Способ измерения фазового сдвига между искаженными напряжениями

 

Изобретение относится к области фазоизмерительной техники. Цель изобретения - повьшение точности измерения фазовых углов между напряжениями при действии гармонических и случайных коррелированных помех.Сравниваемые по фазе напряжения усипивают в широкой и узкой полосах частот . Затем переключают перекрестно в каждый из двух полупериодов коммутации , периодически замещая одно напряжение другим с частотой коммутации значительно меньше частоты сравниваемых напряжений. Далее поочередно сдвигают их на 90°, перемножают между собой, выделяют переменную составляющую частоты коммутации и регулируют фазовый угол до исчезновения этой составляющей. Перемножаемые напряжения в каждый полупериод коммутации однополосно модулируют низкочастотным напряжением с частотой, равной половине узкой полосы частот, и усиливают их в этой и широкой полосах с последующим перемножением каждого напряжения с одним из сравниваемых по фазе напряжений. Вьщеляют из произведения напряжений модулированное по амплитуде напряжение частоты модуляции с огиб-ающей частоты коммутации и регулируют центральную частоту узкой полосы до исчезновения огибающей частоты коммутации. 1 ил. I сл с 4 4i 4 а 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 G 01 R 25/Op

OllHCAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTI44 (21) 4198362/24-21 (22) 29.02.87 (46) 15. 12.88. Бюл. У 46 (71) Винницкий политехнический институт (72) Ю.А. Скрипник, А.И. Гуцало, В.Я.Супьян и В.П.Савлюк (53) 621.317.373 (088.8)(56) Маис Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М.: Мир, 1983, .с. 10-15.

Авторское свидетельство СССР

Р 189080, кл. G 01 R 25/00, 1966. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА МЕЖДУ HCKAEEHHbfMH НАПРЯЖЕНИЯМИ (57) Изобретение относится к области фазоизмерительной техники. Цель изобретения — повышение точности измерения фазовых углов между напряжениями при действии гармонических и случайных коррелированных помех.Сравниваемые по фазе напряжения усиливают в широкой и узкой полосах частот. Затем переключают перекрестно

ÄÄSUÄÄ 1444680 A 1 в каждый из двух полупериодов коммутации, периодически замещая одно напряжение другим с частотой коммутации значительно меньше частоты срав ниваемых напряжений. Далее поочередно сдвигают их на 90, перемножают между собой, выделяют переменную составляющую частоты коммутации и регулируют фазовый угол до исчезновения этой составляющей. Перемножаемые напряжения в каждый полупериод коммутации однополосно модулируют низкочастотным напряжением с частотой, равной половине узкой полосы частот, и усиливают их в этой и широкой полосах -с последующим перемножением каж- дого напряжения с одним из сравниваемых по фазе напряжений. Вьщеляют из произведения напряжений модулированное по амплитуде напряжение частоты модуляции с огибающей частоты коммутации и регулируют центральную часто- Я ту узкой полосы до исчезновения огибающей частоты коммутации. 1 ил. р

1444680

Изобретение относится к фазоизмери тельной технике и предназначено для измерения фазовых углов между двумя напряжениями, искаженными гар-. моническими и случайными помехами, с повышенной точностью

Целью изобретения является повышение точности измерения фазовых углов между напряжениями в смеси с гар-10 моническими и случайными коррелированными помехами.

На чертеже изображена структурная схема компенсационного фазометра, в котором реализуется способ. 15

