Устройство для определения синфазности или противофазности двух синусоидальных сигналов

 

Использование: устройство относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения соотношения фаз, в частности к устройствам для определения синфазности или противофазности двух синусоидальных сигналов. Сущность изобретения: устройство содержит блок деления 1, блок усреднения 2, блок сравнения 3, первую и вторую входные шины, выходную шину с соответствующими связями. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения соотношений 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 для определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов при измерении разности фаз [1-3] Эти устройства характеризуются значительной сложностью из-за большого количества блоков и звеньев, требующихся для формирования дополнительных импульсов в определенные моменты времени, блоков для 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 для определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов [4 и 5] Эти устройства используют отклоняющие пластины осциллографа. По определенному положению лучевой метки на экране осциллографа судят о синфазности и противофазности исследуемых сигналов.

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

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по общим используемым признакам является устройство для определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов [6] содержащее три формирователя импульсов, генератор импульсов, счетчик, два регистра и блок сравнения, соединенный с выходом устройства.

Это устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигна- лов не обладает эффективностью на инфранизких частотах, особенно 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 синфазность и противофазность исследуемых сигналов.

Целью изобретения является повышение точности при расширении функциональных возможностей устройства.

Для этого в устройство для определения синфазности или противофазности двух синусоидальных сигналов, содержащее блок сравнения, первую и вторую входные шины и выходную шину, подключенную к выходу блока сравнения, дополнительно введены блок деления и блок усреднения, причем первый и второй входы блока деления один для сигнала делимого, другой для сигнала делителя, подключены к первой и второй входным шинам соответственно, выход блока деления подключен к первому входу блока сравнения и входу блока усреднения, выход которого подключен к второму входу блока сравнения.

Существо изобретения заключается в том, что после деления величин исследуемых сигналов друг на друга, однозначно определяют синфазность и противофазность этих сигналов по отсутствию различия между текущими значениями сигнала частного и их усредненного значения.

При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал частное представляет собой функцию времени f (t) [Asin(wt + F₁)]/[Вsin(wt + F₂)] (1) где Вsin(wt + F₂) ≠0; F₁ и F₂ фазы двух исследуемых сигналов; А и В амплитуды исследуемых колебаний.

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

В случае F₁ > F₂, F₂ 0 выражение (1) можно записать аналогично с [6] следующим образом для К > 0, 0 < F_o < π/2 и К < 0, π/2 < F_o < π f (t) К[cosF_o + sinF_o ctg (2πt/Т)] (2) где Т 2π/w; F_o разность фаз между исследуемыми колебаниями.

А 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) К{1/[соsF_o + sinF_o ctg(2πt/Т)] (3) Положив F_o 0 (условие синфазности), будет иметь значения sinF_o 0; соsF_o 1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получим соответственно f(t) [К + К(0/tgwt)] К, (4) f(t) К/[1 + 0ctg(2πt/Т)] К. (5)
Положив F_o ± 180 (условие противофазности) будем иметь значения sinF_o 0, cosF_o -1. Подставляя их в выражения (2) и (3), получим соответственно
f(t) [-К + К(0/tgwt)] -К (6)
f(t) К/[-1 + 0ctg 2πt/Т] -К. (7)
Следовательно, в случае синфазности и противофазности получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению ± К, т. е. 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 sinF_o.

Так как значения tgwt и ctgwt рассматриваются на интервале полупериода сигнала делителя, т. е. 0 < wt < 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.

При усреднении значений сигнала частного на интервале полупериода сигнала делителя получают величину, равную ± К, т.е. f(t)_ср ± К. При малых отклонениях от синфазности и противофазноcти двух cинуcоидальных cигналов текущие значения функции f(t) сигнала частного в начале или конце каждого рассматриваемого полупериода будут отклоняться от значения f(t)_ср ±К и будут указывать на синфазность или противофазность.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство для определения синфазности и противофазности двух синусоидальных сигналов содержит блок деления 1, блок усреднения 2 и блок сравнения 3.

Блоки в устройстве соединены между собой следующим образом. Первый и второй входы блока деления 1 подключены к первому и второму входам устройства соответственно. Выход блока деления 1 соединен с первым входом блока 3 сравнения и входом блока 2 усреднения. Выход блока 2 усреднения подключен к второму входу блока 3 сравнения, выход которого является выходом устройства.

Устройство для определения синфазности или противофазности двух синусоидальных сигналов работает следующим образом.

Входные сигналы в виде синусоидальных напряжений U_х(t) Asin(wt + F₁) и U_y(t) Вsin(wt + F₂) поступают на первый и второй входы блока деления 1, причем напряжение U_х(t) является сигналом делимым, а напряжение U_y(t) является сигналом делителем.

На выходе блока 1 деления получают напряжение U₁, пропорциональное частному от деления U_х(t)/U_y(t). Это напряжение поступает на блок 2 усреднения, а на выходе которого получают напряжение U₂(К). Это напряжение при уменьшении фазовых сдвигов F_o F₁ F₂ между сигналами будет приближаться к напряжению, соответствующему значению отношения амплитуд КА/В исследуемых сигналов.

Напряжение U₂(К) поступает на второй вход блока сравнения 3 и является опорным напряжением для блока сравнения 3.

Напряжение U₁ в течение каждого интервала времени, соответствующего полу-периоду сигнала делителя U_y(t), изменяется в соответствии с видом функции f(t), рассмотренной в (1)-(7). На краях каждого рассматриваемого интервала времени напряжение U₁ будет принимать экстремальные значения.

Напряжение U₁ поступает на первый вход блока сравнения 3 и сравнивается с усредненным значением сигнала частного напряжения U₁. При синфазности или противофазности исследуемых сигналов значения напряжений U₁(t) и U₂(К) будут равны между собой. На выходе блока сравнения 3 получают напряжение U₃, соответствующее условию U₁(t) U₂(К).

К примеру, если в качестве блока сравнения использовать блок вычитания, то при синфазности или противофазности на его выходе при вычитании его входных сигналов будет напряжение U₃ 0. Блок сравне- ния можно выполнить на компараторе. Тогда выходной сигнал устройства будет в виде логического сигнала.

Устройство выполнено на стандартных элементах по известным схемам, например: блок деления 1 аналогичен блоку деления в [7] блок 2 усреднения выполнен с помощью ФНЧ на ОУ серии 140УД12; блок сравнения 3 выполнен с помощью операционного усилителя, аналогично [8]
Предлагаемое устройство не только позволяет четко определить синфазность и противофазность исследуемых сигналов по сравнению с прототипом, но и иметь 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.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИНФАЗНОСТИ ИЛИ ПРОТИВОФАЗНОСТИ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, содержащее блок сравнения, первую и вторую входные шины, выходную шину, подключенную к выходу блока сравнения, отличающееся тем, что в него введены блок деления и блок усреднения, причем первый и второй входы блока деления (один для сигнала-делимого, другой для сигнала-делителя) подключены к первой и второй входным шинам соответственно, выход блока деления подключен к первому входу блока сравнения и входу блока усреднения, выход которого подключен к второму входу блока сравнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1