Устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов

 

Комитет Россяйской Федерация по патеытам я товарным знакам

Ф и -,,! йЛИЯЯ-" . И Л -4М,"К ПАТЕНТУ =-4 (21) 5055895/21 (22) 23.0792 (46) 15.10.93 Бкзп. Йо 37-38 (76) Келехсаев Борис Георгиевич (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ 00РЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ

СИГНАЛОВ (в) RU (и) ДК1416 С1 (51) вл деление синфазности и противофазности двух синусеидмьных сигнапоа Сущность изобретения: устройство содержит блок деления 1, блок выделения экстремумов 2, блок сравнения 3 1 злф-пм 2

2001410

55

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам определения соотношения фаз. в частности к устройствам для определения синфазности и противофазности 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 устройства определения соотноШений фаз двух синусоидальных сигналов при измерении их разности фаз 1,2,3 которые характеризуются значительной сложностью из-за большого количества блоков и звеньев, требующихся для формирования дополнительных импульсов в определенные моменты времени сравнения временных интервалов, измерения коэффициентов модуляции, корреляции и т.п. Кроме значительной сложности этих устройств, они имеют погрешность определения синфазности и противофазности при малой амплитуде хотя бы одного из сигналов, особенно в инфранизкочастотной области измерений, причем эта погрешность становится значительной из-за того, что на инфранизких частотах существенно уменьшается скорость изменения сигналов, и время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, особенно при малых значениях амплитуд (или амплитуды хотя бы одного из сигналов).

Известны более простые осциллографические устройства определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов (4.5).

Эти устройства используют отклоняющие пластины осциллографа и определенному положению лучевой метки на экране осциллографа судят о синфазности и противофаэности исследуемых сигналов.

Наличие осциллографа затрудняет работу в полевых условиях, кроме этого устройства имеет большие погрешности на инфранизких частотах и при малых амплитудах сигналов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемом по общим используемым признакам является устройство для определения соотношения фаэ двух синусоидальных сигналов 6, содержа.цее три формирователя импульсов, генератор импульсов, счетчик, два регистра и блок сравнения, соединенный с выходом устройства.

Это устройство определения соотношений фаэ двух синусоидальных сигналов не эффективно на инфранизких частотах и при

ЗО

45 изменении амплитуд сигналов в большом динамическом диапазоне, так как при этом уменьшается скорость изменения сигнала и возникает погрешность при формировании опорных импульсов. Кроме этого, устройство позволяет определять только знак разности фаз двух синусоидальных сигналов и не определяет синфаэность и противофазность исследуемых сигналов, Целью изобретения является ïîâûшение точности при расширении функциональныхх воэможностей.

Цель в устройстве для определения соотношения фаз дв, х синусоидальных сигналов, содержащем блок сравнения, подключенный к выходу устройства, достигается тем, что оно дополнительно содержит блок деления и блок выделения экстремумов, причем два входа блока деления — один для сигнала-делимого, другой для сигналаделителя, подключены к двум входам устройства, к выходу блока деления подключен вход блока выделения экстремумов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения: блок выделения экстремумов содержит блок выделения модуля и два амплитудных детектора, причем вход блока выделения экстремумов подключен к входу блока выделения модуля, к выходу которого подключены входы первого и второго амплитудных детекторов, выходы последних двух подключены к первому и второму выходам блока выделения экстремумов соответственно.

Существо изобретения заключается в том, что совершив деление величин исследуемых сигналов друг на друга, однозначно определяют синфазность и противофаэность этих сигналов по отсутствию различия между экстремальной величиной сигналачастного и любой другой его величиной внутри исследуемого полупериода сигналаделителя.

При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-ча гное представляет собой функцию времени

f(t)= Asin(cu t+Fi) /Выл(ь t+Fz) (1) где Bsin(cu t+Fz) 0; F> и Fz — фазы двух исследуемых сигналов;

А и  — амплитуды исследуемых колебаний.

Функция f(t) будет периодической прерывной функцией, и по виду напоминать функции тангенсов или KoTBHleHcoEI.

