Способ контроля разности частот двух синусоидальных сигналов

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применимо для контроля разности частот двух низкочастотных синусоидальных сигналов. Способ контроля разности частот двух синусоидальных сигналов, основанный на одновременном измерении в начале и в конце эталонного интервала времени мгновенных значений двух пар синусоидальных сигналов, сдвинутых по фазе в каждой паре на угол л /2, отличается тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей способа, из первого и второго исходных сигналов путем сдвига последних в произвольную сторону без изменения амплитуд на установленные упы получают первый и второй сдвинутые сигналы, формируют первый и второй дополнительные сигналы как сумму и разность первых исходного и сдвинутого сигналов и третий и четвертый дополнительные сигналы, как сумму и разность вторых исходного и сдвинутого сигналов, фиксируют по два мгновенных значения каждого из четырех дополнительных сигналов, разность частот определяют согласно формуле (y-x)4rccos(x-y+/(T-x )), )-V Xi-tJn) («,V-UJi) УМ и-Ц -Ця-ии№ -Цм У чХзЧКХгФ где Un, Dai, Dai, IMi, Ui2, Uaa, U32, U42 - мгновенные значения первого, второго, третьего, четвертого дополнительных сигналов в начале и конце эталонного интервала времени A t. Устройство для реализации способа содержит преобразователи 1, 2 напряжения , фазовращатели 3, 4, сумматоры 5, 7, вычитатели 6, 8, четыре аналого-цифровых преобразователя 9, управляемый генератор 10 импульсов, элемент 11 задержки, блок 12 памяти, цифровой индикатор 13.3 ил. /г Ё VI 2 Ю 00 о

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 G 01 R 23/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Зоей

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ -:-:

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4899389/21, (22) 03.01.91 (46) 07.11,92. Бюл. ¹ 41 (71) Белорусский политехнический институт (72) Ф.А.Романюк и В.Ю.Румянцев (56) Авторское свидетельство СССР № 1707560, кл, G 01 R 23/00, 1988. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАЗНОСТИ ЧАСТОТ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть применимо для контроля разности частот двух низкочастотных синусоидальных сигналов. Способ контроля разности частот двух синусоидальных сигналов, основанный на одновременном измерении в начале и в конце эталонного интервала времени мгновенных значений двух пар синупоидальных сигналов, сдвинутых по фазе в каждой паре на угол л/2, отличается тем. что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей способа, из первого и второго исходных сигналов путем сдвига последних в произвольну э сторону без изменения амплитуд на у:тановленные углы получают первый и второй сдвинутые сигналы, формиSU 1774280 Al руют первый и второй дополнительные сигналы как сумму и разность первых исходного и сдвинутого сигналов и третий и четвертый дополнительные сигналы, как сумму и разность вторых исходного и сдвинутого сигналов, фиксируют по два мгновенных значения каждого из четырех дополнительных сигналов, разность частот определяют согласно формуле

И-Б яп!ц-х),а сов(х у (йл ill-y I, гл 41 г г

Угг.Уг (Уг U») U»U»(Uãã U„)

2 2 г г г

У„(У„-У»)-У»(Угг-У„)

У12 У4 (У32 У») Угг Уз (Оьг Ы)

U2 222 г г

41 Зг 31) УУ»(У g Ц ) гДе 011, (-)21, (-)31, (-)41, (-)12; (-)22, (.)32, 042— мгновенные значения первого, второго, третьего, четвертого дополнительных сигналов в начале и конце эталонного интервала времени Л t, Устройство для реализации способа содержит преобразователи 1, 2 напряжения, фазовращатели 3, 4, сумматоры

5, 7, вычитатели 6, 8, четыре аналого-цифровых преобразователя 9, управляемый генератор 10 импульсов, элемент 11 задержки, блок 12 памяти, цифровой индикатор 13. 3 ил. 4

1774280

10

35

ja(N1 )

Uc1 U8x1 (2) 55

Изобретение относится к электротехнике. а именно к электрическим измерениям, и предназначено для контроля разности частот двух низкочастотных синусоидальных сигналов, Известен способ контроля разности частот двух синусоидал ьных сигналов (авт. св.

