Устройство для измерения сдвига фаз сигналов с известным отношением их амплитуд

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам, предназначенным для измерения фазовых сдвигов двух синусоидальных сигналов, и может быть использовано преимущественно в инфранизкочастотном диапазоне при калибровке измерительных каналов и обработке регистрируемых сигналов изменяющихся в большом динамическом диапазоне. Сущность изобретения: устройство содержит блок деления 1, формирователь управляющих импульсов 2, блок дифференцирования 3, тригонометрический преобразователь 4, блок выборки хранения 5, первую и вторую входные шины, выходную шину с соответствующими связями. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике в частности к устройствам для измерения фазовых сдвигов двух синусоидальных сигналов, и может быть использовано преимущественно в инфранизко- частотном диапазоне при калибровке измерительных каналов и обработке регистрируемых сигналов, изменяющихся в большом динамическом диапазоне.

К устройству предъявляют требования обеспечения высокой точности измерения фазовых сдвигов от Π/2 до +Π /2 для сигналов с известным отношением их амплитуд при высоком быстродействии и простоте конструкции.

Известно простое устройство определения сдвига фаз [1] содержащее перемножитель этих исследуемых сигналов и устройство, выделяющее постоянную составляющую полученного от перемножения сигналов. Величина напряжения этой постоянной составляющей пропорциональна абсолютному значению фазового сдвига.

Устройство характеризуется низким быстродействием, незначительной точностью определения фазовых сдвигов, особенно в инфранизкочастной области из-за необходимости выделять постоянную составляющую с высокой точностью, полученную от перемножения сигналов.

Более сложные устройства позволяют повысить точность. В [2] 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 нижних частот с соответствующими связями.

Такое устройство обладает низким быстродействием, измеряет вместо искомого значения разности фаз другие значения разности фаз, при этом требуется измерять также и отношение частот, что снижает точность измерений.

В [3] предложено устройство для измерения фазового сдвига двух синусоидальных сигналов, содержащее модулятор, генератор несущей частоты, фильтр низкой частоты, регистратор, демодулятор, множительное уcтройcтво, которое имеет преимущеcтво перед [2] однако оно является невысоким по точности, так как использует много промежуточных действий модуляцию, демодуляцию, перемножение. Устройство обладает низким быстродействием.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных технических признаков является устройство [4] 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 тоже время (два после фильтра и два после фазосдвигающих блоков), а разность фаз F_o определяют с помощью решающего блока, который реализует математическую зависимость F_o=signU11[arccosU12/] signU21[arccosU22/] Как видно из этого выражения, устройство содержит функциональные преобразователи, содержащие сумматоры, квадраторы и блоки для извлечения квадратного корня, последовательно соединенные блок деления, тригонометрический преобразователь и управляемый инвертор, подключенный к выходу устройства.

Устройство обладает высоким быстродействием, но довольно сложное, погрешность измерения велика, особенно в области инфранизких частот из-за наличия составляющих погрешностей от дополнительных фазовых сдвигов и необходимости измерений значений корня квадратного из суммы квадратов двух величин.

Целью изобретения является повышение точности измерений при упрощении конструкции.

Цель в устройстве для измерения сдвига фаз сигналов с известным отношением их амплитуд, содержащем блок деления, тригонометрический преобразователь, блок выборки-хранения, достигается тем, что в него дополнительно введены формирователь управляющих импульсов и блок дифференцирования, причем два входа блока деления первый для сигнала-делимого, второй для сигнала-делителя, подключены к первому и второму входам устройства соответственно, последовательно с блоком деления соединены блок дифферен- цирования, тригонометрический преобразователь и блок выборки-хранения, выход которого является выходом устройства, второй вход устройства соединен с входом формирователя управляющих импульсов, выход которого подключен к второму, управляющему входу блока выборки-хранения.

