Способ определения синфазности или противофазности двух синусоидальных сигналов
Применение: изобретение может быть использовано в измерительной технике, в частности при определении соотношений фаз двух гармонических сигналов одной частоты. Сущность изобретения: регистрируют значения сигнала - частного, полученные от деления величин исследуемых сигналов друг на друга, которые усредняют на выбранном интервале времени, и определяют синфазность или противофазность этих сигналов, когда ни одно из регистрируемых мгновенных значений сигнала-частного не отличается от их усредненного значения на величину, больше ошибки выбранного метода сравнения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения соотношений фаз, в частности к способам определения синфазности или противофазности двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одной частоты, и предназначено для преимущественного использования в устройствах, работающих на инфранизких частотах, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и изменяться в широких пределах.
Известны различные способы определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов при измерении их разности фаз [1, 2, 3] Эти способы довольно сложные, так как требуют формирования дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнения временных интервалов, введения коэффициентов модуляции, корреляции и т.п. Это ведет к дополнительным погрешностям измерения при малой амплитуде хотя бы одного из сигналов, особенно в инфранизкочастотной области измерений, из-за уменьшения скорости изменения сигналов, что ведет к неоднозначности времени срабатывания пороговых устройств. Известны более простые осциллографические способы определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов [4,5] В способе [4] исследуемые сигналы подают каждый на свою пару отклоняющих пластин. При этом определение синфазности и противофазности по фигурам Лиссажу затруднено из-за конечной разрешающей способности осциллографа, определяемой шириной луча, 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-за трудностей количественных оценок измерений. В способе [5] исследуемые сигналы подают на отклоняющие пластины ЭЛТ, из одного из сигналов формируют пикообразные импульсы и также подают их на отклоняющие пластины ЭЛТ. На экране осциллографа образуется амплитудная отметка, по положению которой на оси ординат судят о параметрах сигналов. Этому способу свойственны те же недостатки, что и способу [4] то есть на инфранизких частотах и малых амплитудах сигналов погрешность определения параметров сигналов сильно возрастает. Наиболее близким техническим решением к заявляемому по общим используемым признакам является способ [6] определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов, основанный на анализе результата взаимодействия исследуемых сигналов на выбранном интервале времени, в соответствии с которым регистрируют сигнал-частное от деления величин одного исследуемого сигнала на величины другого, 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, так, чтобы в пределах этого интервала два выбранных значения сигнала-частного различались между собой по величине больше возможной погрешности сравнения этих значений, и определяют параметры сигналов делимого и делителя по характеру отличий выбранных значений сигнала-частного. Способ имеет преимущества в области инфранизких частот и при малой величине хотя бы одного из сигналов, так как не использует ряд операций, являющихся источником погрешностей в других способах [1-3] таких как измерение моментов времени пересечения сигналами уровня опорного напряжения, сравнение длительностей сфоpмированных импульсов и другие. Однако способ не позволяет определять синфазность или противофазность исследуемых сигналов. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей при измерениях. Цель в способе определения синфазности или противофазности двух синусоидальных сигналов, основанном на анализе результата взаимодействия исследуемых сигналов на выбранном временном интервале, в соответствии с которым величины одного исследуемого сигнала делят на величины другого, регистрируют сигнал-частное, достигается тем, что сигнал-частное усредняют на выбранном интервале времени, а синфазность или противофазность сигналов делимого и делителя определяют, когда ни одно из регистрируемых мгновенных значений сигнала-частного не отличается от его усредненного значения на величину, большую ошибки выбранного метода сравнения: интервал времени для усреднения выбирают таким образом, чтобы его середина совпадала с серединой одной из по-луволн сигнала-делителя. Сущность изобретения заключается в том, что регистрируют значения сигнала-частного от деления величин исследуемых сигналов друг на друга, которые усредняют на выбранном интервале времени, и определяют синфазность или противофазность этих сигналов, когда ни одно из регистрируемых мгновенных значений сигнала-частного