Устройство для определения соотношения двух фаз синусоидальных сигналов

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам определения фазовых сдвигов 90° между колебаниями одной частоты, и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устройствах. Цель - расширение функциональных возможностей. Совершив деление величин исследуемых сигналов друг на друга, однозначно определяют фазовый сдвиг 90° между этими сигналами по отсутствию различия между модулями выбранных разнополярных значений сигнала-частного в моменты времени t₁ и t₂ внутри полупериода сигнала-делителя, равноотстоящих по времени от середины рассматриваемого полупериода. Устройство содержит блок деления, формирователь управляющих импульсов, два блока выборки и хранения, блок сравнения. Предлагаемое устройство не только позволяет определять фазовый сдвиг 90° между синусоидальными сигналами по сравнению с прототипом, но также имеет существенные преимущества перед другими устройствами по простоте и точности, особенно в инфранизкочастотном диапазоне даже тогда, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь при этом в большом динамическом диапазоне. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов, в частности к устройствам определения фазового сдвига 90^о 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, позволяющие определять соотношения фаз при измерении разности фаз [1, 2, 3].

Эти устройства характеризуются значительной сложностью из-за большого количества блоков и звеньев, требующихся при формировании дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнении временных интервалов, измерении коэффициентов модуляции, корреляции и т.п. Кроме значительной сложности этих устройств погрешность определения сдвига фаз 90^о увеличивается из-за того, что на инфранизких частотах 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 сигналов, например [4], с помощью фигур Лиссажу. Устройство использует отклоняющие пластины осциллографа, на которые подаются исследуемые сигналы, и по фигуре в виде эллипса на экране осциллографа можно судить о сдвиге фаз 90^о.

Определение сдвига фаз 90^о по фигурам Лиссажу затруднено из-за конечной разрешающей способности осциллографа, определяемой шириной луча. При малом значении амплитуды хотя бы одного из сигналов регистрация исследуемых напряжений осуществляется на нелинейном участке отклоняющего напряжения. Кроме того, погрешность регистрации исследуемых сигналов с помощью осциллографа возрастает в инфранизкочастотном диапазоне из-за трудностей количественных оценок измерений.

Известно другое простое устройство определения соотношения фаз [5], содержащее последовательно соединенные умножитель и фильтр, на выходе которого получают напряжение, имеющее постоянную составляющую, которую выделяют, после чего определяют сдвиг фаз 90^о, когда постоянная составляющая становится равной нулю.

Этому устройству свойственны также недостатки на инфранизких частотах и малых амплитудах сигналов - погрешность определения фазового сдвига 90^о значительно возрастает, так как возникают трудности при повышении точности выделения постоянной составляющей из напряжения сигнала-произведения.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по общим используемым признакам является устройство [6], содержащее блок деления и осциллограф.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по общим используемым признакам является устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов [7] , содержащее три формирователя импульсов, генератор импульсов, счетчик, два регистра и блок сравнения, соединенный с выходом устройства.

Это устройство определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов неэффективно на инфранизких частотах и при изменении амплитуд сигналов в большом динамическом диапазоне, так как при этом уменьшается скорость изменения сигнала и возникает погрешность при формировании опорных импульсов. Кроме того, устройство позволяет определять только знак разности фаз двух синусоидальных сигналов и не определяет сдвиги фаз 90^о между исследуемыми сигналами.

Целью изобретения является повышение точности при расширении функциональных возможностей.

Цель достигается тем, что устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, содержащее формирователь управляющих импульсов, подключенный к одному из входов устройства, и блок сравнения, выход которого является выходом устройства, дополнительно содержит блок деления и два блока выборки-хранения, причем два входа блока деления - один для сигнала-делимого, другой для сигнала-делителя - подключены к двум входам устройства, выход блока деления подключен к первым входам первого и второго блоков выборки-хранения, к вторым (управляющим) входам которых подключены соответственно первый и второй выходы формирователя управляющих импульсов, выходы блоков выборки-хранения подключены к входам блока сравнения, формирователь управляющих импульсов содержит два умножителя частоты, элемент И-НЕ и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем первый и второй умножители частоты соединены последовательно, а вход первого подключен к входу формирователя управляющих импульсов, первые и вторые входы элементов И-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ попарно соединены между собой и подключены к входу и выходу второго умножителя частоты соответственно, выходы элементов И-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к первому и второму выходам формирователя управляющих импульсов соответственно.

