Способ определения фазового сдвига электрических сигналов

 

Изобретение может быть использовано в устройствах для измерения фазы сигнала. Целью изобретения является повышение точности измерения фазового сдвига электрических сигналов за счет уменьшения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности. Для этого формируют второй дополнительный сигнал путем сдвига на первое фиксированное значение фазы φ<SB POS="POST">0</SB> опорного сигнала, измеряют разность фаз между вторым дополнительным и опорным сигналами U<SB POS="POST">2</SB>, формируют третий дополнительный сигнал путем сдвига опорного сигнала на второе фиксированное значение сигнала Kφ<SB POS="POST">0</SB>, измеряют разность фаз между третьим дополнительным и опорным сигналами U<SB POS="POST">3</SB>. Кроме того, формируют первый дополнительный сигнал путем сдвига на первое фиксированное значение φ<SB POS="POST">0</SB> сдвинутого по фазе электрического сигнала, измеряют разность фаз между первым дополнительным и опорным сигналом U<SB POS="POST">1</SB>, а величину фазового сдвига сигналов определяют по формуле φ<SB POS="POST">X</SB>O = (K-1)φ U<SB POS="POST">2</SB>-U<SB POS="POST">1</SB>/U<SB POS="POST">3</SB>-U<SB POS="POST">1</SB>. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5И 4 С 01 К 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 нл.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4292649/24-21 (22) 07.08.87 (46) 23.08.89. Бюл. В 31 (71) Институт кибернетики им. В.M. Глушкова (72) В.Т. Кондратов (53) 621.317.373((088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1хх 922658, кл. G 01 R 25/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР

1х 1236386, кл . G 01 R 25/00, 1984. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО

СДВИГА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение может быть использовано в устройствах для измерения фазы сигнала. Целью изобретения является повышение точности измерения фазового сдвига электрических сигналов за счет уменьшения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности. Для этого формируют втоИзобретение относится к измерительной технике, в частности, к фазометрии, и может быть использовано для повышения точности измерения не только фазовых сдвигов электрических сигналов, но и частоты, активной и реактивной мои ности, мощности диэлектрических потерь, коэффициента диэлектрических потерь и т.д °

Целью изобретения является повышение точности измерения фазового сдвига электрических сигналов за счет уменьшения «ддитивной и мультипликативной состанляюших погрешности и з мере ни я .

SU, 1503026 А 1

2 рой дополнительный сигнал путем сдвига на первое фиксированное значение фазы (p, опорного сигнала, измеряют разность фаз между вторым дополнительным и опорным сигналами U формируют третий дополнительный сигнал путем сдвига опорного сигнала на второе фиксированное значение сигна— ла К(, измеряют разность фаэ между

01 третьим дополнительным и опорным сигналами U х. Кроме того, формируют первый дополнительный сигнал путем сдвига на первое фиксированное значение ц сдвинутого по фазе электрического сигнала, измеряют разность фаз между первым дополнительным и опорным сигналом U а величину фазового сдвига сигналов определяют по формуле g = (К-1) ц о Ue-U1

Х оц -ц

На фиг. 1 приведены эпюры напряжений, поясняющие способ; на фиг. 2 структурная схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, содержит автоматический переключатель

1, установочный фазовращатель 2, блок 3 преобразования фаза — код, интерфейсный модуль 4, микроЭВМ 5, счетчик 6 импульсов, логический элемент И-НЕ 7, триггер 8, первый 9, второй 10 и третий 11 формирователя импульсов, логический элемент И 12, первый 13 и второй 14 логические элементы ИЛИ, кнопку 15 "Ручн. пуск", 3 150302 клемму 16 питания, клемму 17 "Авт, пуск".

Клемма опорного сигнала соединена с объединенными первыми входами автоматического переключателя 1 и блока

3 преобразования фаза — код, второй вход которого через установочный фаэовращатель 2 подключен к выходу автоматического переключателя 1, сое- 10 диненного своим вторым входом с клеммой сдвинутого по фазе сигнала.

