Устройство для измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов

 

Использование: измерительная техника, измерение фазовых сдвигов синусоидальных электрических сигналов. Сущность изобретения: устройство содержит: блок выборки и хранения, амплитудный детектор, формирователь управляющих импульсов, блок определения синфазности, блок определения знака разности фаз, тригонометрический преобразователь, управляемый блок регистрации. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения фазовых сдвигов синусоидальных электрических сигналов, и может быть использовано при определении фазочастотных характеристик преимущественно в инфранизкочастотном диапазоне при калибровке измерительных каналов и обработке регистрируемых сигналов.

К устройству предъявляются требования обеспечения высокой точности измерения фазовых сдвигов, допускающие изменения амплитуд сигналов в широком динамическом диапазоне.

Известно простое устройство определения сдвига фаз, содержащее перемножитель исследуемых сигналов и устройство, выделяющее постоянную составляющую полученного от перемножения сигналов. Величина напряжения постоянной составляющей пропорциональна абсолютному значению фазового сдвига.

Устройство характеризуется незначительной точностью определения, особенно в инфранизкочастотной области, из-за необходимости выделения постоянной составляющей с высокой точностью, полученной от перемножения сигналов.

Более сложные устройства позволяют повысить точность.

Рассмотрено устройство для измерения фазового сдвига между двумя напряжениями, содержащее два ключевых детектора и общий вспомогательный гетеродин-генератор синуса с частотой, близкой к частоте в кратное число раз большей частоты измеряемых колебаний, а также преобразователи синуса в остроконечные импульсы, и фильтры низких частот, выделяющие огибающую, а измеряют фазометром разность фаз между огибающими, которая равна искомой разности фаз, умноженной на коэффициент кратности между частотой генератора и частотой исследуемого сигнала.

Такое устройство измеряет вместо искомого значения разности фаз другие значения разности фаз, при этом измеряют также и отношение частот, поэтому точность такого устройства весьма невысока.

Предложено устройство для измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов, содержащее модулятор, генератор несущей частоты, фильтр низкой частоты, регистратор, демодулятор, множительное устройство, которое имеет преимущество перед [2], однако оно является невысоким по точности, так как используется много промежуточных действий - модуляция, демодуляция, перемножение. Точность измерений существенно снижается при уменьшении амплитуды исследуемых сигналов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных технических признаков является устройство, содержащее фильтрующие устройства, отделяющие синусоидальные сигналы от постоянной составляющей, фазосдвигающие блоки, которые сдвигают оба сигнала на угол π/2 в сторону опережения, и аналоговый запоминающий блок с устройствами выборки и хранения, который измеряет и запоминает четыре мгновенных сигнала в одно и то же время (два после фильтра и два после фазосдвигающих блоков), а разность фаз определяют с помощью управляемого блока регистрации, который реализует математическую зависимость ϕ = sign U_ʺ arccosU_ʺ / -signU_ʺ arccosU_ʺ / Как видно из этого выражения, управляемый блок регистрации содержит блоки деления, формирователь импульсов, функциональные преобразователи-устройства извлечения корня квадратного из суммы квадратов двух величин, триго- нометрические преобразователи, сумматоры с блоками управления знаком (управляемыми усилителями).

В результате погрешность измерения фазового сдвига по-прежнему велика, особенно в области инфранизких частот, из-за наличия четырех составляющих погрешностей от измерений четырех мгновенных значений и необходимости измерений значений корня квадратного из суммы квадратов двух величин.

Целью изобретения является повышение точности измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов.

Цель и устройстве для измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов, содержащем устройство выборки и хранения, вход которого соединен с первым входом устройства, тригонометрический преобразователь, управляемый блок регистрации и формирователь управляющих импульсов, вход которого подключен к второму входу устройства, а выход подключен к управляющему входу устройства выборки и хранения, выход последнего подключен к первому входу тригонометрического преобразователя, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам управляемого блока регистрации соответственно, достигается тем, что оно дополнительно содержит амплитудный детектор, блок определения знака разности фаз и блок определения синфазности, причем первый вход устройства через амплитудный детектор подключен к второму входу тригонометрического преобразователя, первый и второй входы устройства подключены к попарно соединенным первым и вторым входам блока определения синфазности и блока определения знака разности фаз соответственно, выходы последних двух подключены к третьему и четвертому (управляющим) входам управляемого блока регистрации соответственно: блок определения синфазности содержит последовательно соединенные умножитель, устройство выборки и хранения, компаратор и формирователь, причем первый и второй входы умножителя подключены к соответствующим входам блока определения синфазности, второй вход которого соединен с входом формирователя, выход которого подключен к управляющему входу устройства выборки и хранения, а выход блока определения синфазности подключен к выходу компаратора; управляемый блок регистрации содержит логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ключ и управляемый инвертор, причем первый вход управляемого блока регистрации подключен к первым входам логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и ключа, второй вход которого подключен к выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход последнего соединен с вторым входом управляемого блока регистрации, третий (управляющий) вход которого подключен к управляющему входу ключа, выход которого соединен с входом управляемого инвертора, управляющий вход которого подключен к четвертому входу управляемого блока регистрации, выход последнего соединен с выходом управляемого инвертора.