Сущность изобретения заключается в том, что после деления величин исследуемых сигналов друг на друга однозначно определяют фазовый сдвиг 90^о между этими сигналами по наличию у них разных знаков и отсутствию различия между модулями этих выбранных значений в моменты времени t₁ и t₂ внутри полупериода сигнала-делителя, равноотстоящих по времени от середины рассматриваемого интервала.

При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное представляет собой функцию времени f(t) = [Asin( ω t + F₁)] / [Bsin(ω t + F₂)], (1) где K = A/B; Bsin(ω t + F₂) = 0; F₁ и F₂ - фазы двух исследуемых сигналов; A и B - амплитуды исследуемых колебаний.

Функция f(t) периодическая прерывная функция и по виду напоминает функции тангенсов или котангенсов.

В случае F₁> F₂, F₂ = 0 выражение (1) имеет следующий вид для К > 0, 0 < F_o < π/2 и К < 0, π/2 < F_o < π: f(t) = K[cosF_o + sinF_o ctg(2 π t/T)], (2) где Т = 2 π/ω; F_o - разность фаз между исследуемыми сигналами.

В случае F₂ > F₁, F₁ = 0 можно записать для К > 0, - π/2 < F_o < 0 и К < 0, - π < F_o < - π/2 f(t) = K{1/[cosF_o + sinF_o ctg(2 π t/T)]}. (3) Положив F_o = -270 или F_o = 90 (первый вариант фазового сдвига 90^омежду двумя синусоидальными сигналами), имеют следующие значения: sinF_o= 0; cosF_o = 1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получают соответственно f(t) = K[ctg(2 π t/T)]; (4) f(t) = K[tg(2 π t/T)]. (5) Положив F_o = 270 или F_o = -90 (второй возможный вариант фазового сдвига 90^о между двумя синусоидальными сигналами), имеют следующие значения: sinF_o = 1; cosF_o = =0. Подставляя их в выражения (2) и (3), получают соответственно f(t) = -K[ctg(2 π t/T)]; (6)
f(t) = -K[tg(2 π t/T)]. (7)
Следовательно, в случае фазового сдвига 90^о получают функцию f(t) в виде функции тангенса или котангенса, умноженных на коэффициенты К или -К, т. е. имеют функцию f(t), симметричную относительно момента времени t(o), соответствующего середине рассматриваемого полупериода. Коэффициент +К определяет лишь наклон функции f(t).

Определяют величину q, показывающую относительное приращение в процентах функций выражений (4), (6) при малых отклонениях от фазовых сдвигов 90^о между исследуемыми сигналами, как
q = (a₁/a₂)100% ,
(8) где a₁ = KcosF_o + KsinF_o ctg(2 π t/T) -
- Kctg(2 π t/T);
a₂ = Kctg(2 π t/T).

После упрощения выражение (8) принимает вид
q = {[cosF_o/ctg(2πt/T)] + sinF_o-1}100% .

