Способ определения знака разности фаз двух синусоидальных сигналов
Использование: обработка информации в прецизионных измерениях для сигналов, изменяющихся в широком амплитудном.и частотном диапазонах. Сущность изобретения: делят два исследуемых сигнала друг нч друга, а о знаке разности фаз судят по характеру изменения функции-частотного ни временном интервале, не превышающем по длительности 1/2 периода сигнала-делителя . 7 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ, РЕСПУБЛИК (l9) (1 1) (я)ю G 01 R 25/00
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) и я и и гт«г Jt кк м
L (,= Л.,:, цл."л1л.:у )мц.!:ц;"б
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
1 (21) 4926934/2 I (22) 08,04.91 (46) 23.12.92, Бюл. N. 47 (71) Научно-исследовательский институт импульсн9Й техники (72) Б.Г.Келехсаев(73) Б.Г.Келехсаев (56) Авторское свидетельство СССР
N 1138760, кл G"01 P 25/00.
Авторское свидетельство СССР
N. 1503025, кл. G 01 P 25/00.
Авторское свидетельство СССР
N 1503026, кл. G 01 P 25/00, Физический энциклопедический словарь./Под редакцией. Прохорова А,М, — М.:
Сов. энциклопедия. 1983, с. 349.
Авторское свидетельство СССР
N. 143146, кл. G 01 P 25/00, Авторское свидетельство СССР
N 168796, кл. 3 01 Р 25/00..
Изобретечие относится к области измерительной техники, в частности к способам определения знака разности фаз двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одной частоты и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устров1ствах, обеспечивающих с приемлемой точностью определение знака относительно малых фазовых сдвигов между сигналами инфранизкочастотного диапа зона, при этом амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах Известны различные способы определения сдвига фаз, которые позволяют также определить и знак разности фаз, Эти способы характери2 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАКА РАЗНОСТИ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ
СИГНАЛОВ (57) Использование; обработка информации в прецизионных измерениях для сигналов, изменяющихся "в Широком амплитудном и частотном диапазонах. Сущность изобретения: делят два.исследуемых сигнала друг на друга, а о знаке разности фаз судят по характеру измегненйя функции-частотного н». временном интервале, не превышающем по длительности 1/2 периода сигнала-делителя. 7 ил. зуются значительной сложностью из-за большого количества операций, заключаю- 4 щихся в формировании дополнительных им- С) пульсов в определейные моменты времени, 43 сравнении временных интервалов, введении коэффициентов модуляции, корреляции и т.п. Кроме значительной сложности этих способов возникает погреш настя определения знака разности фаз при малых абсолютных значениях разности фаз, мэлой амплитуде хотя бы одного из сигналов и в инфранизкочастотной области измерений.
В указанных условиях погрешность определения знака разности фаз становится значительной из-за того, что на инфранизких частотах существенно уменьшается ско1784099 рость изм ость изменения сигналов и время срабаты- пластины ЭЛТ из одного из сигналов форвания пороговых устройств становится не- мируют пикообразные импульсы и также однозначным, причем эта неоднозначность подают их на отклоняющие пластины ЭЛТ. еще больше возрастает при малых значени- На экране осциллографа образуется амплиях амплитуд (или амплитуды хотя бы одного 5 тудная отметка, по положению которой на из сигналов) и малых разностях фаз, при оси ординат судят о знаке фазового сдвига. этом длительности формируемых дополни- Этому способу свойственны те >ке недотельных импульсов имеют значительный статки, что и способу(5), то есть при малых разброс, что в целом увеличивает погреш- абсолютных значениях разности фаз, инфность измерения знака разности фаз. 10 ранизких частотах и малых амплитудах сигИзвестны более простые осциллографи- налов погрешность определения знака ческие способы определения знака разно- разности фаз значительно возрастает. сти фаз. Все эти способы основаны на Целью изобретения является уменьшеформировании фигур Лиссажу на экране ос- ние погрешности определения знака разноциллографа и по качественной оценке рас- 15 сти фаз при малых абсолютных значениях положения