СССР ¹ 1345286, кл. Н 02 J 3/06, опублик.

1987), при котором фиксируют по три мгновенных значения каждого из двух контролируемых напряжений через эталонные промежутки времени и по этим значениям определяют модуль разности частот.

Указанный способ обладает ограниченными функциональными возможностями вследствие его неработоспособности в случае, когда в момент фиксации второго мгновенного значения один из контролируемых сигналов проходит через ноль, Наиболее близким к предлагаемому по сущности и достигаемому результату является способ контроля разности частот двух синусоидальных сигналов (авт. св. СССР

¹ 1707560, кл. G 01 8 23/00, Н 02 Н 3/06, 26.07,88), при котором одновременно измеряют мгновенные значения этих сигналов, формируют эталонные промежутки времени и фиксируют следующие через них мгновенные значения первого и второго контролируемых сигналов, дополнительно сдвигают каждый из сигналов на угол л /2, измеряют мгновенные значения сдвинутых сигналов одновременно с измерением мгновенных значений контролируемых сигналов, фиксируют по два значения каждого из упомянутых. сигналов, следуюш.;.ах через эталонный промежуток времени, и по зафиксированным значениям контролируемых и сдвинутых сигналов определяют модуль разности частот.

Основной недостаток данного способа заключается в потере точности вычисления модуля разности частот при отклонении частот контролируемых напряжений от расчетных значений, т.к, в этом случае создаваемые фазосдвигающими элементами фазовые сдвиги отличаются от заданных л /2. Кроме того, указанный способ не позволяет определить знак разности частот, что ограничивает его функциональные возможности.

Цель изобретения — повышение точности и расширение функциональных возможностей способа. На фиг.1 и 2 поясняется сущность способа; на фиг.3 представлена структурная схема аналого- цифрового устройства для реализации способа, 20

Способ контроля разности частот двух синусоидальных сигналов основан на сдвиге каждого исходного сигнала в произвольнуе сторону без изменения амплитуды на установленный угол, определяемый допустимой погрешностью и быстродействием измерения, формировании первых и вторых дополнительных сигналов соответственно как суммы и разности первых исходного и сдвинутого сигналов, третьего и четвертого дополнительных сигналов как суммы и разности вторых исходного и сдвинутого сигналов и фиксации в начале и в конце эталонного промежутка времени мгновенных значений каждого из четырех дополнительных сигналов.

Разность частот определяют согласно математическому выражению

l! 0f=si)nay x) a ceo Iõ у ((l-х Щ ;

2ЛМ "

2 2 2 2 где и22 и21 и12 ин) и12и11(иг2 иг1) 22222 и„(и„- и„)- и„(и22- и„) "2 32 31) иЗ2 и31Щ tig1) М )-и (и.,-и.2) U11, U21, 0з1, U41 — мгновенные значения соответственно первого, второго, третьего, четвертого дополнительных сигналов в начале эталонного интервала времени, 012, 022, 0з2, 042 — мгновенные значения соответственно первого, второго, третьего, четвертого дополнительных сигналов в конце эталонного интервала времени;

Лт — эталонный интервал времени.

Сущность способа определения разности частот двух синусоидальных сигналов состоит в следующем, .

Предположим, что первый исходный сиНУСОИДаЛЬНЫй СИГНаЛ 0ах1 СДВИГавт На УСтановленный для заданного значения частоты си1 угол а (фиг.1а):

Операцию сдвига выполняют таким обРаЗОМ, ЧтОбЫ аМПЛИтУДЫ ИСХОДНОГО 0ах1,макс и сдвинутого Uc1,Mare сигналов на всех частотах были Равны 0вх1,макс 0с1,макс Установленное значение угла а выбирают.по двум критериям: допустимой погрешности и быстродействию измерения, Минимальная погрешность измерения обеспечивается при угле а, близком к л /2, для заданной частоты, являющейся средним значением диапазона измерения за счет выравнивания амплитуд дополнительных сигналов.