Управляющий вход (вход "Пуск" ) блока 3 преобразования фаза — код подключен к выходу логического элемента И 12, первый вход которого соединен с выходом триггера 8, а второй вход подключен к второму выходу формирователя 10 импульсов. Вход формирователя 10 импульсов соединен с выходом первого логического элемента ИЛИ 13, первый и второй входы которого подключены к вторым выходам первого и третьего формирователей 9 и 11 импульсов соответственно.

Вход третьего формирователя 11 импульсов соединен с выходом второго логического элемента ИЛИ 14, первый вход которого через кнопку 15 "Ручн. пуск" соединен с клеммой 16 питания, а второй вход — с клеммой 17 "Авт. пуск".

Первый выход третьего формирователя 11 импульсов подключен к объединенным между собой входам установки нуля и единицы счетчика 6 импульсов и триггера 8 соответственно.

МикроЭВМ 5 через интерфейсный модуль 4 подключена к цифровым выходам блока 3 преобразования фаза код, выход "Конец преобразования" которого соединен с входом первого формирователя 9 импульсов, первый вход которого подключен к счетному входу счетчика 6, первый и второй выходы которого соединены соответственно с управляющими входами автоматического переключателя 1 и установочного фазовращателя 2, а также с первым и вторым входами логического элемента И-НЕ 7, а выход послед-50 него подключен к входу установки нуля триггера 8.

U =S(,1+/)q,+ Д U

40 Дчя этого из опорного сигнала (2) предварительно формируют второй дополнительный сигнал (фиг. 1б) "з (t) -U )sin(g t+CL|+ Cpî)

45 (4) 55 у = S(1+() x+gy, (5) Любой измерительный преобразователь, в том числе и фазометр, имеет функцию преобрачования

6 4 где х — измеряемая величина, у — результат измерения;

Ьу — аддитивная составляющая погрешности измерения, S (х — мультипликативная составляющая погрешности измерения, S — крутиэная преобразования.

При измерении фазового сдвига электрических сигналов, например, классическим методом результат измерения с учетом приведенного выражения будет равен где („ =х — измеряемая величина;

U — результат измерения;

6U — аддитивная составляющая погрешности измерения;

S|I Q> — мультипликативная составляющая погрешности измерения, S — (В/град J в котором имеют место аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности измерения. Исключение этих составляющих погрешности измерения обеспечивает получение истинного значения результата измерения.

В способе определения фазового сдвига сигналов измеряют фазовый сдвиг („= (— Ц>, между опорным и сдвинутым по фазе электрическим сигналом (фиг. а) U,(t) =U sin(gt+(g ), (2)

u (t) =U sin(et+(p,), (3) где U — амплитудное значение сигналау (— начальный фазовый сдвиг, путем введения в опорный сигнал (2) нормированного по значению фазового сдвига (= (Измеряют фазовый сдвиг между вторым дополнительным и опорным сигналами (4) и (2). В результате полу-чают сигнал (фиг. 1д) и, -8(,-СР,) (1+У)+ИВч" (+E)+ U !

0 (О = (К-1) о

1 (10) (6? 5

20 о UÜ-Ц»

Ч = =(К-1)

» u.-u где 8(М„+Ч,) и hU » о

Иэ опорного ют третий допол (фиr 1г) 40 (8) 150302 где S — чувствительность или крутизна преобразования;

8 о»!

Д U — мультипликатинная и аддитивная составляющие погрешности измерения, Ц10 — измеряемый фазовый сдвиг сигналов (4) и (2?.

Затем формируют первый дополнительный. сигнал (фиг. 1в) (t) =U s i n ((2 t+ С!», +g )

sin((Dt+(g ) где U — ампли гудное ".=íà÷ånèå сиг»»» 4 нала, — начальный фазовый сдвиг! путем введения в сдвинутый по фазе сигнал (3) нормированного по «начению фазового сдвига y" -- ((= Ч

Измеряют фазовый сдвиг между первым дополнительным и опорным сигналами (6) и (2). В результате получают сигнал (фиг. 1е) ц - (ц,-ср,) (1+()+Au — (q„+

+q,) (1+1)+ЬП, (7) 30 мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности измерения; измеряемый фазовый сдвиг сигналов (6) и (2). сигнала (2) формирунитепьный сигнал

1 . () =11 s in (g t+ g +k y ) =

U, sin(g t+

Ч5 — начальный фазовый сдвиг

К = 2,3,4,..., путем введения в опорный сигнал (2) второго нормированного по значению фазового сдвига g " = k»p кратного о первоначальному и превышающего его не менее чем в два раза, т.е. (g /

/qr ) 2.