фигуры на экране судят о знаке разности фаз и в области инфранизких часразности фазы между исследуемыми сигна- тот. лами, В способе иследуемые сигналы под- указанная цель в способе определения ают каждый на свою пару отклоняющих знака разности фаз двух синусоидальных пластин. Определение знака разности фаз 20 сигналов, в соответствии с которым осущепри малых абсолютных значениях разности ствляют взаимодействие исследуемых сигфаз >> из-за конечной разрезающей спо- налов, а знак разности фаз определяют собности осциллографа, определяемой ши- путем качественной оценки результатов риной луча затруднено, к тому>ке при малом этого взаимодействия, достигается тем, что значении амплитуды хотя бы одного из сиг- 25 один исследуемый сигнал делят на другой, налов регистрация исследуемых напря>ке- региструют сигнал-частное, выбирают, по ний будет осуществляться на нелинейном, крайней мере; два значения сигнала-частноучастке отклоняющего напря>кения, кроме ro на временном интервале, расположен.того; погрешность регистрации исследуе- ном в пределах половины любого периода мых сигналов и соответственно определе- 30 сигнала-делителя и не превышающем по ние знака р с помощью осциллографа .длительности этот полупериод, таким обравозрастает в инфранизкочастотном диапа- зом, чтобы в пределах этого интервала два зоне из-за ограниченности частотнотного выбранных значения сигнала-частного разазона осциллографа, личались между собой по величине больше
В способе уменьшена погрешность on- 35 возможной погрешности сравнения этих .ределения знака разности фаз за счет фор- значений, и определя1от знак разности фаэ мирования иэ одного из сигналов сигналов делимого и делителя как положипикообразных импульсов и подачи их на тельный, когда значениесигнала-частного в модулирующий электрод электронно-луче- начале выбранного временного интервала в вой трубки (ЭЛТ). На экране ЭЛТ будет вы- 40 направлении оси времени больше значения свечена точка, по знаку ординаты которой этого сигнала в конце выбранного интервасудято знаке разности фаз . Однако положе- ла, а.при обратном соотношении аналогичние этойточки будет неопределено при сиг- ных величин сигнала-частного — как налах малой амплитуды и инфранизких отрицательный знак разности сдвига фаз частот, так как формирование пикообраз- 45 между сигналами делимого и делителя. ных импульсов в этом случае представляет Фиг.1 — 7 иллюстрируют предлагаемый определенные сложности, погрешность on- способ, ределения знака разности фаз еще более Существо изобретения заключается в возрастет для малых. абсолютных значений том, что совершив простейшее действие над у о из-за ограниченной разрешающей спо- 50 исследуемыми сигналами — деление их друг собности осциллографа.. на друга, можно однозначно определить
Наиболее близким техническим реше- знак разности фазы сигналов по характеру нием к заявляемому по достигаемому эф- изменениявременнойэависимости-сигнафекту является способ определения знака ла-частного от деления исследуемых сигнаразности фаз, который обеспечивает точ- 55 Aoв на полупериоде сигнала-делителя, "йМть опрбделейия этого знака не хуже, чем причем в области малых значений rp или (5), но более простыми средствами. >о - =+и характер этого изменения выраВ соответствии с этим способом иссле- >кен четко и никак не зависит от частоты дуемые сигналы подают на отклоняющие сип- алов, 1784099
Заявителю неизвестно техническое решение со сходными признаками, на основании чего можно сделать заключение о существенности отличий заявляемого технического решения. Возможность определения знака разности фаз поясняется графиками функций. частного, приведенными на чертежах. При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное представляет собой функА sin вс+ цию времени f(tj —... где
В sin (сО t + pz)
В За(аС+дц) ФО, р1 и а-фазыдвухисследуемых сигналов, а разность фаз между ними+ро — pt — щ (для р> >рг). Функция
f(t) будет также периодической функцией, но при этом в точках временной оси, соответствующих полупериоду сигнала-делителя функция f(t) будет принимать бесконечные значения (тигонометрические выкладки, позволяющие представить f(t) в виде простой аналитической зависимости, приведены в приложении).
