Измеритель отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерителях отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов. Цель изобретения - повышение точности измерений при определении характеристик сигналов, близких к синфазным или противофазным и имеющих искажения в области экстремальных значений. Измеритель содержит блок 1 деления постоянных напряжений, формирователь 2 управляющих сигналов, первый блок 3 и второй блок 4 выборки-хранения, блок 5 извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин с соответствующими связями. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, частоты которых равны друг другу или имеют близкие значения. К устройству предъявляются повышенные требования по точности измерений при определении характеристик сигналов, близких к синфазным или противофазным, и имеющих искажения в области экстремальных значений.

В основу большинства измерителей отношения положен принцип преобразования переменных напряжений в постоянные, пропорциональные по величине амплитудам исследуемых сигналов с последующим измерением отношений этих постоянных напряжений [1] Известны устройства определения отношений двух синфазных сигналов без преобразования их амплитуды, например устройство [2] содержит фазовращатель для сдвига фаз одного из синфазных сигналов, сумматор, блок управления, фазометр и блок вычислений с соответствующими связями. Устройство довольно сложное, погрешность измерения невысокая, особенно при искажениях экстремальных значений сигналов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения модуля полного сопротивления [3] содержащее два выпрямительных фильтра, на которые поступают периодические сигналы, пропорциональные напряжению и току, а также блок деления постоянных напряжений. Устройство довольно простое, однако погрешность измерения существенно возрастает при искажениях входных сигналов ( например, наличие выбросов или ограничение по уровню).

Цель изобретения увеличение точности измерения.

Для этого измеритель отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, содержащий блок деления постоянных напряжений, дополнительно содержит формирователь управляющих импульсов, два блока выборки-хранения и блок для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин, причем первый вход измерителя подключен к первому входу блока деления постоянных напряжений, второй вход измерителя подключен к входу формирователя управляющих импульсов и второму входу блока деления постоянных напряжений, выход которого подключен к информационным входам первого и второго блоков выборки-хранения, первый выход формирователя управляющих импульсов подключен к управляющему входу первого блока выборки-хранения, выход которого подключен к первому входу блока для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин, второй вход которого подключен к выходу второго блока выборки хранения, управляющий вход которого подключен к второму выходу формирователя управляющих импульсов, выход блока для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин является выходом измерителя.

Формирователь управляющих импульсов содержит два умножителя частоты, элемент И-НЕ и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем первый и второй умножители частоты соединены последовательно, вход первого умножителя подключен к входу формирователя импульсов, первые и вторые входы элементов И-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ попарно соединены между собой и подключены к входу и выходу второго умножителя частоты соответственно, выходы элементов И-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к первому и второму выходам формирователя импульсов соответственно.

Входные квазисинусоидальные сигналы Xt, Yt напряжений Ux(t) Uy(t) представлены в виде функций, рассматриваемых на интервалах времени полуволны сигнала-делителя Yt, где он не равен нулю Ux(t)=Ux(bj); Uy(t)=Uy(bj), (1) где t текущее время при регистрации исследуемых сигналов; Ux(bj), Uy(bj) соответствующие сигналы на рассматриваемых интервалах времени bj.

Сигналы Ux(bj) и Uy(bj) (фиг.1) на интервалах времени bj аппроксимируют в виде фрагментов синусоид, для которых справедливы следующие равенства: где A₁, A₂ значения амплитуд сигналов; ω= (2π/T) значения круговой частоты сигналов; F₁,F₂ начальные фазы, исследуемых сигналов.

Рассмотрим сигнал-частное f(t) двух сигналов из (2), (3), обозначив отношение значений амплитуд через K=A₁/A₂, тогда f(t)=K[sin(ωt+F₁)]/sin(ωt+F₂)], (4)
где f(t) функция на интервале времени bj, определяемая отношением двух исследуемых сигналов Ux(bj) и Uy(bj).