Функциональная схема устройства представлена на фиг 1.

Устройство для измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов содержит устройство 1 выборки и хранения, амплитудный детектор 2, формирователь 3 управляющих импульсов, блок 4 определения синфазности, блок 5 определения знака разности фаз, тригонометрический преобразователь 6, управляемый блок 7 регистрации.

Блоки в устройстве соединены между собой следующим образом. Первый вход устройства соединен с входом амплитудного детектора 2, а также с первыми входами устройства 1 выборки и хранения, блока 4 определения синфазности и блока 5 определения знака разности фаз. Второй вход устройства соединен с входом формирователя 3 управляющих импульсов и вторыми входами блока 4 определения синфазности и блока 5 определения знака разности фаз. Выход формирователя 3 управляющих импульсов подключен к второму (управляющему) входу устройства 1 выборки и хранения. Выходы УВХ 1 и амплитудного детектора 2 подключены соответственно к первому и второму входам тригонометрического преобразователя 6. Первый и второй выходы тригонометрического преобразователя 6 подключены к первому и второму входам управляемого блока 7 регистрации, соответственно. Третий и четвертый (управляющие) входы управляемого блока 7 регистрации подключены к выходам блока определения синфазности и блока 5 определения знака разности фаз соответственно.

Структурная схема блока 4 определения синфазности представлена на фиг. 2. Блок 4 определения синфазности содержит последовательно соединенные умножитель 8, устройство 9 выборки и хранения, компаратор 10 и формирователь 11. Первый и второй входы блока 4 определения синфазности соединены с соответствующими входами умножителя 8. Второй вход блока 4 определения синфазности подключен к входу формирователя 11, выход которого соединен с вторым (управляющим) входом УВХ 9. Выход компаратора 10 подключен к выходу блока 4 определения синфазности.

Структурная схема управляемого блока 7 регистрации представлена на фиг. 3. Управляемый блок 7 регистрации содержит логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12, ключ 13 и управляемы инвертор 14. Первый вход управляемого блока 7 регистрации подключен к первым входам логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 и ключа 13. Второй вход управляемого блока 7 регистрации подключен к второму входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12, выход которого подключен к второму входу ключа 13, выход которого соединен с входом управляемого инвертора 14. Второй (управляющий) вход ключа 13 подключен к третьему (управляющему) входу управляемого блока 7 регистрации. Второй (управляющий) вход управляемого инвертора 14 подключен к четвертому (управляющему) входу управляемого блока 7 регистрации, выход которого подключен к выходу управляемого инвертора 14.

Временные диаграммы работы устройства представлены на фиг. 4.

Устройство работает следующим образом. Исследуемый сигнал синусоидальной формы, например U_x (t) , является измерительным, а сигнал U_y(t) является опорным (см. фиг. 4а). Тогда входной сигнал U_x(t) с первого входа устройства поступает одновременно на вход амплитудного детектора 2 и первые входы устройства 1 выборки и хранения, блока 4 определения синфазности и блока 5 определения знака разности фаз. Входной сигнал U_y(t) с второго входа устройства поступает одновременно на вход формирователя 3 управляющих импульсов и вторые входы блока 4 определения синфазности и блока 5 определения знака разности фаз.

Формирователь 3 управляющих импульсов формирует цифровые логические сигналы напряжения U₃, которые являются сигналами выборки-хранения для УВХ 1 и поступают на второй (управляющий) вход УВХ 1. Формирование выходных импульсов U₃ поясняется диаграммой фиг. 4б: логическая единица напряжения U₃ является сигналом "Хранение", а логический ноль - "Выборка" для УВХ 1.

На выходе амплитудного детектора 2 выделяется сигнал напряжения U₂, пропорциональный амплитуде исследуемого сигнала (см. фиг. 4а).

Таким образом, на соответствующие входы тригонометрического преобразователя 6 в период времени "Хранение", соответствующий интервалу времени от t₁ до t₃, поступает напряжения U₂ с выхода амплитудного детектора 2, равное амплитуде сигнала U_x(t₂), и напряжение U₁ с выхода УВХ 1, равное напряжению U_x(t) в момент времени t₁, когда опорное напряжение U_y(t) достигает своего экстремума (фиг. 4а).