На фиг. 1а, б представлены функции f(t) для + po (pt > f2) и для — po (pi
Характер зависимости f(t) как для положительного, так и для отрицательного знака разности сдвига фаз сохраняется при любых соотношениях К=А/В и значениях разности фаз ро.
Так на фиг. 1а, б представлены зависимости f(t) для ро =л/2 и А=В, f(t) пересекает интервал полупериода сигнала-делителя (t ttg) пересекает интервал полупериода сигнала-делителя (tt-тг) в его середине в точке to.
На фиг.2а, б представлены зависимости
f(t) соответственно для р, =0 (синфазные сигналы) и ф, = Ï (противофазные сигналы) для ро>0 и А=В. Как видно из этих графиков, точка to пересечения их с временной осью смещается от начала интервала Мг (фиг.2а) к его концу(фиг. 26).
При значительных различиях А и В изменяется скорость нарастания (убывания) зависимости f(t). На фиг. За, 6 (для po > О) представлены зависимости для К=А/В>1 и для К<1, соотвественно, (вид зависимости
f(t) для po < О и К>1 представлены на фиг.За пунктиром).
Таким образом, при самых различных сочетаниях параметров исследуемых сигна5 лов характер зависимостей f(t) для + p, и - Р сохраняется на всем полупериоде сиг- нала-делителя: убывание функции f(t) на интервале tt-t2 для + po и возрастание этой функции на этом интервале для - р,, причем
"0 даже при визуальном анализе на указанном интервале могут быть выбраны значения функции f(t) значительно различающиеся между собой, так что разность между этими значениями будет превышать разрешаю"5 щую способность выбранного способа определения, т.е. будет больше. возможной ошибки определения.
Заключение о знаке разности фаз может быть сделано по характеру изменения функции f(t) и на более коротком, чем 4 t2, временном интервале.
На полупериоде сигнала-делителя, в пределах которого изменяется функция f(t), для любых вариантов соотношения параметров исследуемых всегда может быть выделен временной интервал, где значения . функции f(t) будут либо убывать в направлении временной оси для+ ро либо возрастать
30 — для - po.
На фиг. 4 — 6 приведены зависимости f(t) для различных вариантов параметров исследуемых сигналов; синфазные -4а, 5а, 6а, б, противофазные 4б. 56, а также для различных значений сдвига фаз (po) и коэффиента
К=А/В.
Ка к видно из графиков фи г. 4 — 6 достаточно анализировать значения функций f(t), имеющих либо положительные, либо отрицательные (4б) значения, чтобы определить знак разности фаз исследуемых сигналов.
Вре.ленной интервал для определения знака разности фаз должен быть выбран таким образом, чтобы на нем можно было выделить два значения функций ф1; и фг), удовлетворяющих требованию: Г(т1(-f(tzjl= !
Лfl д, где д — погрешность метода, примененного оператором для сравнения двух величин.
При этом непосредственное измерение значений f(t) проводить необязательно, так как достаточно определить характер изменения функции 1(т) на выбранном временно л интервале. В частности при значениях
lpoI =-О» IpoI = П на участке изменения функции f(t) будут интервалы с резко выраженным градиентом df/dt (в начале и в конце интервала, фиг. 4а, б), так что здесь не требуется, конкретного измерения, как для плавно изменяющейся функции (в середине
1784099 интервала), а достаточно визуальной оценки характера изменения функции 1() на интервале с большим градиентом изменения.
Количественная оценка воэможностей предлагаемого способа была проведена как путем осциллографирования исследуемых сигналов, так и на компьютере. В перрвом варианте устройство для реализации способа (фиг,7) содержит блок делителя 1 и осциллограф 2, вход которого подключен к выходу делителя 1, а на два входа последнего подают синусоидальные сигналы ф) и y(t). В качестве блока деления был использован цифровой вольтметр В7-23, работающий в режиме блока деления, и выбран осциллогра.ф марки С1-83.
