Способ определения угла сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР . (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

: К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ, (21) 4807167/21, (22) 22.01.90

,(46) 30.08,93. Бюл. N - 32

: . (71) Ленинградское научно-производствен: ное обьединение "Гранит", (72) IO.О,Штеренберг и Б.В,Козловский (56) 1, Вишенчук И.М., Котюк Ф.А., Мизик .:Л.Л. Электромеханические lt электронные

; фаэомеры, М. — Л„ГЭИ, 1962.

2. Смирнов П,Т. Цифровь.о фазометры

Л., Энергия, 1971.

3. Авторское свидетельство СССР

-,: К. 1366968, кл. G 01 R 25/00, 1988.

4. Авторское свидетельство СССР ,:: N- 651268, кл. G 01 В 25/00, 1979.

5. Атамалян Э.Г. Приборы и методы из1мерения электрических величин, с, 270-172, .IM. Высшая школа, 1989, 6. Авторское свидетельство СССР

jN - 1408383, кл. G 01 Я 25/00; 1988.

54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА СДВИГА ФАЗ МЕЖДУ ДВУМЯ ГАРМОНИ IECI;I4 И СИГНАЛАМИ

57) Изобретение может быть использовано при создании цифровых фазометров для из мерения или контроля угла сдвига фаэ ме>кИзобретение относится к измерительой технике и может быть использовано и ри оэдании цифровых фазометров для измеения или контроля угла сдвига фаз между а тмоническими сигналами, в том числе выокочастотн ыми.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерения.. Ы,„, 1837241 А1 ду гармоническими си налами. Целью изобрегения являегся повышение точности и быс родейсгвия и расширение области применения. Способ заключается в определении моментов нуль-переходов путем последовательно-попарного измерения и запоминания текущих и предшествующих значок ий Х и Y первого и второго сигналов, смещснньгх на ингервал квантования Л. определения иденгичнос и знаков каждой последней пары значений, фиксации значения первого сигнала до X) и после Xg изменения знака и следу1ощих за ними значений второго сигнала до У1 и после У2 изменения знака формирования интервала времени между нуль-переходами, измерении его подсчетом исла I интервалов квантования между зафиксированными текущими значениями первого и второго сигналов, измерении периода сигналов и определении знака сдвига фаз пугем определения последовательносги изменения знаков зафиксированных значений соответственно первого и второго сигналов и определяют фазовый сдвиг по приведенной формуле. 2 ил. фазового сдвига и расширение области применения.

Сущность изобретения заключается в том, что искомый интервал времени, пропорциональный сдвигу фаз, измеряют как интервал времени, определяемый числом интервалов квантования исследуемых сигналов между ближайшими значениями пер1837241

360 ((и" + 35

poсн

„— Ä<„ lY" I -!Уг! )—

2 Yz l + I Yz i

Л Ill — !Хг! 40

2 (! т 1! + !Чг! (1) 360Л +1(IYil — !Уг!

Т 2 IYt + IYzl!

X>I — !Хг (Х1! + !Хг! где Т вЂ” период колебаний гармонических сигналов;

Л- интервал квантования; пх — число интервалов квантования (от начала измерения) до цемента эафиксиро«анного текущего отсчета первого сигнала; ! - число интервалов квантования между зафиксированными текущими отсчетами сигналов.

Зафиксированные последовательности изменения знаков первого и второго сигнавого и второго сигчалов после изменения их знаков и уточняемый измеренными модулями значений квантованных по времени сигналов непосредственно до и после изменения их знаков. При этом, как показано ниже, для обеспечения аналогичной точности, частота квантования сигналов на два порядка ниже образцовой частоты 4, Кроме того, по последовательности изменения знаков первого и второго сигналов определяют диапазон фазового сдвига: от 0 до 180 или от 180 до 360О. Для реализации способа запоминают текущие и предшествующие отсчеты сигналов и сравнцрают знаки этих отсчетов. При равенстве знаков информацию о предшествующих отсчетах замещают информацией о текущих отсчетах и т.д. При изменении знака текущего отсчета первого сигнала фиксируют пару соответствующих отсчетов этого сигнала и момент текущего 20 отсчета. Далее. фиксируют первую по времени после изменения знака первого сигнала пару отсчетов второго сигнала, имеющих разные знаки, и момент соответствующего текущего отсчета. Полученной информации, 2Б после определения модулей зафиксированных значений сигналов. достаточно для Определения с любой априорно заданной точностью интервала времени tyix между моментами перехода сигналами через ну- 30 левой уровень и, соответственно, угла сдвига фаэ лов (с "+" на "-" или наоборот) flslgnX u