LUU <ч, v

f(t) (K+K(0/tg o! t))= К (4) 20

30

В случае F» Fz, Fg-О выражение (1) можно записать следующим образом для

K > О. 0 5 Fo < ë /2 è К< 0 Л/2 Л < Fî,5 Л .

f(t) K (cosFp+sInF<, сс9(2л t/T)), (2) где Т-2 л / cu; Fp — разность фаз между исследуемыми колебаниями.

А в случае Fg > Ft, г".1=0 можно записать для К > О, -л /2 5 F>< О и K < О, — Л F<> (— Л/2:

f(t)=K (1/ соьРо+а1пЕо сс9(2 лс/Т) (33

Положив Е -О (условие синфаэности), будем иметь значения slnF<-О; cosF0-1.

Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получим соответственно:

f(t)=K/ (1+Осс9(2л t/Т))- К (5) Положив Fo- = 180 (условие противофазности). будем иметь значения sinFO-О, cosF<-1. Подставляя их в выражения 92) и (3), получим соответственно:

f(t)=(-K+K(0/с9 в t)) = -K (6) f(t)-К/(-1+Осс92л с/Т)) = -К (7) Следовательно, в случае синфазности и противофаэности, получим функцию т(с) в виде прямой линии. численно равной значению «+К, т.е. f(t)= K. При малых отклонениях от идеальной синфазности и противофаэности к полученным значениям +K будем добавляться значение, образованное из вторых слагаемых, заключенных в квадратные скобки выражений (4) (7), в которых вместо нуля подставляются значения sinFO. Так как эчачения tg a) с и ctg a t рассматриваются на интервале полупериода сигнала-делителя, т.е, 0 < ю t< 180, то значения слагаемых, которые прибавляются или вычитаются из значений +.К выражений (4Н7), будут максимальны по абсолютной величине в начале и в конце рассматриваемого полупериода.

Таким образом. при малых отклонениях от синфазности и противофаэности двух синусоидальных сигналов значения функции

f(t) сигнала-частного в начале или конце каждого рассматриваемого полупериода будут отклоняться от значений +К. А экстремальное значение сигнала-частного (максимальное или минимальное) в сравнении с любым другим на данном интервале внутри рассматриваемого полупериода будет указывать на синфазность и противоАаэность при отсутствии различий между собой с учетом ошибки выбоанного ме1ода срлвнения.

На фиг, 1 показана функциональная схема у=тройства; на фиг. 2 — функциональная схема блока выделения экстремумов.

Устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов содержит блок деления 1; блок 2 выделения экстремумов; блок сравнения 3, Блоки в устройстве соединены между собой следующим обрезом. Первый и второй входы блока деления 1 подключены к первому и второму входам устройства соответственно, К выходу блока деления 1 подключен вход блока 2 выделения экстремумов, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам блока сравнения 3 соответственно, Выход последнего подключен к выходу устройства, Блок выделения экстремумов подключен к входу блока 4 выделения модуля, к выходу которого подключены входы первого амплитудного детектора 5 и второго амплитудного детектора б, 5bntoäb! перво о и второго амплитудных детекторов 5 и 6 подключены к первому и второл1у выходам блока 2 выделения зкстрел",умов, соответственно, Устройство для определения соотношенияя фаз двух синусоидальнtlx сигналов работает следующим образол;. Входные сигналы в виде синусоидальных напряжений Ux(t) и Uy(i) поступают на первый и второй входы блока делени J. 1, причем напряжение Ux(t) является сигналом-делимым, а напряжение U<(t) являе ся сигналомделителем. На выходе блока деления получают напряжение Ul, пропорциональное час ному отделения Ux(t)И (t). Это напряжение поступает на блок 2 выделения экстремумов. Напряжение Ui в течение каждого интервала времени, соответствующего полупериоду сигнала-делителя Ugt), изменяется в соответствии с видом функции f(t). рассмотренной s (1)-(7), На краях каждого рассматриваемого интервала времени напряжение Ос будет принимать экстремальные значения. Напряжение U> поступает на блок 4 выделения модуля, на выходе которого получают напряжение, равное! 01 i, Это напряжение поступает на входы первого и второго амплитудных детекторов 5 и 6, На выходе первого амплитудного детектора 5 выделяется максимальный сигнал, равный