Сигналы x(t) и у() имели частоту f=0,2 Гц и амплитуду, соответственно, Х=200 мВ и
Y=20 мВ, Сдвиг фаэ между сигналами задавался с помощью фозосдпигающей BC-цепи, а сами сигналы формировались из синусоидального сигнала с выхода генератора типа Г3-11,0, выходная амплитуда сигнала U=2 10 мБ делилось в l0 и в 100 раэ, соответственно. На фиг, 5а,б приведены результаты определения знака для! ppf = 0,6, на фиг. ба, б — для I ppI-= б0 .
По второму варианту способ был промоделирован на компьютере I!3M РС/AT, Синусоидальные сигналы с частотой f=0,2 Гц при частоте дискретизации 200 Гц и амплитудами с условными единицами A=2 10 и
В=2 10 моделировались с помощью ком 3 пьютера со значениями разности фаз, которые задавал оператор. В соответствии с программой компьютер делил сигналы, и оператор выбирал на экране дисплея удобный для оценки характера изменения функции f(t) временной интервал. Графики имели вид типа представленных на фиг.4 — 6. и ализ большого количества графиков для различных сочетаний параметров Ipol, К и частоты показал, что знак разности фаз четко определялся и при малых значениях разности фаэ вплоть до Ippt < 0,01О, что практически еще возможно при физических измерениях, при этом диапазон частот не имел значения и в инфранизкочастотной области составлял десятые доли Гц.
Один иэ лучших на сегодня цифровой фаэометр Ф2-34 позволяет определять и знак разности фаз, но гарантирует возможность определения до значений Ip> I = 0,2 на частоте не ниже 1 Гц. Эффект определения знака разности фаэ столь малой величины а области инфранизкочастотных колебаний и при малой величине хотя бы одного из сигналов достигается за счет того, что в способе не используется, как в других
55 тервала два выбранных значения сигналачастного различались между собой по величине не меньше ошибки выбранного метода сравнения величин этих значений. и определяют знак разности фаз сигналов делимого и делителя как положительный, когда значение сигнала-частного в начале выбранного временного интервала в направлении оси времени больше значения этого сигнала в конце выбранного интервала, а при обратном соотношении аналогичных величин сигнала-частного — как отрицательный знак разности сдвига фаз между сигналами делимого и делителя. известных способах (1 — 3), ряд операций, являющихся источником погрешностей: измерение моментов времени пересечения сигналами уровня опорного напряжения, сравнение длител ьн остей сформирован и ых импульсов, моделирование и пр.
Предлагаемйй способ имеет большое значение по своей простоте и надежности при проведении физических эксперименTQ0, сопровождаемых сейсмическими явлениями, когда исследуемыми сигналами являются электрические аналоги сейсмических колебаний инфраниэкочастотного диапазона, преобразуемых датчиками в многоканальной системе измерения, при этом идентификация типов волн осуществляется, в основном, не по частоте, а по фазе. и воэможность различать по фазе и знаку разности фаэ сигналы близкие по фазе или
20 различающиеся на 180 увеличивает надежность идентификации, тем более, что сигналы регистрируются относительно редко и достоверность обрабатываемой информации имеет большое значение.
Формула изобретения
Способ определения знака разности фаз двух синусоидальных сигналов, в соответствии с которым осуществляют взаимодействие исследуемых сигналов, а знак разности фаз определяют путем качественной оценки результатов этого взаимодействия, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности определения зна35 ка разности фаз при малых или близких к
180 абсолютных значениях этой разности и в области инфранизких частот, величины одного исследуемого сигнала делят на величины другого; регистрируют сигнал-частное, выбирают, по крайней мере, два значения сигнала-частного на временном интервале, расположенном в пределах половины любого периода сигнала-делителя и не превышающем по длительности этот полупериод, 45 таким образом, чтобы в пределах этого ин1784099
1784099
Фие.5
1ЮО
ИЮ
Фиг. б
Фиа 7
Составитель Б.Келехсаев
Техред М,Моргентал, Корректор С.Пекарь
Редактор Т,Иванова
Заказ 4529 Тираж Подписное
ВНИИПИ "îñóäàðñòâåííîãî комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул, Гагарина, 101