Пз!опУ подвергаются сравнению. Если последовательности одинаковы, то фазовый сдвиг находится в диапазоне до 180О, если разные, то в диапазоне от 180 до 360О. В этом случае к результату измерения роса, полученному в соответствии с (1), добавляется ф>п 180, Определение величины формализуется следующим образом; одоп = 180(Пз!9пХЛПЗ!япУЧ tlsig nX Л IlsignY), (2) где последовательностям изменения знаков присваивается значение логической переменной, например, по правилу

Пз!цп0 = 1 при изменении знака с "-" на н+н

flsIgnU =0 при изменении знака с "+" на н и

На фиг.1 представлена блок-схема варианта устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 — расчетные кривые, иллюстрирующие эффективность предлагаемого способа.

На фиг,1 обозначены:

1 — первый квантователь (Koi), 2 — второй квантователь(Квг), 3 — генератор тактовых импульсов (ГТИ), 4 — иэмерительно-вычислительный блок (И В В).

Устройство работает следующим образом. Входы Х и Y устройств, являющиеся первыми входами квантователей 1 и 2, подключаются к первому Х и второму Y гармоническим сигналам соответственно.

Источник входных сигналов — генератор синусоидальных колебаний — в принципе не входит всостав устройства,,однако информация о текущем значении периода Т колебаний испытательной частоты имеется и вводится через первый вход в ИВБ 4. Генератор 3 вырабатывает тактовые импульсы,. которые поступают на вторые входы квантователей 1 и 2 и на третий вход ИВВ 4. Тактовые импульсы вырабатываются через заданный интервал Л, информация о величине которого поступает со второго выхода

ГТИ на четвертый вход ИВБ. Квантованные сигналы Х{К) и Y(K) поступают с квантователей на второй и пятый входы ИВБ соответственно. В иэмерительно-вычислительном блоке постоянно хранится информация о двух последних отсчетах каждого сигнала с замещением на каждом такте предшествующего отсчета текущим. В нем >ке производится определение и сравнение знаков двух последних отсчетов для каждого сигнала. В момент квантования, когда знак текущего отсчета сигнала X первый раз после включе5

1837241

; :: ния устройства в режим измерения не сов падет со знаком предыдущего отсчета, про изводится фиксирование этой пары, : отсчетов и порядкового номера текущего от, . счета. Аналогичным образом выполняются, операции фиксирования отсчетов сигнала

: Y, но непосредственно после изменения

, ::знака сигнала Х, и определяется прираще, .ние порядкового номера текущего отсчета

, ::при изменении знака сигнала по отноше, нию к текущему отсчету при изменении зна; ка сигнала Х, После определения модулей

: значений зафиксированных отсчетов в бло ке 4 производится вычисление основного

; значения сдвига фаз сигналов. Кроме того, ;: в блоке 4 определяется, запоминается и !

,сравнивается последовательность измене,.: ния знаков сигналоо Х и Y и при розных

,:последовательностях изменения знака к ос-! новному значению фазового сдвига добав ляется 180О, Положительный эффект от использова, : ния предлагаемого способа может быть оце нен следующим образом. Единственной . :: методической ошибкой предлагаемого спо:: соба является ошибка уточнения интервала, времени между пересечениями нулевого ,::уровня (добавки к числу интервалов кванто, вания I), определяющаяся ошибкой аппрок.: симации синусоиды (на участках,,: примыкающих к его нулевому значению) ,:: прямой линией. В силу того, что указанный