Определение фазового сдвига производят между двумя синусоидальными сигналами: X(t) A1 sin (wt + F1) (1) Y(t) A2 sin (wt + F2) (2) Запишем отношение этих сигналов через функцию f(t) f(t) A1 sin (wt + F1)/A2 sin (wt + F2) Преобразуем это выражение, используя формулу для синуса суммы двух углов и, обозначим К=А1/А2 f(t) K (sin wt cos F1 + sin F1 cos wt)/(sin wt cos F2 + sin F2 cos wt) (3) Поделив числитель и знаменатель (3) на coswt ≠ 0, получим
f(t) K (tg wt cos F1 + sin F1)/(tg wt cos
F2 + sin F2) (4)
Для определения разности фаз F_o между сигналами X(t) и Y(t) примем значение начального фазового сдвига F2=0 при F1>F2, тогда выражение (4) перепишем в виде
f(t) K [cos F_o + (sin F_o/tg wt)] (5)
Разделив числитель и знаменатель в (5) на К, получим
f(t)/K cos F_o + (sin F_o/tg wt) (6)
Рассмотрим выражение (6) в момент времени t1, когда значение wt1 соответствует моменту времени, равному четверти периода исследуемых колебаний Т/4, где T/4= Π/2. В этом случае второе слагаемое обращается в ноль, а сигнал Y(t) делитель в функции f(t) достигает своего экстремума, следовательно
f(t1)/K cos F_o (7)
Продифференцируем выражение (7) и получим
f' (t1)/K sin F_o (8)
Из выражения (8) получим для F_o
F_o arcsin [f' (t1)/K] (9)
Выражение (9) было получено для синфазных сигналов, разность фаз между, которыми лежит в пределах 0 ≅|F_o|≅ Π/2, причем сигнал делимое X(t) опережает при f' (t1) < 0 или отстает при f' (t1) > 0 по фазе от сигнала-делителя Y(t).

Для противофазных сигналов, для которых Π/2< F_o ≅Π уравнение для F_o будет иметь вид:
F_o Π + arcsin [f' (t1)/K] (10)
Это выражение справедливо для f (t1), когда сигнал-делимое X(t) опережает по фазе сигнал-делитель Y(t).

Аналогичные измерения могут быть проведены, когда сигнал-делитель Y(t) опережает по фазе сигнал-делимое X(t). Т.е. для отрицательного значения фазового сдвига, когда f' (t1) > 0 будем иметь аналогично выражению (10) для сдвигов фаз Π ≅F_o < Π/2:
F_o Π + arcsin [f' (t1)/K] (11)
Это выражение справедливо для f' (t1)>0, когда сигнал-делимое отстает по фазе от сигнала-делителя.

Все полученные зависимости для сдвигов фаз -Π≅F_o≅Π в уравнениях (8)-(11) можно записать общим выражением:
F_o m (Π n arcsin [f' (t1)/K]), (12)
где m=1; n=0 для синфазных сигналов, 0 ≅|F_o|≅Π/2.

m= -1; n=1 при f' (t1) > 0 или n=-1 при f (t1) < 0для противофазных сигналов, Π/2 <F| ≅Π
Предлагаемое устройство реализует выражение (9), т.е. для фазовых сдвигов с величинами от Π/2 до + Π/2.

На фиг. 1 и 2 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы его работы.

Устройство содержит блок 1 деления; формирователь 2 управляющих импульсов; блок 3 дифференцирования; тригонометрический преобразователь 4; блок 5 выборки-хранения.