Фазометр содержит входные широкополосный усилитель 1 и избирательный узкополосный усилитель 2 с регулируемой частотой настройки, соединенные выходами соответственно с регули-20 руемым фазовращателем 3 и установочным фазовращателем 4, двухпозиционные переключатели 5 и 6, противоположные входы которых соединены между собой и подключены соответственно к выходам фазовращателей 3 и 4, коммутационный генератор 7, соединенный с управляющими входами переключателей 5 и 6, фазосдвигающие интегрирующая 8 и дифференцирующая 9 цепочки, подключенныеЗ0 к выходам переключателей 5 и 6, перемножитель 10, соединенный с выходами фазосдвигающих цепочек 8 и 9, фильтр ,11 нижних частот, к выхоДу которого подключены последовательно соединенные усилитель 12 коммутационной час- ° таты, синхронный детектор 13, управ" ляющий вход которого подклочен к ге-. нератору 7, и интегратор 14, выход которого соединен с управляющим вхо" дом компенсирующего фазовращателя 3 и атсчетно-регистрирующим блоком 15, однополосный фазоразностный модулятор 16, сигнальные входы которого соединены с выходами цепочек 8 и 9, генератор 17 низкой частоты, выходы квадратурных напряжений которого соединены с управляющими входами модулятора 16, выходом соединенного через аттенюатор 18 с сигнальным входом избирательного усилителя 2, управляющим входом подключенного к выходу фильтра 11 через последовательно соединенные избирательный усилитель 19, амплитудный детектор 20,, усилитель

21 коммутационной частоты, синхронный детектор 22, управляющий вход которого подключен к генератору 7, и интегратор 23.

Us (t) 1К,ф (У .,s inst+7 (t)3

U4(С) K«Я«зз.п(соt+tt+d aq,), где К, коэффициент усиления широкополосного усилителя 1, Кю козффициент усиу 1+Q h ления избирательного усилителя. 2 с расстройкай, коэффициент усиления усилителя 2, настроенного на частоту 0)о — относительная расстройка

И

f избирательного усилителя 2;

=ul /0M " зквивалентная добротность, «" измеряемый фазовый угол, 44„ = arctgQ h, — фазовый сдвиг, вносимый расстроенным избирательным усилителем 2 °

Протифовазные напряжения U (t) и U4(t),ïåðåêëþ÷àþò перекрестно с помощью двухпозиционных переключателей,5,и 6, частота переключений F которых задается генераторам 7 и выбрана значительно меньше частоты входных напряжений F а (10 з -10-4 ) „/2Д

В результате перекрестной коммутации на выходах переключателей происходит замещение одного напряжения другим через каждый палуп:=-риад коммутации Т/2 = 1/2F. Если выходное напряжение одного переключателя, наприСпособ измерения фазового угла при наличии коррелированных помех осуществляется следующим образом.

Сравниваемые по фазе напряжения

О,(t)=U»n(t+ «1,) и U<(t)

=Б,„ з п(и 14 ) в смеси с помехами

V „(t) и Ч«(t) усиливают cooraercTвенно в широкой полосе частот усилителем 1 и в узкой полосе частот избирательным усилителем 2. Ширину полосы частот йк избирательного усилителя выбирают исходя из ожидаемой скорости изменения фазового угла д = Ч ; у и q то же время достаточно узкой для подавления помех в одном из напряжений в рассматриваемом слу"

mac U«(t). Установочным фазовращателем 4 начальный фазовый угол между сравниваемыми напряжениями при

1 ц делают равным 180 . Тогда усиленные противофазные напряжения можно представить в виде

1444680 мер 5, представить в виде последовательности пакетов противофазных напряжений

К, PU, si t+V,(t), 0-ti — .

И; (т)=

К 3, s in (t+ ii+/+ dq ), — (t (Т, Т то выходное напряжение другого переключателя 6 представляет последовательность пакетов напряжений с противоположным чередованием амплитуд и начальных фаэ

Т

К U „, Йп (И+ н+Х+ Ц,), 0 c. t c—

К, (0,„,э1пшс+Ч, (t)) — it i Т.

Т!