После некоторых преобразований функцию сигнала-частного f(t) из (4) можно представить в следующем виде:

Для произвольного значения разности фаз F_o между сигналами X(t) и Y(t) примем значение начального фазового сдвига F₂=0 при F₁>F₂, тогда (6) после преобразования будет иметь вид
f(t) = K[cosF_o+(sin F_o/tgωt)] (7)
Разделив левую и правую части в (7) на K, получим
f(t)/K = cosF_o+(sin F_o/tgωt) (8)
Рассмотрим выражение (8) в момент времени t₁, когда значение wt₁=π/4, соответствующий моменту времени, равному четверти полупериода сигнала-делителя или 1/8 периода Т исследуемых колебаний. В этом случае знаменатель второго слагаемого обращается в единицу, так как tgωt= tgπ/4=1, следовательно
f(t₁)/K=cos F_o+sin F_o (9)
Рассмотрим выражение (8) в момент времени t₂, когда значение соответствующий моменту времени, равному три четверти полупериода сигнала-делителя или 3/8 периода Т исследуемых колебаний. В этом случае знаменатель второго слагаемого обращается в минус единицу, так как tg 3π/4 = -1,4 следовательно
f(t₂)/K=cos F_o-sin F_o (10)
После преобразования выражений (9) и (10) возведения в квадрат левых и правых частей уравнений получим соответственно
[f(t₁)]²/K²=1+sin 2 F_o (11)
[f(t₂)]²/K²=1-sin 2 F_o (12)
Сложив левые и правые части уравнений (11) и (12), получим
[f(t₁)]²/K²+[f(t₂)]²/K²=2 (13)
[f(t₁)]²+[f(t₂)]²=2K² (14)
Из выражения (14) получим следующее уравнение для определения отношения K значений амплитуд исследуемых сигналов:

Таким образом, получено математическое выражение для определения отношения K значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов. Для проведения измерения вдали от экстремумов следует работать с сигналами, близкими к синфазным или противофазным.

Функциональная схема измерителя представлена на фиг.2.

Измеритель содержит блок 1 деления постоянных напряжений, формирователь 2 управляющих импульсов, первый блок 3 выборки-хранения, второй блок 4 выборки-хранения, блок 5 для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин.

Блоки в измерителе соединены следующим образом. Первый вход измерителя подключен к первому входу блока 1 деления постоянных напряжений, второй вход которого подключен к формирователю 2 управляющих импульсов и второму входу измерителя. Выход блока 1 деления постоянных напряжений подключен к информационным входам первого блока 3 и второго блока 4 выборки-хранения. Первый выход формирователя 2 управляющих импульсов подключен к управляющему входу первого блока 3 выборки-хранения, второй выход формирователя 2 управляющих импульсов к управляющему входу второго блока 4 выборки-хранения. Выход первого блока 3 выборки-хранения подключен к первому входу блока 5 для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин, второй вход которого подключен к выходу второго блока 4 выборки-хранения. Выход блока 5 для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин подключен к выходу измерителя.

Функциональная схема формирователя 2 управляющих импульсов представлена на фиг. 3. В его состав входят первый и второй умножители частоты 6 и 7, элемент И-НЕ 8, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9. Блоки соединены между собой следующим образом. Первый и второй умножители частоты 6 и 7 соединены последовательно, причем вход первого подключен к входу формирователя 2 управляющих импульсов. Первые и вторые входы элементов И-НЕ 8 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 попарно соединены между собой и подключены к входу и выходу второго умножителя частоты 7 соответственно. Выходы элементов 8 и 9 подключены к первому и второму выходам формирователя 2 управляющих импульсов соответственно.

Измеритель работает следующим образом.

Входное квазисинусоидальное напряжение Ux(t) поступает на первый вход блока 1 деления постоянных напряжений, на второй вход которого поступает входное квазисинусоидальное напряжение Uy(t), которое поступает также и на вход формирователя 2 управляющих импульсов. На выходе блока 1 деления получают напряжение UI(t)=Ux(t)/Uy(t), которое поступает на информационные входы первого и второго блоков 3, 4 выборки-хранения, на выходе которых получают напряжения U3(t), U4(t) соответственно. Режим работы двух блоков 3 и 4 выборки-хранения выбирается в соответствии с логическими сигналами управления, формирующимися соответственно на первом и втором выходах формирователя 2 управляющих импульсов. Формирование этих логических сигналов управления поясняют временные диаграммы на фиг.4.

