Устройство для определения соотношения фаз гармонических сигналов

 

Использование: в измерительной технике, а именно в устройствах для различения синфазности и противофазности гармонических сигналов в прецизионных устройствах инфранизкочастотного диапазона, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и изменяться в широких пределах. Сущность изобретения: устройство для определения соотношения фаз гармонических сигналов содержит последовательно соединенные блок 3 деления, второй блок 6 сравнения и первый блок 5 сравнения, при этом входы блока 3 являются входами устройства, выходом которого является выход блока 5, причем выход блока 3 через блок 4 усреднения соединен со вторыми входами второго блока 6 и первого блока 5 сравнения. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствах определения соотношения фаз, в частности к устройствам для различения синфазности и противофазности двух гармонических сигналов и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устройствах инфранизкочастотного диапазона, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой.

Известно устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов [1] 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, когда уменьшается скорость изменения сигнала и возникает погрешность при формировании опорных импульсов. Кроме этого устройство не позволяет различать синфазность и противофазность исследуемых сигналов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по общим используемым признакам является устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов [2] содержащее первую и вторую входные шины устройства, блок деления, блок выделения экстремумов, блок сравнения и выходную шину устройства с соответствующими связями.

Такое устройство позволяет определить синфазность и противофазность исследуемых сигналов, оно обладает высокой точностью в широком частотном диапазоне даже тогда, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь в большом динамическом диапазоне, однако оно не различает синфазность и противофазность.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.

Цель в устройстве определения соотношения фаз гармонических сигналов, содержащем первую и вторую входные шины устройства, блок деления и первый блок сравнения, причем первая входная шина устройства подключена к первому входу блока деления, второй вход которого подключен к второй входной шине устройства, выход первого блока сравнения подключен к выходной шине устройства, достигается тем, что в него введены блок усреднения и второй блок сравнения, первый вход которого подключен к выходу блока деления и к входу блока усреднения, выход которого подключен к вторым входам первого и второго блоков сравнения, первый вход первого блока сравнения подключен к выходу второго блока сравнения.

Сущность изобретения заключается в том, что, после деления значений исследуемых сигналов на друга, сравнивают текущие значения сигнала-частного и их усредненное значение, в моменты времени, когда различия между ними отсутствуют, определяют знак усредненного значения, по значению этого знака и судят о наличии синфазности или противофазности.

При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное f(t) представляет собой функцию времени, которую рассматривают на интервалах времени, когда сигнал-делитель не равен нулю: f(t)=[Asin(ωt+F1)]/[Bsin(ωt+F2) (1) где F₁ и F₂ начальные фазы двух исследуемых сигналов; A и B 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) можно записать аналогично [2] следующим образом для K>0, 0 ≅ F_o ≅ π/2 и K<0, π/2 < F_o ≅ π: f(t)=K[cosF_o+sinF_octg(2πt/T)], (2) где T=2π/ω; F₀ разность фаз между исследуемыми колебаниями.

В случае F₂>F₁, F₁= 0 можно записать для K>0, -π/2 ≅ F_o ≅ 0 и K<0, -π ≅ F_o < -π/2: f(t)=K{1/[cosF_o+sinF_octg(2πt/T)]} (3) Положив F₀ (условие синфазности), будем иметь значения sin F₀=0; cos F₀= 1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получим, соответственно: Положив F₀=±180 (условие противофазности) будем иметь значения sin F₀ 0, cos F₀ -1. Подставляя их в выражения (2) и (3), получим, соответственно:

Следовательно, в случае синфазности получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной +K, то есть f(t)=+K, а в случае противофазности получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению -K, то есть f(t)= -K. при малых отклонениях от идеальной синфазности и противофазности к полученным значениям ±K будет добавляться значение, образованное из вторых слагаемых, заключенных в квадратные скобки выражений (4)-(7), в которых вместо нуля подставляются значения sin F₀.

Значения tgωt и ctgωt рассматриваются на интервале полупериода сигнала-делителя, то есть 0 < ωt < π значения слагаемых 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 в случае синфазности получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению +K, то есть f(t)cp=+K, в случае противофазности получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению -K, то есть f(t)cp=-K.