Измеряют фазе вый сдвиг между третьим дополнительным и опорным сигналами (8) и (2) . В результате полу55 чают сигнал (фиг. 1ж

П > = S (y -tP, ) (1 + g? + Ы1 = SK(gо (1+

+у)+6Ц (9) 6 6 К»» о ц и d U — мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности измерения

К(p, — измеряемый фазовый сдвиг сигналов (8) и (2).

Об истинном значении фазового сдвига исследуемых сигналов (2) и (3) судят по выражению где у,, у, 5 — результаты промежуточных измерений

Q,, К(— первое и второе значения нормированных фазовых .сдвигов.

Подставим в (10) результаты промежуточных измерений (5), (7) и (9), тогда

Б(М +(,) (1+»«?+Я-БМ,(1+В -Ьц

SKID,(1+/)+AU-Sq (1+У) -dU 1 SKg (1+/)-Sq (1+g) Полученный результат (11) (фиг. 1э) равен истинному значению фазового сдвига исследуемых сигналов (2) и (3). Он не зависит от чувствительности (или от крутизны преобразования, не содержит аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности измерения.

Необходимо отметить, что согласно предлагаемому способу измерения значения нормированных фазовых сдвигов выбирают иэ условия

К(((0,01...0,07)(р, (12) Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

На первые входы автоматического переключателя 1 и блока 3 преобразования фаза — код поступает опорный сигнал (2). На второй вход автоматического переключателя 1 поступает сдвинутый по фазе сигнал (3).

При нажатии кнопки 15 "Ручн. пуск" или при подаче на клемму 17 внешне1503026

N = Я(1+3)Сг,+ P N, (13) где го импульса запуска осуществляется ручной или автоматический пуск устройства. С выхода второго логического элемента И1П1 14 импульс запуска

5 поступает на третий формирователь

11 импульсов. Необходимо отметить, что в качестве формирователей 9-11 могут быть использова :ы одновибраторы с парафаэными вьжодами. С первого выхода третьего формирователя

11 импульсов на входы "Уст.0" и

"Уст.1" счетчика 6 и триггера 8 соот— ветственно поступает импульс, который устанавливает счетчик 6 импуль-.ов в нуль, а триггер 8 — в единицу.

В результате на выходах счетчика 6 импульсов установится код нуля, а на первом входе логического элем-..нта И 12 установится потенциал, разрешающий прохождение управляющих импульсов через логический элемент

И 12 на вход "Пуск" блока 3 преобразования фаза — код.

При наличии кода нуля (0 0 ) на вы ходах счетчика 6 импульсов, а следовательно, и управляющих входах автоматического.переключателя 1 и фазовращателя 2 осуществляется установка их в исходное состояние. Автоматический переключатель 1 переводится в положение, указанное на фиг, 2, а фазовращатель 2 устанавливается в состояние, обеспечивающее введение первого нормированного по значению фазового сдвига ((в опорный сигнал. 35

При этом на первый и второй входы блока 3 преобразования фаза — код поступят электрические сигналы (2) и (4).

После нажатия кнопки 15 "Пуск" с второго выхода третьего формирователя 11 импульсов импульс запуска поступает через первый логический элемент И!Я 13 ла вход второго формирователя 10 импульсов. В формирова- 45 теле 10 этог импульс задерживается на время, переходных процессов в фазовращателе 2. Задержанный импульс длительностью через логический элемент И 12 поступает на вход "Пуск" 5р блока 3..

В результате преобразования в код фазового сдвига сигналов (2) и (4) на выходе блока 3 появится код числа 55

Lp — фазовый сдвиг сигналов о (2) и (4), 11N — мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности преобразования.

