Способ определения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов
Изобретение может быть использовано при измерении мгновенных значений разности фаз в области низких и инфранизких частот. Цель изобретения - повышение быстродействия измерения. Сущность способа заключается в том, что квадратурно преобразуют опорный электрический сигнал. Полученные основной и квадратурный сигналы с равными амплитудами перемножают с измерительным сигналом. Каждый из перемноженных рсигналов интегрируют только в течение интервала времени, огрраниченного снизу и сверху моментами времени равенства мгновенных значений основного и квадратурного сигналов. Измеряют мгновенные значения первого и второго проинтегрированных сигналов в конце интервала интегрирования. Определяют отношение результата второго измерения к первому, а о мгновенном значении фазового сдвига судят по выражению φ° =180°/φ ARCTG (U<SB POS="POST">2</SB>/U<SB POS="POST">1</SB>), где U<SB POS="POST">1</SB> и U<SB POS="POST">2</SB> - мгновенные значения первого и второго проинтегрированных сигналов. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51) 4 С 01 R 25/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4316407/24-21 (22) 30, 07. 87 (46) 07.08. 89. Бюл. Р 29 (71) Институт кибернетики им. В.М.Глушкова (72) В.Т.Кондратов (53) 621.373.317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
9 1019355, кл. Q Ol R 25/00, 1981.
Авторское свидетельство СССР
К 928247, кл. С О1 R 25/00, !978. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МГНОВЕННЬГ
ЗНАЧЕНИЙ ФАЗОВОГО СДВИГА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение может быть использовано при измерении мгновенных значений разности фаз в области низких и инфранизких частот. Цель изобретения — повышение быстродействия измерения. Сущность способа заключается
Изобретение отноойтся K фазометрии и может быть использовано при измерении мгновенных значений фазовых сдвигов, вносимых четырехполюсниками, а также при построении помехоэащищенным и высокоточных электронных фазометров, фазочувствительных вольтметров, измерителей мощности и т.д.
Цель изобретения — повышение быстродействия измерения.
На фиг.! приведейы эпюры напряжений; на фиг.2 - структурная схема устройства.
Устройство, реализующее предлагаемай способ измерения. содержит квад„„SU„„1499265 А 1
s том, что квадратурно преобразуют .опорный электрический сигнал. Полученный основной и квадратурный сигналы с равными амплитудами перемножают с измерительным сигналом. Каждый иэ перемноженных сигналов интегрируют только в течение интервала времени, ограниченного снизу и сверху моментами времени равенства мгновенных значений основного и квадратурного сигналов. Измеряют мгновенные значения первого и второго проинтегрированных сигналов в конце интервала интегрирования. Определяют отношение результата второго измерения к первому, а о мгновенном -значении фазового сдвига р 180 судят по выражению О
-тх ф хагсй@(11 /U,), где 11 и U< — мгновенные значения первого и второго проинтегрированных сигналов. 2 ил. ратурный фазовращатель 1, первый и второй перемножители 2 и 3, компаратор 4, триггер 5, первый и второй интеграторы 6 и 7, одновибратор 8, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 9 и 10, цифровой блок 11 деления, блок 12 вычисления функции арктангенса, цифровой блок 13 перемножения, задатчик 14 числа, отсчетно-регистрирующий блок 15, блок
16 управления.
Вход квадратурного фаэовращателя
1 объединен с клеммой опорного электрического сигнала. Прямой и квадратурньп выходы квадратурного фаэовраП !() U„sin (Qt + Щ< )
U<(t) U Для этого квадратурно преобразуют только опорный электрический сигнал, (1) (фиг.1б): (1) (2) 3 149926 щателя 1 подключены соответственно к первым входам первого и второго перемножителей 2 и 3, к первому и второму входам компаратора 4. Вторые входы первого и второго перемножителей 2 и 3 объединены и соединены с клеммой сдвинутого по фазе электрического сигнала. Выходы первого и второго перемножителей 2 и 3 !р подключены к информационным входам первого и второго интеграторов 6 и 7, управляющие входы которых объединенымежду собой, соединены с входом одновибратора 8 и подключены к выходу !5 триггера 5, чей счетный вход соединен с выходом компаратора 4. Вход установки нуля триггера 5 подключен к первому выходу блока 16 управления. Выходы первого и второго интегра»- 20 торов 6 и 7 соединены с информационными входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей 9 и 10, управляющие входы которых объединены и подключены к выходу одновибратора 8. Выходы первого и второго аналогоцифровых преобразователей 9 и 10 соединены соответственно с вторым (вход "Делителя" ) и первым (вход "Де- 30 лимое") входами