Способ сдвига синусоидального сигнала по фазе

 

Использование: в электротехнике для построения частотно-независимых элементов сдвига фазы устройств автоматизации энергосистем, предназначено для сдвига низкочастотного синусоидального сигнала по фазе. Сущность изобретения: способ основан на получении вспомогательного сигнала путем фазового сдвига исходного сигнала в произвольную сторону без изменения амплитуды, формирования первого и второго дополнительных сигналов соответственно как полусуммы и полуразности исходного и вспомогательного сигналов, одновременном измерении в дискретные моменты времени мгновенных значений дополнительных сигналов и получении путем аналого-цифрового преобразования последовательности цифровых отсчетов мгновенных значений первого и второго дополнительных сигналов, фиксации для двух моментов измерения цифровых отсчетов каждого из дополнительных сигналов, определении по ним цифровых отсчетов мгновенных значений выходного сигнала и формировании последовательности упомянутых цифровых отсчетов, получении путем цифро-аналогового преобразования последних сдвинутого выходного аналогового сигнала. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, предназначено для сдвига низкочастотного синусоидального сигнала по фазе и может быть использовано в области автоматизации энергосистем для построения элементов сдвига фаз.

Известен способ сдвига синусоидального сигнала по фазе (патент Франции N 1558591, кл.H O3 H 11/18, 1968), при котором сдвинутый синусоидальный сигнал формируют как разность двух вспомогательных сигналов, полученных путем сдвигов по фазе исходного сигнала соответственно в сторону опережения и в сторону отставания при установленной частоте на угол, равный половине заданного угла фазового сдвига.

Указанный способ позволяет осуществить сдвиг синусоидального сигнала по фазе как при установленной частоте, так и при ее отклонении от этого значения, что является его достоинством. Основной недостаток известного способа состоит в том, что амплитуда сдвинутого по фазе сигнала зависит от частоты.

Наиболее близким к предлагаемому по сущности и достигаемому результату является способ сдвига синусоидального сигнала по фазе (а.с. SU N 5728966, кл. H O3 H 7/18, опубл. 15.09.77), при котором путем фазового сдвига исходного сигнала в произвольную сторону получают вспомогательный сигнал, без изменения амплитуды формируют первый и второй квадратурные сигналы из исходного и вспомогательного сигналов.

Данный способ также обеспечивает заданный сдвиг синусоидального сигнала по фазе при частотах, отличных от установленной. Кроме того, для реализации способа требуется только один вспомогательный сигнал, сдвинутый относительно исходного на произвольный угол, что является его достоинством. Недостатком этого способа, как и предыдущего, является изменение амплитуды вспомогательного сигнала при отклонении частоты от установленного значения.

Цель изобретения исключение зависимости амплитуды и фазы выходного сигнала от частоты.

На фиг. 1-3 поясняется сущность способа; на фиг. 4 представлена структурная схема аналого-цифрового устройства для реализации способа.

Способ сдвига синусоидального сигнала по фазе основан на получении вспомогательного сигнала путем фазового сдвига исходного сигнала в произвольную сторону без изменения амплитуды, формировании первого и второго дополнительных сигналов соответственно как полусуммы и полуразности исходного и вспомогательного сигналов, одновременном измерении в дискретные моменты времени мгновенных значений дополнительных сигналов и получении путем аналого-цифрового преобразования последовательности цифровых отсчетов мгновенных значений первого и второго дополнительных сигналов, фиксации для двух моментов измерения цифровых отсчетов каждого из дополнительных сигналов, определении по ним цифровых отсчетов мгновенных значений выходного сигнала согласно математическому выражению: где δ угол фазового сдвига; U_1(n-1), U_1(n) цифровые отсчеты мгновенных значений первого дополнительного сигнала для двух последовательных моментов измерения; U_2(n-1), U_2(n) цифровые отсчеты мгновенных значений второго дополнительного сигнала для двух последовательных моментов измерения; и формировании последовательности упомянутых цифровых отсчетов, получении путем цифроаналогового преобразования последних сдвинутого выходного аналогового сигнала.