Одновременно на выходе "Конец преобразования" блока 3 появляется импульс, который дает команду на запись (разрешает запись) кода числа (13) в память микроЭВМ 5. Необходимо отметить, что сопряжение выходов блока 3 и входов микроЭВМ 5 осуществляется с помощью интерфейсного модуля 4. Одновременно импульс, соответствующий окончанию преобразования фазового сдвига сигналов (2) и (4) в код, поступает на вход первого формирователя 9 импульсов, который формирует пару импульсов, соответствукщих логическому нулю и логической единице °

Импульс с первого выхода формирователя 9 импульсов поступает в счетчик 6 импульсов и увеличивает его содержимое на единицу. Выходной код счетчика 6 импульсов станет равным коду единицы ("1,0"). При этом коде автоматический переключатель 2 поменяет свое положение на противоположнсе. Состояние установочного фазовращателя 2 не меняется.

На второй вход преобразователя 3 поступит уже сигнал (6).

С второго выхода первого формирователя 9 импульсов импульс, соответствук щий моменту окончания первого преобразования в код фазового сдвига сигналов (2) и (4), поступает через логический элемент ИЛИ 13 на вход второго формирователя 10 импульсов. Последний формирует следующий импульс запуска работы блока 3 преобразования фаза — код, задержанный на время переходных процессов в фазовращателе 2 при изменении положения автоматического переключателА 1.

В результате в код преобразуется фазовый сдвиг электрических сигналов (2) и (6). Код числа измеряемый фазовый сдвиг, мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности преобразования, 1503026

1О

В результате в код преобразуется фазовый сдвиг 2 Ч2 сигнал в (2) и 40 (8) ° Код числа

N =S2 Vo(1+()+dN (15) где 2 Щ, — измеряемый фазовый сдвиг, 45

2S@,t, и N — мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности преобразования, поступает в память микроЭВМ 5 в момент времени появления на выходе блока 3 импульса, соответствующего концу преобразования.

Указанный импульс поступаеr также на вход первого формирователя 9 импульсов. С первого вых.да формирователя 9 этот импульс поступает в счетчик 6, увеличивая его содержимое на единицу. Выходной код ("1, l ) поступает на входы интерфейсного модуля 4.

Одновременно на выходе Конец преобразования" блока 3 появляе гся соответствующий импульс., который

5 дает команду на запись кода числа (14) в память микроЭВМ 5. Этот импульс поступает также на вход первого формирователя 9 импуль.-.ов. С первого выхода формирователя 9 имI пульсов импульс, соотнетстнующий концу второго преобразования, поступает в счетчик 6 импульсов и уве.-,ичивает на единицу его содержимое. На выходе счетчика 6 ус тановится код двойки (0,1"). Прн =--.ом коде автоматический переключатель 1 приMET свое исходное положение, указанное на фиг. 2, а фазовращатель 2 установится в состояние, обеспечиванццее введение второго нормированного по значению фазового сдвига у ", равного, например, удвоенному значению фазового сдвига (, т е, q " = 2(g

На второй вход блока 3 поступит электрический сигнал (8) при К=2.

С второго выхода первого формирователя 9 импульс, соответствующий моменту времени скончания второго преобразования в код фазового сдвига сигналов (2) и (6), поступает через логический элемент ИЛИ 13 на вход второго формирователя 10 имгульсов.

Последний формирует очередной импульс запуска работы блока 3 преобра- 35 .зования фаза — код, задержанный на время переходных процессов. чиг:, а три с первого и второго выхо,t< в счетчика 6 импульсов поступаег на управляющие входы автоматического переключателя 1 и фаэовращателя 2 соответственно. Одновременно выходной сигнал (1, l ) счетчика

6 поступает на входы логического элемента И-HF. 1. Последний при наличии на входах сигналов, соответствующих логическим единицам, формирует импусьс, устанавливающий триггер 8 в состояние логического нуля на его выходе. Это приводит к запрещению прохождения через логический элемент

И 12 выходного импульса второго формирователя 10, обеспечивающего saпуск блока 3 преобразования фаза код. Под действием сигналов с первого и второго выходов счетчика 6 положение автоматического переключателя 1 устанавливается противоположнык укаэанному на фиг. 2, а состояние фазовращателя 2 не изменяется. Однако процесс преобразования сдвига .а код не производится.