(9)
Как видно из выражения (9), величина q не зависит от коэффициента +К, а зависит лишь от значения отклонений фазовых сдвигов от 90^о и от значения ctg(2 π t/T), т.е. от значения момента времени t_i. Величина sinF_o - 1 при малых отклонениях от 90^о стремится к нулю (к примеру, sin 89,9 = 0,9999985). Поэтому приращение функции f(t) определяется значением первого слагаемого, заключенного в квадратные скобки в выражении (9), увеличиваясь при увеличении значения отклонения фазового сдвига от 90^о. Оценивают влияние выбора моментов времени t_i. Котангенс определен на интервале 0 < t < π, модуль его достигает значений в несколько десятков и более при значениях t, близких к нулю или π, т.е. на краях рассматриваемого интервала сигнала-делителя, поэтому значение q в этих областях стремится к нулю. При значении | ctg (2 π t/T)| = 1, что будет при значениях t₁ = T/8 и t₂ = 3T/8, величина |q| = cos F_o. К примеру, при малых отклонениях в 0,1^о от фазового сдвига 90^о имеют следующие значения: cos 89,9 = 0,001745 и |q| = =0,1745%.

Следовательно, если взять значения сигналов-частного, имеющие различные знаки в эти моменты времени, то их модули различаются почти на 0,35%, а если выбирать моменты времени t₁ и t₂ ближе к середине рассматриваемого интервала, то приращения |q| увеличиваются для фиксированного значения F_o.

Аналогично определяется приращение для функции тангенса из выражений (5) и (7) по формуле
| q| = [ a₃ - a₄)/a₄] 100%, (10) где а₃ = K{1/[cosF_o + sinF_o ctg(2 π t/T)]};
a₄ = Ktg(2 π t/T).

Выражение а₃ можно представить в следующем виде:
а₃ = [Ktg(2 π t/T)] / [tg(2 π t/T)x
x cosF_o + sinF_o].

Тогда выражение (10) после преобразований имеет вид
q = {cosF_o/[cosF_o+ctg(2πt/T)]}100% .

(11)
При значении |ctg (2 π t/T)| = 1 при малых отклонениях от 90^овыполняется условие cosF_o << 1, поэтому из выражения (11) получают |q| = cos F_o, аналогичное полученному ранее. Если брать моменты времени t₁ и t₂ ближе к середине полупериода сигнала-делителя, то приращения |q| также увеличиваются для фиксированного значения F_o.

Таким образом, при малых отклонениях от фазовых сдвигов 90^о двух синусоидальных сигналов значения функции f(t) сигнала-частного поднимаются или опускаются относительно оси абсцисс, т.е. нарушается симметрия функции f(t) относительно середины рассматриваемого полупериода сигнала-делителя, а абсолютные значения сигнала-частного в выбранные моменты времени t₁ и t₂, равноотстоящие от середины рассматриваемого полупериода, различаются между собой на величину больше ошибки метода сравнения.

Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1. Устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов содержит блок 1 деления, формирователь 2 управляющих импульсов, блоки 3, 4 выборки-хранения, блок 5 сравнения.

Первые и вторые входы блока 1 деления, причем первый вход для сигнала-делимого, второй вход для сигнала-делителя, подключены к первому и второму входам устройства соответственно. Вход формирователя 2 управляющих импульсов подключен к второму входу блока 1 деления, с выходом которого соединены первые входы первого блока 3 и второго блока 4 выборки-хранения. Второй (управляющий) вход первого блока 3 выборки-хранения подключен к первому выходу формирователя 2 управляющих импульсов, а второй (управляющий) вход второго блока 4 выборки-хранения подключен к второму выходу формирователя 2 управляющих импульсов. Выход первого блока 3 выборки-хранения подключен к первому входу блока 5 сравнения, а выход второго блока 4 - к второму входу блока 5 сравнения. Выход блока сравнения подключен к выходу устройства.

Функциональная схема формирователя 2 управляющих импульсов представлена на фиг. 2. В его состав входят умножители 6, 7 частоты, элемент И-НЕ 8, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9.

Первый и второй умножители 6 и 7 частоты соединены последовательно, причем вход первого подключен к входу формирователя 2 управляющих импульсов. Первые и вторые входы элементов И-НЕ 8 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 попарно соединены между собой и подключены к входу и выходу второго умножителя 7 частоты соответственно. Выходы элементов И-НЕ 8 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 подключены к первому и второму выходам формирователя 2 управляющих импульсов соответственно.