Тригонометрический преобразователь 6 времяимпульсного действия имеет в своем составе опорный генератор сигналов синусоидальной формы, частота генерации которого выбирается из требуемого быстродействия (см. фиг. 4в), и два выхода, на одном из которых формируются импульсы напряжения U_6-1 (фиг. 4г), а на другом формируются опорные импульсы напряжения U_6-2 (фиг. 4д).

Фиг. 4в-е показывает, как формируются выходные импульсы в интервале времени, соответствующем режиму "Хранение", начинающемуся с момента времени t₁ и стремящемуся к моменту времени t₃.

Амплитуда сигналов опорного генератора устанавливается равной напряжению U₂. Это напряжение поступает на один вход блока сравнения тригонометрического преобразователя 6, на другой вход поступает пороговое напряжение U₁, в результате на первом выходе тригонометрического преобразователя 6 формируется последовательность импульсов напряжения U_6-1, длительность которых пропорциональна значению arccos (U₁/U₂). Схема времяимпульсного тригонометрического преобразователя является стандартной, поэтому она не раскрывается внутри блока 6. На втором выходе тригонометрического преобразователя 6 получают последовательность опорных импульсов, длительность импульса которых соответствует полупериоду колебаний опорного генератора. Они получаются стандартными способами и имеют вид, показанный на фиг. 4д. Формирование этих опорных импульсов производят внутри времяимпульсного тригонометрического преобразователя 6.

Последовательность импульсов напряжений U_6-1 и U_6-2 с первого и второго выходов тригонометрического преобразователя 6 поступает на первый и второй входы управляемого блока 7 регистрации (см. фиг. 3), то есть U_6-1 поступает на первые входы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 и ключа 13, а на второй вход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 поступает последовательность импульсов напряжений U_6-2 с второго выхода тригонометрического преобразователя 6, длительность которых соответствует 1/2 периода гармонических колебаний опорного генератора, используемого в тригонометрическом преобразователе 6.

Последовательность импульсов U_6-1 и U_6-2 на входе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 формирует на его выходе сигнал U₁₂ (фиг. 4е), представляющий собой последовательность импульсов, длительность которых соответствует разности длительностей сигналов U_6-2 и U_6-1. Так как длительность импульса сигнала U_6-2 соответствует интервалу π, а длительность импульса сигнала U_6-1 соответствует значению arccos (U₁/U₂), то длительность импульса сигнала U₁₂ можно записать следующим образом: π - arccos (U₁/U₂).

Сигналы напряжений U_6-1 или U₁₂ проходят на выход ключа 13 в соответствии с управляющими логическими сигналами U₄ с выхода блока 4 определения синфазности, которые получают на выходе компаратора 10, который в течение времени, соответствующее режиму "Хранение" УВХ 9, по сигналу формирователя 11 формирует логический сигнал управления для ключа 13. В случае, когда на входе умножителя 8 имеются соотношения исследуемых сигналов одного знака в момент времени t₁, что соответствует условию синфазности, положительный сигнал на выходе УВХ 9 формирует управляющий сигнал, который подключает на выход ключа 13 сигнал U_6-1, длительность импульса которых пропорциональна значению arccos U₁/U₂) . В случае сигналов противоположного знака на входе умножителя 8 в момент времени t₁ выполняется условие противофазности и на выходе компаратора 10 формируется логический сигнал подключающий к выходу ключа 13 сигналы U₁₂ с выхода элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, длительность импульса которых пропорциональна значению π -arccos (U₁/U₂).

Таким образом, на вход управляемого инвертора 14 для различных соотношений исследуемых сигналов по синфазности и противофазности поступает последовательность импульсов напряжений U₁₃, длительность которых пропорциональна значению arccos (U₁/U₂) или π - arccos (U₁/U₂) Напряжение U₅ поступает на четвертый вход управляемого блока 7 регистрации и управляет полярностью выходных импульсов напряжения U₁₄. Управляемый инвертор 14 имеет коэффициент передачи +1 или -1 и управляется сигналом U₅ с выхода блока 5 определения знака разности фаз. При положительной разности фаз между U_x(t) и U_y(t) - коэффициент передачи равен +1, а при отрицательной разности фаз коэффициент передачи равен -1.

Таким образом, на выходе управляемого инвертора 14 имеется последовательность положительных импульсов напряжения U₁₄, длительность которых пропорциональна значению arccos U_x(t₁)/U_x(t₂) при положительной разности фаз и последовательность отрицательных импульсов, соответствующих значению arccos U_x(t₁)/U_x(t₂) при отрицательной разности фаз при условии синфазности между исследуемыми сигналами. При условии противофазности на выходе управляемого инвертора 14 получают последовательность положительных или отрицательных импульсов, длительность которых пропорциональна значению π -arccos U_x(t₁)/U_x(t₂).

