Способ определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов
Использование: измерительная техника , определение синфазности и противофазности двух гармонических колебаний ./ одной частоты. Сущность изобретения: совершив простейшее действие над исследуемыми сигналами - деление их величин друг на друга, определяют синфазность и противофазность, когда модуль экстремального значения сигнала-частного на полупериоде сигнала-делителя не отличается от модуля любого другого значения сигнала-частного внутри рассматриваемого полупериодз на величину больше ошибки метода сравнения . 3 ил.
(я)5 G 01 R 25/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
Ь3
О
C) .C) ,Ql
О !
C) Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5044766/21 (22) 28.05.92 (46) 07,09.93. Бюл. N 33 — 36 (76) Келехсаев Б. Г. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ (57) Использование: измерительная техника, определение синфаэности и противофазности двух гармонических колебаний
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения соотношений фаэ, в частности к способам определения синфазности и противофаэности двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одной частоты, и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устройствах инфранизкочастотного диапазона, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и изменяться в широких пределах.
Известны различные способы определения соотношений фаэ двух синусоидальных сигналов при измерении их разности фаэ. Эти способы характеризуются значительной сложностью из-за большого количества операций, заключающихся в формировании дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнении временных интервалов. введении коэффициентов модуляции, корреляции и т, и.
Кроме значительной сложности этих oilocoбов возникает погрешность определения
„„ЯЫ „„2000580 С одной частоты. Сущность изобретения: совершив простейшее действие над исследуемыми сигналами — деление их величин друг на друга, определяют синфаэность и противофазность, когда модуль экстремального значения сигнала-частного на полупериоде сигнала-делителя не отличается от модуля любого другого значения сигнала-частного внутри рассматриваемого полупериода на величину больше ошибки метода сравнения. 3 Nfl. синфазности и противофазности при малой амплитуде хотя бы одного из сигналов, особенно в инфранизкочастотной области измерений, причем эта погрешность становится значительной иэ-за того, что на инфранизких частотах существенно уменьшается скорость изменения сигналов и время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным. причем эта неоднозначность еще больше возрастает при малых значениях амплитуд (или амплитуды хотя бы одного из сигналов).
Известны более простые осциллографические способы определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов. Эти способы основаны на использовании отклоняющих пластин осциллографа, когда по определенному положению лучевой метки на экране осциллографа судят о знаке разности фаэ исследуемых сигналов.
В способе исследуемые сигналы подают каждый на свою пару отклоняющих пластин, Определение синфазности и противофазмости по фигурам Лиссажу из-за конечной раз2000580 решающей способности осциллографа, определяемой шириной луча, затруднено, к тому же при малом значении амплитуды хотя бы одного из сигналов регистрация исследуемых напряжений будет осуществляться на нелинейном участке отклоняющего напряжения. Кроме того, погрешность регистрации исследуемых сигналов с помощью осциллографа возрастает в инфранизкочастотном диапазоне из-эа трудностей количественных оценок измерений.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ, в соответствии с которым исследуемые сигналы подают на отклоняющие пластины ЭЛТ, из одного из сигналов формируют пикообраэные импульсы и также подают их на отклоняющие пластины ЭЛТ. На экране осциллографа образуется амплитудная отметка, по положению которой на оси ординат можно судить о параметрах сигналов.
Этому способу свойственны те же недостатки, что и известным то есть на инфранизких частотах и при малых амплитудах сигналов погрешность определения параметров сигналов сильно возрастает. Кроме того, этот способ не позволяет определить синфаэность и противофазность сигналов, Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.
Цель в способе определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, в соответствии с которым осуществляют взаимодействие исследуемых сигналов. а о соотношении фаз судят по качественной оценке результатов этого взаимодействия, достигается тем, что 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, причем одно из значений сигнала-частного выбирают экстремальным, и определяют синфазность и противофазность сигналов делимого и делителя по отсутствию различий между экстремальной величиной сигнала-частного и любой другой его величиной внутри исследуемого полупериода сигналаделителя.
При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное представляет собой функцию времени
f (t ) =(A sin (иt + F> ))/
/(В sin (иt+ Fz ) ), (1) где В sin (ur t + Fg ) О: Fi u Fz — фазы двух исследуемых сигналов;
А и B — амплитуды исследуемых колебаний.
Функция f(t) будет периодической прерывной функцией. и по виду напоминает функции тангенсов или котангенсов.
В случае F 1>Fg, Fg=0 выражение {1) можно записать следующим образом для
К ) 0,0 < F, л/2 и К (О, л /2 < Fp л
f (t ) = К(cos Fp + sin Fp
15 (2) ctg (2 л 1/Т ) ), где Т- 2 л/и; Fp — разность фаз между исследуемыми колебаниями.