Диаграммы, поясняющие работу устройства, приведены на фиг. 3.

Устройство работает следующим образом.

Входные сигналы U_x(t) и U_y(t) поступают на первый и второй входы блока 1 деления и формирователя 2 управляющих импульсов соответственно. На выходе блока 1 деления 1 получают напряжение U₁(t), пропорциональное частному от деления двух сигналов U_x(t)/U_y(t), измеряющееся на интервале полупериода сигнала-делителя по закону, близкому к виду функции тангенса или котангенса. Если сигнал-делимое U_x(t), к примеру, опережает сигнал-делитель U_y(t), то U₁(t) имеет вид котангенса (фиг. 3). Это напряжение U₁(t) поступает на первый блок 3 выборки-хранения и второй блок 4, режим работы которых управляется по логическим сигналам управления, формирующихся соответственно на первом и втором выходах формирователя 2 управляющих импульсов. Формирование этих логических сигналов управления осуществляется следующим образом.

Входное синусоидальное напряжение U_y(t) сигнала-делителя поступают на первый умножитель 6 частоты, на выходе которого частота сигнала умножается на два и формируется напряжение U₆. Напряжение U₆ с выхода первого умножителя 6 частоты поступает на вход второго умножителя 7 частоты, который умножает частоту сигнала еще на два, и на его выходе формируется напряжение U₇. Напряжения U₆ и U₇ поступают на соответствующие входы логических элементов И-НЕ 8 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, на выходах формируются напряжения U₈ и U₉ соответственно.

Таким образом, на первом и втором выходах формирователя 2 управляющих импульсов получают напряжения U₈ и U₉ соответственно, являющиеся логическими сигналами управления режимом выборки и хранения для блоков 3 и 4 выборки-хранения соответственно. Сигналы логического "0" являются здесь сигналом выборки, а сигналы логической "1" - сигналом хранения. Следовательно, в момент времени t₁ (фиг. 3) блок 3 переходит в режим хранения до момента t₀, а в момент времени t₂ блок 4 переходит в режим хранения до момента времени t₀.

Напряжения U₁(t) и U₁(t₂), равноотстоящие от середины полупериода сигнала-делителя, поступают на входы блока 5 сравнения, и при соотношениях фаз исследуемых сигналов, кратных 90^о, когда эти напряжения отличаются только знаком в интервале времени t₄-t_o, получают, к примеру, логический "0".

Устройство выполнено на стандартных элементах по известным схемам. К примеру, блок 1 деления выполнен согласно [8], в формирователе 2 управляющих импульсов умножители частоты на два - [9], логические элементы - любой серии, блоки 3 и 4 выборки-хранения - [10], в блоке 5 сравнения сумматор - [11], компараторы - [6] и [12].

Предлагаемое устройство не только позволяет определять фазовый сдвиг 90^о между синусоидальными сигналами по сравнению с прототипом, но также имеет существенные преимущества перед другими устройствами по простоте и точности, особенно в инфранизкочастотном диапазоне даже тогда, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь при этом в большом динамическом диапазоне.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ДВУХ ФАЗ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, содержащее формирователь импульсов, подключенный к одному из входов устройства, и блок сравнения, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок деления и два блока выборки-хранения, причем два входа блока деления - один для сигнала делимого, другой для сигнала делителя - подключены к двум входам устройства, выход блока деления подключен к первым входам первого и второго блоков выборки-хранения, к вторым (управляющим) входам которых подключены соответственно первый и второй выходы формирователя управляющих импульсов, выходы блоков выборки-хранения подключены к входам блока сравнения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь управляющих импульсов содержит два умножителя частот, элемент И - НЕ и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем первый и второй умножители частоты соединены последовательно, а вход первого подключен к входу формирователя управляющих импульсов, первый и второй входы элементов И - НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ попарно соединены между собой и подключены к входу и выходу второго умножителя частоты соответственно, выходы элементов И - НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к первому и второму выходам формирователя управляющих импульсов соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3