Устройство для определения квадратурных фазовых сдвигов синусоидальных сигналов

 

Использование: устройство относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения, квадратурных фазовых сдвигов синусоидальных сигналов. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно соединенные блок деления 1, блок ограничения 2, блок усреднения 3, блок индикации 4, первую и вторую входные шины и выходную шину. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения соотношений фаз, в частности к устройствам определения квадратурных фазовых сдвигов синусоидальных сигналов напряжения или тока одинаковой частоты, и предназначено для преимущественного использования на инфранизких частотах, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и изменяться в широких пределах.

Известны различные устройства, позволяющие определять соотношения фаз при измерении равности их фаз [1-3] Эти устройства довольно сложные, так как требуют много различных блоков для формирования дополнительных импульсов в определенные моменты времени, блоков сравнения временных интервалов, блоков измерения коэффициентов модуляции, корреляции и других блоков. У таких устройств погрешность при определении квадратурных фазовых сдвигов увеличивается из-за того, то 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 для 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 наличии квадратурного сдвига между сигналами.

Точность таких измерений ограничена 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 оcциллографа возраcтает в инфранизкочаcтотном диапазоне из-за трудностей количественных оценок измерений.

Известно другое устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов [5] содержащее три формирователя импульсов, генератор импульсов, счетчик, два регистра и блок сравнения, соединенный с выходом устройства.

Это устройство для 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 квадратурные фазовые сдвиги.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности по общим используемым признакам является устройство для определения квадратурных фазовых сдвигов синусоидальных сигналов [6] содержащее последовательно соединенные блок умножения, блок усреднения фильтр и блок индикации, который регистрирует напряжение с выхода блока усреднения фильтра, выделяющего постоянную составляющую напряжения с выхода блока умножения. Квадратурный фазовый сдвиг между сигналами определяют, когда постоянная составляющая становится равной нулю.

Этому устройству свойственны также недостатки на инфранизких частотах и при изменении в большом динамическом диапазоне амплитуд исследуемых сигналов погрешность определения квадратурных сдвигов при этих уcловиях значительно возрастает, так как постоянная и переменная составляющие напряжения на выходе блока умножения будут изменяться в больших пределах, что вызовет трудности обеспечения точности измерений при выделении постоянной составляющей из напряжения сигнала произведения.

Целью изобретения является повышение точности.

Указанная цель в устройстве для определения квадратурных фазовых сдвигов синусоидальных сигналов, содержащем последовательно соединенные блок усреднения и блок индикации, выход которого является выходом устройства, достигается тем, что в него дополнительно введены блок деления и блок ограничения, причем два входа блока деления один для сигнала делимого, другой для сигнала делителя, подключены к двум входам устройства, выход блока деления через блок ограничения подключен к блоку усреднения.

Сущноcть изобретения заключается в том, что регистрируют сигнал частное от деления величин одного исследуемого сигнала на величины другого, ограничивают по абсолютной величине эти значения, а квадратурные фазовые сдвиги определяют, когда усредненное значение на выбранном интервале времени будет равно нулю.

При делении двух синусоидальных сигналов одинаковой 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 и по виду напоминать функции тангенсов или котангенсов.

В случае F₁ > F₂, F₂ 0, выражение (1) запишем следующим образом для К > 0, 0 < F_о < π/2 и К < 0, π/2 < F_o < π: f (t) K [cos F_o + sin F_o ctg (2π t/T)] (2) где Т 2π/w;К| A/В; 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_о < -π/2: f(t) К{1/[cos F_o + sin F_o ctg(2πt/Т)] (3) Положив F_o -270 или F_o 90 (первый вариант квадратурных фазовых сдвигов между двумя синусоидальными сигналами), будем иметь следующие значения: sinF_o 0; соsF_o 1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получим соответственно f(t) К[ctg(2π t/Т)] (4) f(t) К[tg(2π t/Т)] (5)
Положив F_о 270 или F_o -90 (второй возможный вариант квадратурных фазовых сдвигов между двумя синусоидальными сигналами) будем иметь следующие значения sinF_o -1, соsF_o 0. Подставляя их в выражения (2) и (3), получим соответственно
f(t) -К[ctg(2 π t/Т)] (6)
f(t) -К[tg(2 πt/Т)] (7)
Следовательно, в случае квадратурных фазовых сдвигов получим функцию f(t) в виде функции тангенса или котангенса, умноженных на соответствующие коэффициенты К, т. е. будем иметь функцию f(t), симметричную относительно момента времени t(о), соответствующего середине рассматривае- мого полупериода сигнала делителя (фиг. 1). Коэффициент К будет определять лишь наклон функции f(t). Следовательно, на интервале времени внутри любого рассматриваемого полупериода сигнала делителя, середины которых совпадают, площади фигур, ограниченные осью абсцисс и функцией f(t) сигнала частного, равны между собой (фиг. 1).