1774280 (6) 15

U1 = Ос1 + Овхl )

U2 =- Ucl Овхl, (3) 022 =

О»

U21

042 =

031

03 Ос2 + Овх2 )

U4 = Uc2 Овх2 (4) (8) U1l = Um1 Sin (t)1 t;

U21 = Огвг COS (()1 t;

U3l = О 3 sin вг t;

U41 Um4 cos вг с (5) 50 (9) 55

Максимальное быстродействие измерения достигается при угле а, близком к О, Поэтому оптимальный угол ((находится в диапазоне от 0 до л /2, а его установленное значение выбирается в зависимости оттого, 5 какой из критериев является определяющим.

Первый дополнительный сигнал 01 и второй дополнительный сигнал Uz формиру- 10

Ют ИЗ ПЕРВОГО ИСХОДНОГО Овх1 И СДВИНУТОГО по отношению к нему без изменения амплитуды на установленный угол г(сигнала Ucl по соотношениям

ПОСКОЛЬКУ аМПЛИтУДЫ СИГНаЛОВ Овх1 И 20

Ucl равны на всех частотах, дополнительные сигналы Ul u Uz всегда являются диагоналями ромба, образованного векторами

Ь

Овхl И Ос1, В СВЯЗИ С ЧЕМ УГОЛ МЕЖДУ ВЕКтОрами 01 и Uz составляетл/2 и не зависит от 25 фазового сдвига а между U»1 и U«, а следовательно, и от частоты исходного сигнала.

Сдвигая второй исходный сигнал U»z на установленный угол /) и рассуждая аналогично, получают из второго сдвинутого сиг4() нала Ucz = U«z е третий 03 и четвертый U4 дополнительные сигналы (фиг.1б):

Для произвольного момента времени t, 40 соответствующего началу эталонного интервала At, мгновенные значения дополнительных сигналов 01, 02, Оз и 04 определяются как

"ttte Um1 Um2 0(вЗ, Um4 амплитуды Соответственно первого, второго, третьего, четвертого дополнительных сигналов; г()1 и и ) — угловые частоты первого и второго сигналов.

Мгновенные значения дополнительных сигналов для момента времени (t + Л t), соответствующего концу эталонного интервала, определяюгся как г

012 =- Uml sin(((>1 t >- ((чЛ1);

U22 — Um2 COS(<()l t ((()1ЛT);

U32 =- Um3 sin(()z t + (()z Л t):

042 = Um4 cos((()г t + o)z A t).

Выражения (5), (6) образуют систему из восьми уравнений. в которых неизвестными являются O)1, 0)2 Uml, Um2, Um3 Um4 (() lA t, г()гЛт. Решение этой системы относительно г()1 и (ог выполняют в следующей последовательности.

В ВЫражЕНИяХ (6) ЗаМЕНяЮт Uml Sin Nl t, Um2 COS В1 t, 0 3 Sin Вг t, Um4 COS (()г t ИХ значениями из уравнений (5) 012 = Ul1 со$ Q)1 At +

021 Uml

В! П Ж1 Л t;

О) аг

022 = 021 COS N1 At

011 Um2

Sin e@1 A t;

m1

U32 U31 со$ (()2 At. + — sill (llz Л 1;

041 0(вЗ

Um4

04г = 041 cos (()2 Л t — sl и вг A t, U31 Um4

Um3 (7) Лз первого и третьего уравнений (7) определягот sin t()1 Лt u sjn вг (ъt и подставляют соответственно во второе и четвертое уравнения. После несложных преобразований получают

021 COS И1 At

Um2

2 (U12 U11 COSt()1 A t);

0m1

041 cos (()2 At—

Um4

2 (U32 U31 cos (()2 At).

0(вЗ

Уравнения (5), (6) разрешают относительно Um1, Um2, Оп)3 Um4:

2 2 2, 2, 0 2 011 022 021 012

Оml

022 021

2 021 012 0611 022 .

Um2

012 U Tl

2 031 042 . 041 U)2

0(вЗ

042 — 041 г 0)T 032 - 031 042

U)z — 031

В уравнении,8) Uml, Umz, Um3, Um4

2 2 2 2 заменяют их значениями из выражений (9) и разрешают относительно cos в1 At и cos г()2 A t:

1774280

2 tt >,t 2

v2t ии(и„-и,-utu, (и22-и„)

Х СО$Г2)I Л2 2 2 2 2 2 2 и,,(и,,-и,,)-и,,(и,,— и,, )

2 2 2 у=со$ г д, и„, и„;(и„-и„)-и„.и„(и„-u»)

2 2 2 2 2 и„,(и22-u»)-uÄ(uÄ- u„)

Учитывая, что Ni = 2л ) и id = 2л f2, 1

; модуль разно< ти 4acTOTIAfl =} 1 — 1г} определяется согласно выражению

}Af(= — — — — }(в1 At — г()л Aт)}=

2лЛт

}(arccosx — arcco$y) j.