В интервалах времени "Хранение" (сигнал U₃) на выходе блока 4 определения синфазности получают напряжение U₄, логическая единица которого соответствует, к примеру случаю, когда разность фаз F_o имеет значение F < 90, а логический нуль соответствует значению 90 < F ≅180. Напряжение U₄ управляет ключом 13 так, что при логической единице (U₄) на выход ключа 13 поступает напряжение U_6-1, а при логическом нуле (U₄) - на выходе ключа 13 напряжение U₁₂.

Таким образом, предлагаемое устройство реализует способ определения сдвига фаз двух синусоидальных сигналов, в соответствии с которым измеряют два мгновенных значения одного из сигналов в моменты времени t₂, когда опорный сигнал достигает своего экстремума, и в момент времени t₂, когда измеряемы сигнал достигает своего экстремума, а значение сдвига фаз Fo определяют по формуле F_o = M(n) [g + n π] , где g = arccos [X(t₁)/X(t₂)] при X(t₁) ≅ X(t₂), для случая, когда измеряемый сигнал Х(t) опережает по фазе опорный сигнал: g = -arccos [Y(t₁)/Y(t₂)] при Y(t₁) ≅ Y(t₂) для случая, когда измеряемый сигнал Y(t) отстает по фазе от другого сигнала, причем n = 0, M(0) = 1 - для синфазных сигналов, F/2, n = 1, M(1) = -1 - для противофазных сигналов, π/2 < F ≅π.

Устройство определения сдвига фаз двух синусоидальных сигналов выполнен на стандартных элементах - цифровых микросхемах и операционных усилителях. Формирователь 3 управляющих импульсов построен на стандартных схемах и устройствах. Блок 5 определения знака разности фаз можно использовать, используя аналоговый выход в этом блоке. Блок 4 определения синфазности построен с помощью стандартных звеньев в качестве УВХ 8. В качестве тригонометрического преобразователя 6 можно использовать арккосинусный преобразователь. Управляемый блок 7 регистрации построен по стандартным схемам: элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 - с использованием МС серии 564, ключ 13 - с использованием МС серии 590КН.

Достоинством предлагаемого устройства является то, что использование вышеупомянутого способа измерения фазовых сдвигов позволяет создать устройство определения сдвига фаз двух синусоидальных сигналов, имеющее высокую точность измерений, не снижающую при инфранизкочастотных измерениях в условиях изменения динамического диапазона в широких пределах.

Анализ погрешности используемых в устройстве звеньев и блоков показывает, что суммарная погрешность составляет менее 0,1%, что является более высоким показателем по сравнению с погрешностями современных цифровых приборов для измерения фазовых сдвигов. Достоинством предлагаемого устройства является также возможность изготовления малогабаритной, экономичной, но прецизионной измерительной аппаратуры.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, содержащее блок выборки и хранения, вход которого соединен с первым входом устройства, тригонометрический преобразователь, управляемый блок регистрации и формирователь управляющих импульсов, вход которого подключен к второму входу устройства, а выход - к управляющему входу блока выборки и хранения, выход последнего подключен к первому входу тригонометрического преобразователя, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам управляемого блока регистрации соответственно, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит амплитудный детектор, блок определения знака разности фаз и блок определения синфазности, причем первый вход устройства через амплитудный детектор подключен к второму входу тригонометрического преобразователя, первые входы блока определения синфазности и блока определения знака разности фаз подключены к первому входу устройства, а вторые входы - к второму входу устройства, выходы блоков определения синфазности и определения знака разности фаз подключены соответственно к третьему и четвертому входам управляемого блока регистрации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения синфазности содержит последовательно соединенные умножитель, устройство выборки и хранения, компаратор и формирователь, причем первый и второй входы умножителя подключены к соответствующим входам блока определения синфазности, второй вход которого соединен с входом формирователя, выход которого подключен к управляющему входу устройства выборки и хранения, а выход блока определения синфазности подключен к выходу компаратора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляемый блок регистрации содержит логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ключ и управляемый инвертор, причем первый вход управляемого блока регистрации подключен к первым входам логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и ключа, второй вход которого подключен к выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход последнего соединен с вторым входом управляемого блока регистрации, третий управляющий вход которого подключен к управляющему входу ключа, выход которого соединен с входом управляемого инвертора, управляющий вход которого подключен к четвертому входу управляемого блока регистрации, выход последнего соединен с выходом управляемого инвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4