту времени t = 2Т напряжение равно

U,«„(2T) = Оэ5UR(2Т)+015U „T) 1

А.sin I

2 (21) Это напряжение поступает на первый вход вычислителя 9 отношения, на второй вход которого поступает сигнал (13) с выхода интегратора 4 ° На выходе вычислителя 9 отношения в момент времени t = 2Т формируется сигнал, пропорциональный отношению сигналов, поступающих на его входы;

U (2Т)=U «(2T) /U<(2T) =tg M (22) Таким образом, на выходе устройства получается несмещенная оценка тангенса фазы исходного колебания

S(t) =А соэ (юс- Ч)+и,+kt+x(t) .

Сравнение предлагаемого устройства с известным показывает, что при малых значениях k и А/А (1 динамический диапазон предлагаемого устройства используется более рационально (фиг.3). Следовательно, введение в известное устройство дополнительных узлов позволяет расширить динамический диапазон исследуемых сигналов почти в два раза. формула изобретения тора.

Устройство для определения фазы сигналов по авт. св. Ф 1345134, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона исследуемых сигналов с нестационарным средним значением, в него дополнительно введены последовательно соединенные четвертый интегратор, блок вычитания и третий блок выборки и хранения, при этом опорный вход блока привязки уровня соединен с выходом блока вычитания, а выход блока привязки уровня подключен к другому входу блока вычитания и входу четвертого интегратора, установочный вхОд которого соединен с первым выходом формирователя импульсов и другим входом третьего блока выборки и хранения, выход которого подключен к вычитающему входу первого сумма1442932

1442932

Составитель И.Катанова

Редактор Е.Папп Техред Л.Сердюкова Корректор JI,Ïèëèïåíêî

Тираж 772 Подписное

В11КП!И Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 6380/42

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