11 ()=

Оцно из пакетных напряжений U>(t) гцвигают на (-45) интегрирующей цепочкой 8

К,(Б,„sin(t — )+V(t)), О с —

«Т

K U sin(at + ii +8+ dV1) у it

К U sin(ut + — ii +4+é÷,) > 0(ti2ü

ЩЦ=

К (U sin(vt + — + V(t)) р — сС <Т»

Затем перемножают пакетные напряжения U.,(с) и U (с) с помощью перемножителя 10. В один полупериод коммутации (О i t (Т/2) в результате перемножения образуется составляющая напряжения U (t) выделяемая из по- 40 мех фильтром 11 нижних частот

0 () = — K, Kz U, П,„соs(d+ d9+

+ ) = KК 0 „0 sin(l+dV) . .45

3 1

В другой полупериод коммутации (Т/2 с Т) образуется составляющая напряжения U Ä (t), которая также выделяется из помех фильтром 11 нижних 50 частот

U, (t) — — K, Kz U „U cos(l+ 1

- —.) = — К, К U,, U,„s in(d + d p,) .

it 1

При непрерывной работе переключателей 5 и 6 и малых значениях dÐ и

dp, на выходе фильтра 11 нижних. час55 тот выделяется также переменное напряжение частоты коммутации Я„ с ам" плитудой, пропорциональной суммарному фазовому углу

0 (t) — 2К1 К К з 0 м1П э п(„"+ +

+ И ) =2K „К, К „U,„, U sin(, + d 4, ), где К вЂ” коэффициент передачи фильтра 11 нижних частот.

Переменное напряжение с амплитудой UÄ (t) усиливается усилителем 12 частоты коммутации, детектируется при помощи синхронного детектора 13 и накапливается в интеграторе 14, выходное напряжение которого изменяет значение компенсирующего фазового сдвига, вносимого фаэовращателем 3.

В результате измеряемый, фазовый угол компенсируется с погрешностью + d q,, вносимой расстроенным усилителем 2.

Для исключения погрешности измерения перемножаемые напряжения U (t) и U (t) в каждый полупериод коммута» ции однополосно модулируют в фазокомпенсационном модуляторе 16 низкочастотным напряжением генератора 17.

Частоту модуляции Я выбирают равной половине полосы частот избирательного усилителя 2 (Я = 0,5йы ) ..

В один полупериод коммутации (О (t c.Т/2) в результате однополосной модуляции двух напряжений "несущей" частоты я, сдвинутых на 90 квадратурными напряжениями генератора 17 частоты Д (с w образуется смещенное на частоту Я напряжение

U, ()=Б э1п (к+Я) t+ Ц 1 где U » ч — амплитуда и фаза выходного напряжения однополосного модулятора 16.

В другой полупериод коммутации (Т/2 t i T) замещение перемножаемых напряжений друг другом приводит к изменению 90 сдвига (39/4- Р /4

= / /2) на 270 сдвига фаз (57)/4+7

=ЗГ/2), что вызывает изменение знака смещения частоты на противоположный

U os Н

Выходное напряжение однополосного модулятора 16 можно представить в виде пакетного напряжения с периодически изменяющейся частотой

1444680

0(t(— т

Т вЂ”

U„sin ((ы+й) t+ q ), ! „„, (t)-=

U cos ((u.-й) t- Ц ) Модулированное по частоте напря еННе U « (t), ослабленное аттенюатором 18, подают на сигнальный вход избирательного усилителя 2, который усиливает это напряжение в полосе частот. В зависимости от значения расстройки усилителя относительно пакетов напряжений смещений частоты усиленное напряжение имеет вид

K,,U sin((v+© + ь+21 4),0 "2

UМ= Т

К П сов (< -8) 1- 4 "6

К, КК = — ко i+q -г t t+(pa эффициенты усиления на смещенных частотах, CV+9 î 1 о %+A

1 о — — — — относительные

1 о k -а расстройки избирательного усилителя ?, arctg Q 12, arctg g h — фазовые сдвиги вносьп ые расстроенным избирательным усилителем 2. где К

Т 55

0

2 У вЂ”

Т

U U cos (Яс+ 1, ), 1 1 )К К У,П„sinnQlt+ +Ê2), 35

Пакеты усиленного напряжения U 1 (t) проходят 1ерез переключатели 5 и 6 и перемножаются с помощью перемножителя 10 с пакетами напряжения, формируемыми из выходного напряжения усилителя 1 этими переключателями.