не отличается от их усредненного значения на величину больше ошибки выбранного метода сравнения. При делении двух синусоидальных сигналов одинаковой частоты сигнал-частное представляет собой функцию времени: f(t)= A sin ( t+F1)]/[B sin ( t+F2)] (1) где В sin (t+F2)0; F1 и F2 фазы двух исследуемых сигналов; А и В амплитуды исследуемых колебаний. Функция будет прерывной, периодической функцией и по виду напоминать функции тангенсов или котангенсов [6] В случае F1>F2, F2=0 выражение (1) можно записать аналогично с [6] следующим образом для К>0, 0<F < /2 и К<0, /2<F< f(t)=K[cos Fo+sin Fo ctg (2 t/T)] (2) где Т=2 / Fo разность фаз между исследуемыми колебаниями. В случае F2>F1, F1= 0 можно записать для К> 0, /2< Fo< 0 и К<0, < Fo<-/2 [6] f (t)=K{1/[cosFo+sin Fo ctg(2 t/T)] (3) Положив Fo= 0 (условие синфазности), будем иметь значения sin Fo=0; cos Fo=1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3) получим соответственно: f (t)=[K+K(0/tg t)]K; (4) f (t)=K/[1+0 ctg (2 t/T)]K (5) Положив Fo=+180 (условие противофазности), будем иметь значения sin Fo= 0, cos Fo=-1. Подставляя их в выражения (2) и (3), получим соответственно:f (t)=[-K+K(0/tg t)]-K; (6)
f (t)=K/[-1+0 ctg 2 t/T]-K (7)
Следовательно, в случае синфазности или противофазности получим функцию f(t), соответствующую сигналу-частному, в виде прямой линии, численно равной константе, значению +К, то есть f(t)=+K. При малых отклонениях от идеальной синфазности или противофазности к полученным значениям +К будет добавляться значение, образованное из вторых слагаемых, заключенных в квадратные скобки выражений (4)-(7), в которых вместо нуля подставляется значение sinFo. Так как значения tg t и ctg t рассматриваются на интервале полупериода сигнала-делителя, то есть 0< t<180, то значения слагаемых, которые прибавляются или вычитаются из значений +К выражений (4)-(7), будут максимальны по абсолютной величине в начале и в конце рассматриваемого полупериода [6] При усреднении значений сигнала-частного будут получать усредненное значение, равное по величине значению К. Таким образом, при отклонениях от синфазности и противофазности двух синусоидальных сигналов значения функции f(t) сигнала-частного в начале или конце каждой рассматриваемой полуволны сигнала-делителя будут отклоняться от усредненного значения fc, что и будет указывать на отклонение от синфазности или противофазности между сигналами, а при отсутствии различий между регистрируемыми мгновенными значениями сигнала-частного и усредненного значений fc с учетом ошибки выбранного метода сравнения будет указывать на синфазность или противофазность между исследуемыми сигналами. Количественная оценка возможностей предлагаемого способа была проведена как путем осциллографирования исследуемых сигналов, так и с помощью компьютера. В первом варианте устройство для реализации способа (фиг. 1) содержит блок 1 деления и блок индикации осциллограф 2, вход которого подключен к выходу блока 1 деления, а на два входа последнего подают синусоидальные сигналы Х(t) и Y(t). В качестве блока деления был использован цифровой вольтметр В7-23, работающий в режиме деления, и выбран осциллограф типа С1-83. Сигналы Х(t) и Y(t) имели частоту f=0,2 Гц и амплитуду соответственно х=200 мВ и y=20 мВ. Сдвиг фаз между сигналами изменялся с помощью фазосдвигающей RC-цепи, а сами сигналы формировались из синусоидального сигнала с выхода генератора типа ГЗ-110, выходная амплитуда сигнала U=2 102 мВ делилась в 10 и в 100 раз соответственно. По второму варианту способ был проверен на компьютере IBM РС/AT. Синусоидальные сигналы с частотой f=0,2 Гц при частоте дискретизации 200 Гц и амплитудами с условными единицами А=2103 и В=2 102 моделировались с помощью компьютера со значениями разности фаз, которые задавал оператор. В соответствии с программой компьютер делил сигналы, и на экране дисплея можно было наблюдать характер изменения функции f(t) на каждом из полупериодов сигнала-делителя. Пример полученного графика для случая Fo=0,1о представлен на фиг. 2. Проведенные исследования показали, что для различных сочетаний параметров исследуемых колебаний по амплитуде и частоте синфазность или противофазность четко определялись и при малых значениях амплитуд, и при инфранизких значениях частот. Один из лучших на сегодня цифровой фазометр Ф2-34 позволяет определять разности фаз, но гарантирует точность измерений до значений Fo=0,2о на частотах не ниже 1 Гц. Эффективность определения синфазности или противофазности в области инфранизкочастотных колебаний и при малой величине хотя бы одного из сигналов достигается за счет того, что в способе не используется, как в других известных способах [1-3] ряд операций, являющихся источником погрешностей: измерение моментов времени пересечения сигналами уровня опорного напряжения, сравнение длительностей сформированных импульсов и другие.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2