цифрового блока 11 " деления, выход которо ro соединен с входом блока 12 вычисления арктангенса. Выход блока 12 вычисления функции арктангенса соединен с одним из 35 входов цифрового блока 13 перемножения, второй вход которого подключен к задатчику 14 числа. Выход эадатчика числа соединен с отсчетно-регистрирующим блоком 15, управляющий вход 40 которого подключен к второму выходу блцка 16 управления. Предположим, что необходимо измерить мгновенное значение фазового сдвига (f» = Q< — ц» между электричес- 45 кими сигналами 4 Полученные основной (3) и квадратурный (4) сигналы с равными амплитудами, т. е. U « = U „„, перемножают со сдвинутым по фазе электрическим сигналом (2) U>(t) = U + !2< ) v<7< sin(Qt + (ф ) = 0,5<22)!,<П«8т( (сов(<<, -(< ) — сов 2<<2 + 0,5(<7, + чВ (5) U4(t) — Б4 (t) U (t) — U<5<<> cos ((д<- + + Ю< ) U<)< sin(gt + Cp ) = 0,5U<)«q U<5) ( (sin(g< - Ц), ) + sin 2((дй -+ 0 55 (Ц< + + 4)1) (6) Каждый из перемноженных сигналов (5) и (6) интегрируют, в течение интервала времени, ограниченного снизу и сверху моментами времени t4 и t (фиг.1 б, в, r) равенства мгновенных значений основного и квадратурного сигналов (3) и (4) (фиг,1 д, е) v (t) = — — — - v (t)dt = К 4 2- -5- ) З 05> t q, — (0,50„„, 0,в< (сов(.(<, — (< ) <) сов 2(0t + 0,5(< v(t) = — — — -! v(t)dt= 5 - 4 as> e+ 0,5П „ Пп< sin(Q< — gq ) + <) + tin 2( Измеряют мгновенные значения первого и второго усредненных сигналов (7) и {8) в конце интервала времени интегрирования, т.е. в момент времени t (фиг.1 ж, з, и) 6 U4(tò) К 0,5Ь<,)<5Б,„,cos(ц Определяют отношение результата (1О) второго измерения к результату (9) первого измерения, т. е. 55 ц,! (с) = и „з п(ас + (p,); (3) Uq (t) 11„5< cos(gt + Lp, ) (4) 8 7 "<7 (11) О мгновенном значении фазового сдвига судят по выражению (напряжение Ut!<Ä аа фиг.1 к) 1499265 ь0= arctg U Т 8 180 :,x arctg — — = -Ц ° 1 (12) 5 (13) Знак минус в выражении (13) характеризует запаздывание электрического сигнала (2) относительно (1), т. е. отрицательный фазовый сдвиг между исследуемыми сигналами. Из выражения (13) видно, что результат измерения фазового сдвига не зависит от амплитуд U „„, и 1 исследуемых сигналов (1) и (2). Так как интервал времени интегрирования ht = t< равен половине периода исследуемых сигналов (что нетрудно доказать), то при интегрировании перемноженных сигналов исключается влияние всех четных гармоник на результат измерения мгновенного значения фазового сдвига. Это объясняется усреднением всех гармонических составляющих исследуемых и перемноженных сигналов, периоды которых равны или кратны времени усреднения (или интегрирования), т.е. Т „ и 6й 0,5Т.п, где Т вЂ” период К-й четной гармоники. К Высокая помехозащищенность предлагаемого способа измерения как и известных, обеспечивается эа счет многократного преобразования спектров сигналов .путем использования операций кодирования, перемножения и интегрирования электрических сигналов . Устройство работает следующим образом. Электрические сигналы (1) и (2), фазовый сдвиг которых подлежит измерению, подают соответственно на вход квадратурного фазовращателя 1 и объе- диненные вторые входы перемножителей 2 и 3. С помощью квадратурного фаэовращателя 1 формируются основной и квадратурный сигналы (3) и (4) с равными амплитудами. Основной и квадратурный сигналы (3) и (4) с прямого и квадратурного выходов фаэЬвращателя 1 поступают на первые входы первого и второго перемножителей 2 и 3 соответственно. Покажем, что выраже ние (12) действительно характеризует мгновенное значение фазового сдвига электрических сигналов (1) и (2). Для этого в (12) подставим значения U< и U„, оп еделяемые выражением (10) и (9): Чй ) 180 sin(Q< Р а ) — nrctg — -" — — —--- ц, ) сов(ф — CP ) 1 Не,ремноженные сигналы (5) и (6) с 15 выходов первого и второго перемножителей 2 и 3 поступают на информационные входы соответственно первого и второго интеграторов 6 и 7. Интегрирование этих сигналов осуществляется в течение времени $ t = t> — t4, равного половине периода исследуемых сигналов. Управление работой интеграторов 6 и 7 осуществляется выходным сигналом 25 триггера 5, причем длительность этого сигнала равна gt = 0,5Т. Формирование выходного сигнала триггера 5 указанной длительности осуществляется путем подачи на его счетный вход коротких импульсов, которые формируются с помощью компаратора 4. Для этого на компаратор 4 подают квадратурные сигналы (3) и (4). В моменты равенства мгновенных значений квадратурных сигналов (3) и (4) и формируются указанные короткие импульсы. При необходимости ручного управления процессом измерения триггер 5 предварительно устанавливается в нуль путем подачи на его вход установки нуля управляющего импульса с первого выхода блока 16 управления. 45 Задним фронтом выходного сигнала триггера 5 осуществляется запуск од" новибратора 8. Последний формирует выходной сигнал, представляющий сол бой короткий импульс длительностью, достаточной для преобразования в код выходных сигналов интеграторов 6 и 7. Преобразование в код осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей 9 и 10, управляемых выходным сигналом одновибратора 8. В результате на входы Делимое и II и "Делитель" цифрового блока 11 деле- ния поступают коды чисел 1499265 N SU SU< (14) (15) где S S< - =S крутизна преобразования аналого-цифровых преобразователей 9 и 10. Код числа 11 = N