А в случае F2>Fl, Ft-О можно впИсать для К ) О, -л/2 < Fp < О и
К<0,— z f(t)=К(1 /(соз Fp+з!n Fp ctg(2 л t/Т)) (3) (а) f(t)=(K+ К (0/tg иt)) К f(t)=K/(1+ О сщ(2 л t/T))=K (5) Положив Fp=- + +180 (условие противофаэности), будем иметь значения slnFp=0; 40 cosFp= 1. Подставляя их в выражения (2) и (3), получим соответственно: f(t)g-Ê+ К (О/tg и t))= -К (6) f(t)-К/(— 1+ О ctg 2 л t/Т)= -К (7) Следовательно, в случае синфазности и противофазности получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению + К, то есть f(t)= + К. При малых отклонениях от идеальной синфазности и противофазности к полученным значениям + К будет добавляться значение, образованное из вторых слагаемых, заключенных в квадратные скобки выражений (4) — (7), в которых вместо нуля подставляются значения sin Fp. Так как значения tg or t u ctg u t рассматриваются на интервале полупериода сигнала-делителя, то есть О or t<180, то значения слагаемых, которые прибавляются Положив Fp-О (условие синфазности), 30 будем иметь значения sin Fp=0; cos Fp-1, Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получим соответственно: 2000580 10 20 или вычитаются из значений + К выражений (4К7), будут максимальны по абсолютной величине в начале и в конце раСсматриваемого полупериода, Таким образом, при малых отклонениях от синфазности и противофазности двух синусоидальных сигналов значения функции f(t) сигнала — частного в начале или конце ка3кдого рассматриваемого полупериода будут дтклоняться от значения + К. А экстремальное значение сигнала-частного (максимальное или минимальное) в сравнении с любым другим на данном интервале енутри рассматриваемого полупериода будет указывать на синфэзность и противофазность при отсутствии различий между собой с учетом ошибки выбранного метода сравнения. Количественная оценка возможностей предлагаемого способа была проведена путем осциллографироваиия исследуемых сигналов и с помощью компьютера. В первом варианте устройство для реализации способа (фиг. 1) содержит блок 1 деления и осциллограф 2, вход которого подключен к выходу блока 1 деления. а на два входа последнего подают синусоидальные сигналы Ох(т) и Uy(t). В качестве блока деления был использован цифровой вольтметр В7-23, работающий в режиме деления, и выбран осциллограф типа Π— 83, Сигналы Щ1) и Оу(1) имели частоты f-0.2 Гц и амплитуду соответственно О -200 мВ и U 20 мВ. Сдвиг фаз между сигналами задавался с помощью фазосдвигающей RC-цепи, а сами сигналы формировались иэ синусоидального сигнала с выхода генератора типа ГЗ110, выходная амплитуда сигнала U-2 10 мВ делилась в 10 и в 100 раз соответственно. По второму варианту способ был проверен на компьютере 18М PC-AT. Синусоидальные сигналы с частотой f-0,2 Гц, и менее при частоте дискретизации 200 Гц и амплитудами с условными единицами А-2х х10 и В-2 10 моделировались с помощью компьютера со значениями разности фаэ. которые задавал оператор. В соответствии с программой компьютер делил сигналы, и на экране дисплея оператор наблюдал характер изменения функции на каждом из полупериодов сигнала-делителя. Примеры полученных графиков функций f(t) для случая Ро=0,1 и F<=-179,9 при частоте колебаний 0,2 Гц, представлены на фиг. 2, 3. Проведенные исследования показали, что для различных сочетаний параметров исследуемых колебаний по амплитуде и частоте синфазность и противофазность четко определялись и при малых значениях амплитуд, и при малых значениях частот вплоть до отклонений от синфазности и противофаэности менее 0.01О. а значения частот составляли сотые доли герца. Один из современных цифровых фазсметров, например типа Ф2-34, позволяет определять разности фаз, но гарантирует возможность определения до значений F<=0,2 на частотвх не ниже 1 Гц, что гораздо хуже по точности, чем предлагаемый способ. Эффективность определения синфазности и противофаэности в области инфранизкочастотных колебаний и при малой величине хотя бы одного из сигналов достигается зэ счет того, что в способе не используется, как в других известных способах, ряд операций, являющихся источником погрешностей, таких как измерение моментов времени пересечения сигналами уровня опорного напряжения, сравнение длительностей сформированных импульсов и другие. Формула изобретения Способ определения соотношения фаэ двух синусоидэльных сигналов, в соответствии с которым осуществляют взаимодействие исследуемых сигналов, а о соотношении фаз судят по качественной оценке результатов этого взаимодействия, о т л и ч а ю щ ий с я тем. что величины одного исследуемого сигнала делят на величины другого, регистрируют сигнал-частное, выбирают по крайней мере двэ значения сигнала-частного на временном интервале. расположенном в пределах половины любого периода сигнала-делителя и не превышающем подлительности этот полупериод, причем одно иэ значений сигнала-частного выбирают экстремальным и определяют синфаэность и противофазность сигналов делимого и делителя по отсутствию различия между экстремальной величиной сигнала-частного и любой другой его величиной внутри исследуемого полупериода сигнала-делителя. 2000580 у 72 АР З Редактор Заказ 3078 Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент, r, Ужгород, ул,Гагарина, 101 Err Ф,h7 uuJ OD Составитель С.Чернякова Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор Е. Папп Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва. Ж-35, Раушская наб„4/5