Используя далее известную формулу преобразования разности двух обратных тригонометрических функций

arccosx — arccosy = +- arccos(x у+

20 того аналого-цифровых преобразователей

9, управляющие входы которых соединены с выходом управляемого генератора 10 импульсов, а выходы присоединены соответственно к информационным входам первого

61, третьего G3, пятого G5, седьмого G7 регистров памяти блока 12 памяти. Управляющие входы упомянутых регистров через элемент 11 задержки подключены к выходу управляемого генератора 10 импульсов, а их выходы — к информационным входам второго G2, четвертого G4, шестого G6, восьмого

68 регистров памяти блока 12 памяти. Управляющие входы этих регистров присоединены к выходу управляемого генератора 10 импульсов, выходы первого 61, второго G2, третьего GÇ, четвертого G4, пятого G5, шестого G6, седьмого G7, восьмого G8 регистров памяти блока 12 памяти подключены к соответствующим входам блока 13 цифровой индикации. где знак "+" берется при х < у, а знак "—" — при х у, получают окончательную формулу (1) для вычисления разности частот Л f двух синусоидальн (х сигналов.

К непосредственно используемым параметрам при вычислении разности частот по формуле(1) относятся мгновенные значения четырех дополнительных сигналов, измеренные однс временно в начале и в конце эталонного ин ервала времени, Гибридное аналого-цифровое устройство для реализации предложенного способа (фиг.З) содержит преобразователи 1, 2 напряжения, на в <оды которых подаются соответственно входные напряжения ()23х1 и

Ut;x2, фазовращатели 3, 4, сумматоры 5, 7, вычитатели 6, 8, четыре аналого-цифровых преобразователя 9, управляемый генератор

10 импульсов, элемент 11 задержки, блок 12 . памяти, состоя,ций из восьми регистров G1G8 памяти, и блок 13 цифровой индикации, включающий восемь элементов, каждый из которых представляет собой последовательно соединенные дешифратор и цифровой индикатор

Выходы преобразователей 1 и 2 напряжения подключены соответственно к входам фазовращателей 3 и 4, причем выход фазовращателя 3 соединен с первыми входами сумматс р 3 5 и вычитателя 6, на вторые входы которьх подается входное напряжение Uex1, а вы>од фазовращателя 4 соединен с первыми входами сумматора 7 и вычитателя 8, на вторые входы которых подается входно(напряжение U х2. Выходы сумматора 5, в 2читателя 6, сумматора 7 и вычитателя 8 3 3ляются входами соответственно первоп, второго, тре2ьего и четвер55 довательных импульса, которые подаются на управляющие входы аналого-цифровых преобразователей 9, управляющие входы второго G2, четвертого G4, шестого G6, восьмого G8 регистров памяти блока 12 памяти, а также на вход элемента 11 задержки.

Устройство работает следующим образом, 25 Переменные напряжения Uttx) и Uвх2, частоты которых f) и fz, поступают соответственно на входы преобразователей 1 и 2 напряжения. выполняющих также функцию гальванического разделителя цепей контро30 лируемых напряжений и цепей устройства, и преобразуются в пропорциональные напряжения с заданными амплитудными значениями, Выходное напряжение преобразователя 1 подается на вход фазовраща35 теля 3 и вторые входы сумматора 5 и вычитателя 6. На выходе фазовращателя 3 получается напряжение Uc) такой же амплитуды, как и входное, но сдвинутое по отношению к нему на установленный угол, 40 которое поступает на первые входы сумматора 5 и вычитателя 6. Аналогично выходное напряжение преобразователя 2 подается на вход фазовращателя 4 и вторые входы сумматора 7 и вычитателя 8. На выходе фазов45 ращателя 4 получается напряжение U