;интервал уточняется с двух сторон суммар:: ную максимально возможную ошибку опре,:деляем путем увеличения максимальной . ошибки с одной стороны в V2 ðàç. На фиг.2 ,, кривая 1 отображает зависимость числа от:,счетов на период испытательной частоты . :: Т () от максимально возможной ошибки ап проксимации. Отметим, что даже при шести квантованиях ila период ошибка измерения, не превышает 1,5О. а при десяти — всего лишь 0,3О. Кривая 2 показывает во сколько раэ должна быть выше частота квантования в способах, основанных на цифровом коди.ровании оременйых интервалов, пропорци1 опальных фаэооому сдвигу, по отношению к частоте квантооания предлагаемого спосо ба при одних и тех же максимальных ошиб-! ках (максимальная ошибка в этих способах ! ,оценивается величиной — 360). Так при

Д

Т максимально допустимой ошибке измерения фазового сдвига в 0,3 использооание предлагаемого способа позволяет снизить астоту квантования в 120 раз. Очевидно, то указанный эффект тем более значите ен, чем более высокочастотен испытательый сигнал и чем выше требования к

К—

1 деизм <

Для способа-прототипа при изб = mT u

15,) 360 Д„

m Т

360 Д

20 (3) Для предлагаемого способа ти» = Т и д (выражение для д получе1,7 Д

1 — 4,4-Г

25 но в результате аппроксимации кривой 1 фиг.2) 1 — 4,4—

Д

Т изобр — 1 7 д (4) Из сопоставления (3) и (4) следует, что при 4,5 коэффициент Kmo6p. > Карат. а

T ))

Т при ) 10 это превышение оценивается в

Ъ один — два порядка. Столь существенное снижение потребной частоты квантования и повышение точности позволяет расширить

40 область применения способа и, в частности, реализовать цифровые многоканальные фазометры, измеряющие одновременно фаэовые сдвиги нескольких гармонических сигналов.

Таким образом, техническим преимуществом предлагаемого способа является повышение точности и быстродействия, связанные с исключением ошибки непос50 редстоенной фиксации моментов прохождения сигналами нулевого уровня и возможностью точного измерения интервала времени между этими моментами при весьма низком (исчисляемом единицами)

5- числе коантований выходного сигнала на период колебаний испытательного сигнала, Указанные преимущества позволяют расширить применение предлагаемого способа для исслвдоаания аысокочастотных сигналоа, а такжа для 04ноарамэнного оп точности. Способ-прототип тоже позволяет . повысить точность отсчета в заданное гп раз. Однако, как отмечено выше, это связано с одновременным увеличением времени

5 измерения. Представляет интерес сравнить способы по критерию качества, определяемому обратной величиной от произведения времени измерения на соответствующую ошибку, т..е.

1837241 ределения фазового сдвига нескольких сигналов одновременно.

Формула изобретения

Способ определения угла сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами, заключающийся в том, что определяют моменты перехода сигналами нулевого уровня, формируют интервал времени между ними, измеряют его, измеряют период входных сип алов и определяют знак сдвига фаз, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродзйствия, последовательно попарно измеряют и запоминают текущие и предшествующие значения первого Х и второго Y сигналов, смещенных на интервал квантования Л, определяют идентичность знаков каждой последней пары значений, фиксируют значения первого сигнала до Х1 и после Xg изменения знака и следующие.за ними значения втОрого сигнала до У> и после У изменения знака, подсчитывают число I интервалов квантования между зафиксированными текущими эначениями первого и второго сигналов, определяют последовательность изменения знаков зафиксированных значений соответственно первого и второго сигналов, и определяют

5 фазовый сдвиг между сигналами по формуле

lY l — 1У

1У1! + 1У21 р =180(— (2l

10

IXI I — Х2 l

+ I Пз!цпХ Л Пз!9пУ Ч

V Пз!цпХ ЛПз!цп Y), 15 где Т вЂ” период колебаний гармонических сигналов; . Пз!цп0 — последовательность изменения знака сигнала U;

20 причем flslgnU = 1 при изменении знака с

"-" на "+", HslgnU - 0 при изменении знака с "+" на"-", 1837241

Составитель А. Старостина

Редактор М. Кузнецова Техред M.Mîðlåíòàë Корректор р. Гереши

Заказ 2863 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101