Среднее значение t_с функции f(t) определяется через интеграл следующим образом
f_c= (1/T) f(t)dt (8) где Т интервал усреднения.

Так как в рассматриваемом интервале времени площади над осью абсцисс и под осью абсцисс равны, а середина этого интервала совпадает с серединой полуволны сигнала делителя, то среднее значение f_c на этом интервале времени равно нулю
f_c= (2/T)f(t)dt-(2/T)f(t)dt 0
Таким образом, усредненное значение функции f(t) сигнала частного для квадратурных фазовых сдвигов двух синусоидальных сигналов равно нулю, причем усреднять значения можно на большом интервале времени или на сравнительно малом интервале времени, середина которого совпадает с серединой полуволны рассматриваемого сигнала делителя. При использовании интервала времени для усреднения, которое гораздо больше, чем интервал времени, соответствующий полупериоду исследуемых сигналов, можно считать, что условие соответствия середин интервалов времени всегда выполняется.

Следует отметить, что при изменении амплитуд исследуемых сигналов при сохранении их соотношений значения функции f(t) не будут изменяться, что также повышает точность измерений при анализе фазовых соотношений.

При малых отклонениях от квадратурных фазовых сдвигов двух синусоидальных сигналов значения функции f(t) сигнала частного будут подниматься или опускаться относительно оси абсцисс, т. е. будет нарушаться симметрия функции f(t) относительно середины рассматриваемого полупериода сигнала делителя, следовательно, будут различаться и площади фигур над осью абсцисс и под осью абсцисс. Поэтому при усреднении значений функции f(t) в тех же условиях будет наблюдаться постоянная составляющая, знак которой будет зависеть от величины отклонения фазового сдвига от квадратурного.

Для повышения разрешающей способности следует симметрично ограничивать по уровню сигнал частное, что уменьшает величину сравниваемых площадей. В этом случае при нарушении симметрии функции f(t) можно получить увеличение чувствительности (фиг. 1).

Функциональная схема устройства представлена на фиг. 2.

Устройство для определения квадратурных фазовых сдвигов двух синусоидальных сигналов содержит блок деления 1, блок ограничения 2, блок усреднения 3, блок индикации 4.

Блоки в устройстве соединены следующим образом.

Первые и вторые входы блока деления 1, причем первый вход для сигнала делимого, второй вход для сигнала делителя, подключены к первому и второму входам устройства соответственно. Выход блока деления 1 подключен к входу блока 2 ограничения. Выход блока 2 ограничения соединен с входом блока 3 усреднения. Выход блока 3 усреднения соединен с входом блока 4 индикации, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Входные сигналы U_х(t) и U_y(t) поступают на первый и второй входы блока деления 1. На выходе блока деления 1 получают напряжение U₁(t), пропорциональное частному от деления двух сигналов U_х(t)/U_y(t), изменяющееся на интервале полупериода сигнала делителя по закону, близкому к виду функции тангенса или котангенса. Если сигнал делимое U_х(t), к примеру, опережает сигнал делителя U_y(t), то U₁(t) имеет вид котангенса (фиг. 2-1). Это напряжение U₁(t), поступает на блок 2 ограничения, на выходе которого напряжение U₁(t) симметрично ограничивается по уровню. На выходе блока 2 ограничения получают напряжение U₂(t), абсолютная величина которогоU₂(t)| < U_огр. (фиг. 2-2). Это напряжение U₂(t) поступает на блок 3 усреднения, на выходе которого получают напряжение U₃, которое в случае квадратурных фазовых сдвигов будет равно нулю. Напряжение U₃ поступает на блок 4 индикации, который анализирует напряжение U₃ и вырабатывает сигнал напряжения U₄ в случае U₃ 0.

Устройство выполнено на стандартных элементах по известным схемам, например блок деления 1 [7] в качестве блока 2 ограничения можно использовать прецизионный ограничитель [8] в качестве блока 3 усреднения можно использовать фильтр нижних частот; в блоке 4 индикации для формирования логического выходного сигнала можно использовать компаратор [9]
Предлагаемое устройство имеет 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

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАДРАТУРНЫХ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, содержащее последовательно соединенные блок усреднения и блок индикации, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок деления и блок ограничения, причем два входа блока деления (один для сигнала-делимого, второй для сигнала-делителя) подключены к двум входам устройства, выход блока деления через блок ограничения подключен к блоку усреднения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2