Входное квазисинусоидальное напряжение Uy(t) (фиг. 4-1, поступает на первый умножитель 6 частоты, на выходе которого частота сигнала умножается на 2 и формируется напряжение U6, приведенное на фиг.4-2. Напряжение U6 с выхода первого умножителя 6 частоты поступает на вход второго умножителя 7 частоты, который умножает частоту сигнала еще на 2, и на его выходе формируется напряжение U7, приведенное на фиг.4-3. Напряжения U6 и U7 поступают на соответствующие входы логических элементов И-НЕ 8 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, на выходах которых формируют напряжения U8 и U9 соответственно, которые приведены на фиг.4-4 и 4-5.

Таким образом, на первом и втором выходах формирователя 2 управляющих импульсов получают напряжения U2-1=U8 и U2-2=U9 соответственно, являющиеся логическими сигналами для выбора режима работы для блоков 3 и 4 выборки-хранения. Сигналы логического "0" являются в данном случае сигналом выборки, а сигналы логической "1" являются сигналом хранения. Следовательно, в момент времени t₁ (фиг.4.) первый блок 3 выборки-хранения переходит в режим хранения до момента времени t₃, а в момент времени t₂ второй блок 4 выборки-хранения переходит в режим хранений до момента времени t₃.

Таким образом, напряжения U1(t₁)=U3(t₁) и U1(t₁)=U4(t₂), измеренные в моменты времени, равноотстоящие на π/4 от середины t_o полуволны квазисинусоидального сигнала напряжения Uy(t), поступают на первый и второй входы блока 5 для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин, имеющего коэффициент передачи На выходе этого блока 5, соответственно на выходе измерителя в интервале времени t₂-t₃ получают сигнал, величина которого пропорциональна искомому отношению значений амплитуд
Измеритель отношений выполнен на стандартных элементах.

Блок 1 деления постоянных напряжений построен аналогично [4а] В формирователе 2 управляющих импульсов умножители 6 и 7 частоты построены, как показано в [4б] а логические элементы выполнены на промышленных микросхемах серии 564. Блоки 3 и 4 выборки-хранения выполнены аналогично [4в] Блок 5 для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин выполнен, как показано в [5]
Измеритель отношения имеет высокую точность за счет того, что измерения проводят в момент времени, который не связан с экстремумами исследуемых сигналов.

Источники информации
1. Жилинскас Р.П.П Измерители отношения, М. Сов. радио, 1975, с.38-42.

2. Авт. св. СССР N 582515, кл. G 06 G 7/16.

3. Справочник по нелинейным схемам / Под ред. Шейнголда. М. Мир, 1978, с.162-168.

4. Алексенко А. Г. Коломбет Е.А. Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М. Сов. радио, 1981: а) с.96-97; б) с.103; в) с.179-182.

5. Патент СССР N 1838821, ВИ N 32, 1993.

Формула изобретения

1. Измеритель отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, содержащий блок деления постоянных напряжений, отличающийся тем, что он дополнительно содержит формирователь управляющих импульсов, два блока выборки-хранения и блок извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин, причем первый вход измерителя подключен к первому входу блока деления постоянных напряжений, второй вход измерителя подключен к входу формирователя управляющих импульсов и второму входу блока деления постоянных напряжений, выход которого подключен к информационным входам первого и второго блоков выборки-хранения, первый выход формирователя управляющих импульсов подключен к управляющему входу первого блока выборки-хранения, выход которого подключен к первому входу блока извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин, второй вход которого подключен к выходу второго блока выборки хранения, управляющий вход которого подключен к второму выходу формирователя управляющих импульсов, выход блока извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух величин является выходом измерителя.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что формирователь управляющих импульсов содержит два умножителя частоты, элемент И-НЕ и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем первый и второй умножители частоты соединены последовательно, вход первого умножителя частоты подключен к входу формирователя, первые и вторые входы элементов И-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ попарно соединены между собой и подключены к входу и выходу второго умножителя частоты соответственно, выходы элементов И-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ подключены к первому и второму выходам формирователя соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4