arctgN> = arctg(N
Код числа И = Ng Ny (18) с выхода цифрового блока 13 перемножения поступает на отсчетно-регистри- 20 рующий блок 15, с помощью которого индицируется мгновенное значение фазового сдвига электрических сигналов (1) и (2),, описываемое выражением N МпН N>arctg(N
arctg(U
180 (19) Предлагаемый способ помехозащищенного измерения мгновенных значений 30 фазового сдвига электрических сигналов обеспечивает повышенную точность измерения за счет исключения влияния неравенства амплитуд исследуемых и преобразованных сигналов, а также и их высших гармоник на результат измерения. Положительный эффект достигается путем квадратурного преобразования только одного опорного сигнала и перемножении каждого из полученных 40 квадратурных сигналов со сдвинутым по фазе электрическим сигналом. Предла-. гаемая последовательность операций предложенного способа измерения автоматически обеспечивает исключение 45 влияния амплитудных значений сдвинутого по фазе и квадратурных сигналов при делении результатов измерения мгновенных значений усредненных сигналов. Амплитудное значение опорного сигнала в явном виде в процессе преобразования не участвует. Оно представлено 1с некоторым масштабным коэффициентом) в виде амплитудных значений основного квадратурного сигнала, которые также исключаются, так как они равны между собой, входит в состав числителя и знаменателя в виде сомножителей, которые при делении сокращаются. Выбор времени интегрирования в предлагаемом способе измерения по сравнению с известными осуществляется с высокой точностью и достаточно просто — по моментам равенства мгновенных значений квадратурных сигналов. Высокая точность выделения указанного времени интегрирования с помощью, например компаратора и триггера, достигается эа счет весьма высокой взаимной скорости пересечения сигналов (или крутизны сигналов в момент их равенства). Это, в свою очередь, обеспечивает высокоточное задание времени интегрирования и высокоточное задание момента времени измерения мгновенных значений усредненных сигналов. В результате этих преимуществ также достигается высокое быстродействие при измерении в диапазоне инфраниэких и низких частот, диапазон частот ограничивается быстродействием аналого-цифровых преобразователей, обеспечивающих преобразование в код выходных сигналов интеграторов. Быстродействие АЦП должно не менее, чем в 360 раз, превышать период сравниваемых по фазе сигналов. Если, например, частота исследуемых сигналов равна 10 кГц, то преобразование в код должно осуществляться с частотой 7,2 ИГц, т.е. иметь быстродействие g t = 1/f = 1/7,2 10 = 0,14 мкс. В настоящее время лучшие образцы АЦП имеют быстродействие 0,05-0,1 мкс. ..ю,1 Предлагаемый способ измерения с . и, обеспечивает высокое быстродействие при высокой точности измерения не сложен в реализации и работоспособен в широком диапазоне частот исследуемых сигналов. Формула изобретения Способ определения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в квадратурном преобразовании опорного электрического сигнала и перемножения составляющих опорного и измеряемого сигналов, интегрировании результирующих перемноженных сигналов с последующим определением .мгновенного значения фазового сдвига р> по выражению О (= ††-- arctg (U /U ) 1499265 -Vg„ фиг.f Составитель М. Катанова Редактор С.Патрушева ТехредМ.Ходанич Корректор M. Самборская Заказ 4687/44 Тираж 713 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101 где U и U — результаты интегрирования перемноженных сигналов, отлич ающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, перемножают опорный основной и квадратурный сигналы с равными амплитудами с измеряемым сигналом, каждый из двух перемноженных сигналов интегрируют в течение интервала времени, ограниченного снизу и сверху моментами времени равенства мгновенных значений опорных основного и квадратурного сигналов, измеряют мгновенные значения первого и второго проинтегрированных сигналов в конце интервала интегрирования, полученные значения U< и U< используют для определения мгновенного значения фазового сдвига,