1 Ullmax, на выходе второго амплитудного детектора 6 выделяется минимальный сигнал, равный i 01 imin

Таким образом, на первом выходе блока

2 выделения экстремумов будут eblis, е 441bcR

2001410

50 максимальные по модулю напряжения

U2max l U1lmax. а на втоРом eto выхОДЕ бУдУТ выделяться минимальные по модулю напряжсния U2mln lU1lmln Эти напряжения U2max

И U2mln ПОСтУПаат На ПЕРВЫЙ И ВтОРОй ВХОДЫ блока сравнения 3 соответственно, который сравнивает эти напряжения по модулю. При синфазности или противофазности исследуемых сигналов абсолютные значения напряжений U2max и U2mln бУДУт Равны междУ собой, и на выходе блока сравнения 3 напряжение Оз будет принимать значение соответствующее условию l U2max 1-! U2mln!

К примеру, если в качестве блока сравнения использовать параллельный сумматор, то при синфазности или противофазности на

его выходе при вычитании модулей его входных сигналов будет напряжение Оз=0.

Следует отметить, что блок выделения экстремумов можно построить различными способами, имея на выходах напряжения одного или разных знаков, Выделяя и сравнивая экстремальные значения напряжений U1, обеспечивается максимальная чувствительность устройства, На фиг, 2 по казан вариант, когда используются блок выделения модуля и два амплитудных детектора — один для выделения максимального сигнала, другои для выделения минимального сигнала. Возможны варианты и для блока сравнения — параллельный сумматор иги компаратор, или блок деления, Устройства выполнено на стандартных элементах по известным схемам, например;

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕния эдэ двух синусоиддльных сигналов, содержащее блок сравнения. подключенный к выходу устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок деления и блок выделения экстремумов, причем два входа блока деления один для сигнала делимого, другой для сигнала делителя - подключены к двум входам устройства, к выходу блока деления подключен вход блока выделения экстремумов, первый и второй выходы которого блок деления 1 — (7а); блок 2 выделения экстремумов — по схемам (7б,в,); блок сравнения 3 — (7г).

Предлагаемое устройство не только позволяет четко определять синфазность и противофазность исследуемых сигналов по сравнению с прототипом, но и имеет существенные преимущества перед другими устройствами по своей простоте и точности особенно в инфранизкочастотном диапазоне даже тогда, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь в большом динамическом диапазоне. (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 1138760, кл. G 01 R 25/00, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР

N. 1503025, кл. 6 01 R 25/00, 1987, 3. Авторское свидетельство СССР

N l503026, кл. G 01 R 25/00, 1987.

4. Физический энциклопедический словарь. Под редакцией А.М. Прохорова. Сов. энциклопедия, M., 1983, с. 349, 5. Авторское свидетельство СССР

N1687796,,кл,,6 01 R 25/00, 1984.

6. Авторское свидетельство СССР

N. 1167524, кл, G 01 R 25/00, 1985.

7, А.Г. Алексеенко, Е.А. Коломбет, Г,И, Стародуб, Применение прецизионных аналоговых ИС, M.: Сов.радио, 1980: а) с. 96-97; б) сс. 107; в) с. 185; г) с. 77. подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок выделения экстремумов содержит блок выделения модуля и два амплитудных детектора, причем вход блока выделения экстремумов подключен к входу блока выделения модуля, к выходу которого подключены входы первого и второго амплитудных детекторов, выходы последних двух подключены к первому и второму выходам блока выделения экстремумов со-, ответственно.

2001410

Тираж Йадписно4

НПО"Поиск" Роспатента

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

Заказ 3127

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

Составитель Б.Келехсаев

Редактор В.Трубченко Техред M.Mîðãåíòàë Корректор С.Патрушева