На чертеже представлена функциональная схема устройства. Устройство для определения соотношения фаз гармонических сигналов содержит: первую входную шину 1 устройства, вторую входную шину 2 устройства, блок 3 деления, блок 4 усреднения, первый блок 5 сравнения, второй блок 6 сравнения, выходную шину 7 устройства.

Блоки в устройстве соединены между собой следующим образом. Первая и вторая входные шины 1, 2 устройства подключены к первому и второму входам блока 3 деления, соответственно. Выход блока 3 деления подключен к входу блока 4 усреднения и к первому входу второго блока 6 сравнения, второй вход которого подключен к выходу блока 4 усреднения и к второму входу первого блока 5 сравнения. Выход второго блока 6 сравнения подключен к первому входу первого блока 5 сравнения, выход которого подключен к выходной шине 7 устройства.

Устройство для определения соотношения фаз гармонических сигналов работает следующим образом. Входные сигналы в виде первого входного гармонического сигнала напряжения U_x(t)=Asin(ωt+F₁) и второго гармонического сигнала напряжения U_y(t)=Bsin(ωt+F₂) поступают на первую и вторую входные шины 1, 2 устройства, следовательно, напряжения U_x(t), U_y(t) поступают на блок 3 деления, причем напряжение U_x(t) является сигналом делимым, а напряжение U_y(t) является сигналом-делителем.

На выходе блока 3 деления получают напряжение U₃(t), пропорциональное частности от деления f(t)=U_x(t)/U_y(t). Это напряжение поступает на блок 4 усреднения, на выходе которого получают напряжение U₄(K). Это напряжение при разовых сдвигах F₀, близких к синфазным или противофазным будет приближаться к значению напряжения, соответствующего отношению значений амплитуд входных сигналов.

Напряжение U₄(K) с выхода блока 4 усреднения поступает на вторые входы первого и второго блоков 5 и 6 сравнения. Напряжение U₄(K) является опорным напряжением для второго блока 6 сравнения, на первый вход которого поступает текущее значение напряжения U₃(t), которое сравнивается с усредненным значением напряжения U₃(t). При синфазности или противофазности исследуемых сигналов значения напряжения U₃(t) и U₄(K) будут равны между собой, и на выходе второго блока 6 сравнения получают напряжение U₆, к примеру, в виде логической единицы. Тогда при отклонениях от синфазности или противофазности на выходе второго блока 6 сравнения будет напряжение логического нуля.

Напряжение U₆ является управляющим для первого блока 5 сравнения, на второй вход которого, являющегося информационным, поступает напряжение U₄(K) с выхода блока 4 усреднения. При отклонениях от синфазности или противофазности на управляющем входе первого блока 5 сравнения будет напряжение логического нуля, которое блокирует выходное напряжение, и на выходе первого блока 5 сравнения получают выходное напряжение логического нуля, то есть U_вых= U₅="0".

В случае синфазности или противофазности управляющее напряжение U₆ будет равно логической единице, которая "открывает" первый блок 5 сравнения. В случае синфазности получим на выходе устройства напряжение логической "+1", а в случае противофазности получим напряжение логической "-1".

Устройство выполнено на стандартных элементах по известным схемам, например: блок 3 деления выполнен аналогично блоку деления из [3a] блок 4 усреднения выполнен с помощью ФНЧ на ОУ; первый и второй блоки 5 и 6 сравнения выполнены с помощью компараторов аналогично [3б, в]
Предлагаемое устройство не только позволяет четко определять синфазность и противофазность исследуемых сигналов, но и позволяет их различать, имея преимущества перед многими другими устройствами по своей простоте и точности, особенно в инфранизкочастотном диапазоне, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь в большом динамическом диапазоне.

Формула изобретения

Устройство для определения соотношения фаз гармонических сигналов, содержащее первую и вторую входные шины устройства, блок деления и первый блок сравнения, причем первая входная шина устройства подключена к первому входу блока деления, второй вход которого подключен к второй входной шине устройства, выход первого блока сравнения подключен к выходной шине устройства, отличающееся тем, что в него введены блок усреднения и второй блок сравнения, первый вход которого подключен к выходу блока деления и к входу блока усреднения, выход которого подключен к вторым входам первого и второго блоков сравнения, первый вход первого блока сравнения подключен к выходу второго блока сравнения.