Блоки соединены следующим образом. Первый вход устройства сигнала-делимого соединен с первым входом блока 1 деления. Второй вход устройства сигнал-делителя соединен с входом формирователя 2 управляющих импульсов и вторым входом блока 1 деления. Выход блока 1 деления соединен со входом блока 3 дифференцирования. Выход блока 3 дифференцирования соединен с входом тригонометрического преобразователя 4, выход которого подключен к информационному входу блока 5 выборки-хранения, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя 2 управляющих импульсов. Выход блока 5 выборки-хранения является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Для отфильтрованных исследуемых сигналов синусоидальной формы одинаковой частоты, например, напряжение Ux(t), является сигналом-делимым, а сигнал напряжения Uy(t) является сигналом-делителя, отношение амплитуд которых равно К. Тогда входной сигнал напряжения Ux(t) поступает на первый вход блока 1 деления, а входной сигнал напряжения Uy(t) поступает на вход формирователя 2 управляющих импульсов и второй вход блока 1 деления. На выходе блока 1 деления получают напряжения U1 сигнала-частного, равного U1=f(t)=Ux(t)/Uy(t). Это напряжение U1 поступает на вход блока 3 дифференцирования, имеющего коэффициент передачи К3, равный К3=1/K, на выходе которого получают сигнал напряжения U3, пропорционального производной функции f(t), т.е. U3=f' (t)/K= (U' 1)/K. Знак напряжения U3 определяется знаком производной функции f(t), т. е. определяется тем, которое из напряжений сигнала-делимого или сигнала-делителя опережает по фазе другой сигнал.

Напряжение U3 поступает на вход тригонометрического преобразователя 4, на выходе которого получают сигнал напряжения U4, равного U4=arc sin U3=arcsin[f' (t)/K] Это напряжение U4 поступает на вход блока 5 выборки-хранения, коэффициент передачи которого равен -1, а режим работы устанавливается при помощи логических сигналов "0", "1" напряжения U2, поступающего на его управляющий вход с выхода формирователя 2 управляющих импульсов.

Формирователь 2 управляющих импульсов формирует логические выходные сигналы напряжения U2, которые являются сигналами выборки-хранения, формирование этих импульсов напряжения U2 поясняется диаграммой фиг. 2.

На выходе блока 5 выборки-хранения в режиме "выборка" отслеживаются сигналы напряжений U4, а в моменты времени t1, когда сигнал-делитель достигает своего экстремума, (середина полуволны сигнала-делителя), блок 5 переходит в режим "хранение", то есть в интервалах времени, соответствующие режиму "хранение", получают напряжение U5, равное U5=-arcsin[f' (t1)/K]F_o.

При необходимости можно расширить диапазон измеряемых углов в соответствии с выражением (12), добавив блок для определения квадрантов на входе устройства и управляемый сумматор на выходе устройства.

Предложенное устройство выполнено на стандартных элементах цифровых микросхемах и операционных усилителях.

Блок 1 деления аналогичен блоку деления в [5a] Формирователь 2 управляющих импульсов построен с помощью умножителя частоты на 2, как представлено в [5б] Блок 3 дифференцирования построен на операционном усилителе, как в [5в] В качестве тригонометрического преобразователя 4 можно использовать арксинусный преобразователь, аналогичный преобразователю [6] Блок 5 выборки-хранения построен так же, как и в [5г]
Достоинством предлагаемого устройства является то, что при сохранении высокого быстродействия удается снизить погрешность измерений, так как измерять нужно мгновенное значение всего лишь единственного сигнала, а не четырех, как в прототипе, кроме того, нет необходимости совершать дополнительные фазовые сдвиги, определять значение корня квадратного из суммы квадратов двух величин, как это делается в прототипе.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ СИГНАЛОВ С ИЗВЕСТНЫМ ОТНОШЕНИЕМ ИХ АМПЛИТУД, содержащее блок деления, тригонометрической преобразователь, блок выборки-хранения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены формирователь управляющих импульсов и блок дифференцирования, причем два входа блока деления первый для сигнала-делимого, второй для сигнала-делителя, подключены к первому и второму входам устройства, соответственно, последовательно с блоком деления соединены блок дифференцирования, тригонометрический преобразователь и блок выборки-хранения, выход которого является выходом устройства, второй выход устройства соединен с входом формирователя управляющих импульсов, выход которого подключен к второму - управляющему входу блока выборки-хранения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2