После появления третьего импульса на выходе "Конец" преобразования" блока 3, соответствующего окончанию третьего такта преобразования в код фазового сдвига входных сигналов, микроЭВМ 5 начинает обработку результатов промежуточных преобразований (13)-(15) по алгоритму (при К = 2).

N-=N — — ->

1 1г N < (16)

qo N э аналогичному (10) . Необхоцимо отметить, что нормироваьное значение

Ng< фазового сдвига выносится в память микроЭВМ 5 заранее.

Покажем, что истинное значение (16) фазового сдвига исследуемых сигналов (2) и (3) не зависит от крутизны преобразования блока 3 и не содержит аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности преобразования. Для этого подставим в (16) выражения (13) — (15) и получим, что

1Ы й2Ы 22 51:1ЫЫЯ2+ВЫ.

Vo (Я2ч" (1+ )+11И3 (Sy, (1+))+aN7

Ч„

6 4о

По сравнению с прототипом в предлагаемом способе измерения повьш ение точности достигается за счет введения информационной избыточности пу1503026

l2 уменьшения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности измерения, иэ опорного сигнала формируют второй дополнительный сигнал путем введения в опорный сигнал первого нормированного по значению фазового сдвига, измеряют фазовый сдвиг между вторым дополнительным и опорным сигналами, формирует третий дополнительный сигнал путем введения в опорный сигнал второго нормированного по значению фазового сдвига, кратного первому и превышающего его не менее чем в два раза, измеряют фазовый сдвиг между третьим дополнительным и опорным сигналами, а истинное значение фазового сдвига исследуемых сигналов определяют по вы20 Р е (К 1) о А

П -U.i о Ц-Ц

3 1

25 где Ц

Способ определения фазового сдвига электрических сигналов, заключаю35 щийся в формировании первого дополнительного сигнала путем введения в сдвинутый по фазе электрический сигнал первого нормированного по значению фазового сдвига, измерении фазового сдвига между первым дополнительным и опорным сигналами с последующим определением истинного .значения фазового сдвига исследуемых сигналов, отличающийся тем, что, с 4 целью повышения T î÷íîñòè эа счет тем дополнительного измерения фазовых сдвигов между опорным и первым дополнительным, опорным и вторым до" полнительным сигналами. В обработке используется и значение фазового сдвига между опорным и вторым дополнительным сигналами. Как уже отмечалось, предлагаемый алгоритм обработки результатов промежуточных измерений обеспечивает исключение влияния чувствительности (или крутизны преобразования) на результат измерения, а также исключение влияние аддитивных и мультипликативных составляющих погрешностей результатов промежуточньм измерений. Положительный эффект достигается тем, что вначале определяют разность второго и первого, третьего и первого результатов промежуточных измерений, а эатем— частное от деления первой разности результатов на вторую. увеличенное в (K-1) Ц, раз частное от деления и характеризует истинное значение фазового сдвига исследуемых сигналов.

Таким образом, предлагаемая совокупность и последовательность операций обеспечивает повышение точности измерения фазового сдвига электрических сигналов, Формула изобретения результат измерения фазового сдвига между вторым дополнительным и опорным сигналами; результат измерения фазового сдвига между первым дополнительным и опорным сигналами, результат измерения между третьим дополнительным и вто ым р сигналами, Ч, . о и К(у, — первое и второе значения нормированных фазовых сдви" гов, причем значения нормированньм фазовых сдвигов выбирают из условия

Kq0 (0 01 0 07)q4 где < — верхнее значение диапаэона измерений

K 2,3,4,...

1503026

Составитель М.Катанова

Редактор С.Лекарь Техред М,Ходанич Корректор Н.Борисова

Заказ 5081/55 Тира к 714 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР.

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Уагород, ул. Гагарина, 101