Ug, вычитателя 8 0 (поступают на аналого50 вые входы соответственно первого, второго, третьего, четвертого аналого-цифровых преобразователей 9, После запуска управляемый генератор 10 импульсов с интервалом At вырабатывает два после1774280

При поступлении очередного импульса единовременно запускаются все четыре аналого-цифровых преобразователя, а также производится запись содержимого первого 61, третьего 63, пятого 65, седьмого 67 регистров соответственно во второй 62, четвертый G4, шестой 66, восьмой 68 регистры блока 12 памяти. После появления импульса на выходе элемента 11 задержки, к моменту которого заканчивается процесс аналого-цифрового преобразования, цифровые коды мгновенных значений напряжений U1, 02, 0з, 04 с выходов первого, второго, третьего и четвертого аналого-цифровых преобразователей записываются соответственно в первый 61, третий G3, пятый

G5 и с. тьмой 67 регистры памяти.

После поступления с интервалом Лt двух импульсов от управляемого генератора

10 импульсов в регистрах блока 12 памяти оказываются записанными во втором 62, четвертом G4, шестом 66, восьмом 68 соответственно 011, U21, 0з1, 0ц — результаты первого измерения мгновенных значений напряжений 01, U2, 0з, 04, а в первом 61, третьем G3, пятом 65, седьмом 67 регистрах — соответственно 012, 022, 0з2, U42— результаты второго измерения мгновенных значений этих напряжений.

Эти результаты с выходов всех регистров блока 12 памяти поступают на соответствующие входы блока 13 цифровой индикации, По результатам цифровой индикации мгновенных значений 011, 021, 0з1, 041, U12, 022, U32, U42 напряжений с использованием выражения (1) определяют разность частот контролируемых напряжений, Использование изобретения позволяет по сравнению с прототипом повысить точность определения частот двух синусоидальных сигналов и расширить функциональные возможности способа.

Изобретение может быть использовано для построения быстродействующих измерительных органов разности частот устройств релейной защиты и автоматики энергосистем и реализовано с помощью известных решающих элементов, выполненных на базе микроэлектронной техники.

pc=Siyrl(y-X) ((l ccOS,x y+((l-х )(1-)г), 2ЛМ

2 г г г где гг гДг-У„)-01гУ„(Угг "г1, г 2 г г г г

v2 (u 2-и,)- v11(v22- uB ) г 2 г г юг 41 3г ugly ) Зг v31 v()g 41 ) г 2 г г г г Ц("Д i2 "31(gl ) 30

40 011, 021, 0з1, 041 — мгновенные значения соответственно первого, второго, третьего, четвертого дополнительных сигналов в начале эталонного интервала времени;

012, 022, 032, U42 — мгновенные значения

45 соответственно первого, второго, третьего, четвертого дополнительных сигналов в конце эталонного интервала времени;

Лt — эталонный интервал времени.

Формула изобретения

Способ контроля разности частот двух синусоидальных сигналов, основанный на одновременном измерении в начале и в кон5 це эталонного интервала времени мгновенных значений двух пар синусоидальных сигналов, сдвинутых по фазе в каждой паре на угол гг/2, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения

10 функциональных возможностей способа, из первого и второго исходных сигналов путем сдвига последних в произвольную сторону без изменения амплитуд на установленные углы, ойределяемые допустимой погрешно15 стью и быстродействием измерения, получают соответственно первый и второй сдвинутые сигналы,. формируют первый и второй дополнительные сигналы соответственно как сумму и разность первых исход20 ного и сдвинутого сигналов, а также третий и четвертый дополнительные сигналы соответственно как сумму и разность вторых исходного и сдвинутого сигналов, фиксируют взятые через эталонный интервал времени

25 по два мгновенных значения каждого из четырех дополнительных сигналов, а разность частот Л f on редел я ют согласно математическому выражению:

Фиг. 1

Фиг. 2

Составитель Ф.Роман!ок

Редактор Т.Юрчикова Техред M.Mîðãåíòàë Корректор П, Гереши

Заказ 3925 Тираж Подписное

ВНИИП!л

П!4 Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент". r, Ужгород, л.Гага ин, 101