В результате перемножения напряжений частоты о с напряжениями смещенной частоты (ш+Я) образуются гармонические составляющие суммарной (2ы+О и разностной Я частот. Частота среза фильтра 11 нижних частот выбрана несколько больше частоты модуляции 5l . Поэтому избирательным усилителем 19, настроенным на час- 50 тоту генератора 17, выделяют пакеты напряжений разностной частоты, т.е. частоты модуляции Я где К вЂ” коэффициент усиления избирательного усилителя 19;

,, у — начальные фазы напряжений разностной частоты, зависящие от а ср и dq, .

Пакетное напряжение U1 (t) при неравенстве коэффициентов усиления К

"1 и К представляет собой модулировааще по амплитуде напряжение частоты с прямоугольной огибающей частоты ком; мутации; Амплитудным детектором 20 выделяемое напряжение частоты коммутации усиливается усилетелем 21 частоты коммутации и детектируется синхронным детектором 22, Продетектиро ванное напряжение заряжает интеграторp

23, выходное напряжение которого регулирует центральную частоту узкой полосы избирательного усилителя 2.

Направление регулирования выбрано s сторону уравнивания коэффициентов усиления К и К для смещенных частот (И+Я) .

При равенстве коэффициентов усиле ния имеет место соотношение

/ где 1 = 1 з, что означает совпадение

2 2 центральной частоты узкой полосы или частоты настройки избирательного усн лителя И, с частотой входных напряжений (о,= м). Благодаря этому коэффициент усиления избирательного усилителя 2 становится равным номинальному (К 2 =Ко), а дополнительный фазовый сдвиг, вносимый узкополосным усилителем, становится равным нулю (йМ,= О). В этом состоянии фазовращатель 3 отслеживает только измеряемый фазовый угол 1, значения которого регистрируются с помощью отсчетнорегистрирующего блока 15.

Благодаря подавлению помех в одном из перемножаемых напряжений узкополосным усилителем 2, автоматически настраиваемым на частоту сравниваемых по фазе напряжений, исключается влияние коррелированных помех на результат измерения; Преимущества способа-прототипа в части исключения дрейфа нуля перемножителя 10 и неравенства амплитуд сравниваемых напряжений полностью сохранены.

1444680

Таким образом, введение новых операций над сравниваемыми по фазе напряжениями позволяет в сравнении с прототийом повысить точность измерения фазовых углов при наличии кор5 релированных помех в обоих напряжекиях без прерывания процесса измерения.

Формула изобретения

Способ измерения фазового сдвига между искаженными напряжениями, заключающийся в том, что сравниваемые по фазе напряжения усиливают, 15 переключают перекрестно в каждый из двух полупериодов коммутации, периодически замещая одно другим с частотой коммутации значительно меньше частоты сравниваемых напряжений, по- 2О очередно сдвигают на 90, перемножают между собой, выделяют из произведения напряжений переменную составляющую частоты коммутации, регулируют фазовый угол между сравниваемыми на- д5 пряжениями до исчезновения этой сосЪавляющей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения фазовых углов между напряжениями в смеси с гармоническими и случайными коррелированными помехами, усиление сравниваемых по фазе напряжений выполняют в широкой и узкой полосах частот, а перемножаемые напряжения в каждый полупериод коммутации однополосно модулируют низкочастотным напряжением, частоту котороro выбирают равной половине узкой полосы частот, модулированное по частоте напряжение усиливают в узкой полосе частот, перемножают с одним из сравниваемых по фазе напряжений„ выделяют из произведения напряжений модулированное по амплитуде напряжение частоты модуляции с огибающей частоты коммутации, центральную частоту узкой полосы регулируют до исчезновения огибающей частоты коммутации, после чего измеряют величину фазового сдвига между входными напряжениями.