Сущность способа сдвига синусоидального сигнала по фазе состоит в следующем.

Предположим, что исходный синусоидальный сигнал необходимо сдвинуть по фазе на угол δ сформировав в результате выходной сигнал При этом угол δ и амплитуда выходного сигнала не должны зависеть от частоты и кроме того, амплитуда выходного сигнала должна равняться амплитуде исходного сигнала.

Путем фазового сдвига исходного сигнала без изменения амплитуды в произвольную сторону, например в сторону отставания на угол α получают вспомогательный сигнал (фиг.1) Угол α выбирают в диапазоне при α<0 и при α>0. При угле a близком к 0 в первом случае и a близком к p во втором обеспечивается максимальное быстродействие формирования вспомогательного сигнала. Если модуль угла a равен p/2 то обеспечивается наиболее высокая точность получения дополнительных сигналов. Конкретное значение угла α выбирают в зависимости от того, который из указанных критериев является определяющим.

Первый дополнительный сигнал и второй дополнительный сигнал формируют соответственно как полусумму и полуразность исходного и вспомогательного сигналов Поскольку амплитуды сигналов равны и не зависят от частоты, векторы дополнительных сигналов всегда совпадают с диагоналями ромба, образованного векторами в связи с чем угол между векторами составляет π/2 и не зависит от угла α между а следовательно, и от частоты исходного сигнала.

Для произвольного момента времени t_n мгновенные значения дополнительных сигналов равны (фиг. 1,2)

где U_m1, U_m2 амплитуды соответственно первого и второго дополнительных сигналов;
ω угловая частота.

Мгновенные значения дополнительных сигналов для момента времени t_n-1 определяются как

Поскольку цифровые отсчеты мгновенных значений первого и второго дополнительных сигналов являются непосредственно измеряемыми величинами, то из уравнений (4), (5) определяют амплитуды U_m1, U_m2 дополнительных сигналов

Из векторной диаграммы (фиг.1) следует, что амплитуда исходного сигнала равна

После подстановки U_m1 и U_m2 в (7) получают

Из векторной диаграммы (фиг.1) следует, что

После подстановки U_m1 и U_m2 в (9) получают

Подставив U_m1, U_m2, в (4), после несложных преобразований получают

Цифровые отсчеты мгновенных значений синусной u_s(n) и косинусной U_c(n) ортогональных составляющих исходного сигнала для момента времени t_n равны

Подставив U_m,sin wt_n, cos wt_n в (12), получают

Если известны для момента времени t_n цифровые отсчеты мгновенных значений ортогональных составляющих исходного сигнала, то, как следует из векторной диаграммы (фиг. 3), цифровой отсчет мгновенного значения выходного сигнала при условии U_{m вых} U_m и угле сдвига δ равен
U_вых(n)= cosδU_s(n)+sinδU_c(n) (14)
После подстановки U_s(n), U_c(n) в (14) получают выражение (1) для определения цифровых отсчетов мгновенных значений сдвинутого выходного сигнала,
Из полученной по выражению (1) для различных моментов времени последовательности цифровых отсчетов U_вых(n) (n 2,3.) путем цифро-аналогового преобразования формируют сдвинутый выходной аналоговый сигнал.

Предлагаемый способ обеспечивает формирование сдвинутого на заданный угол δ выходного сигнала, амплитуда которого равна амплитуде исходного сигнала. При этом угол фазового сдвига и амплитуда выходного сигнала не зависят от частоты исходного сигнала. Таким образом, устраняется основной недостаток прототипа исключается зависимость амплитуды сигнала от частоты.

Гибридное аналого-цифровое устройство для реализации предложенного способа (фиг. 4) содержит входной преобразователь 1, на вход которого подается исходный синусоидальный сигнал U_вх, фазовращатель 2, вход которого соединен с выходом преобразователя 1, сумматор 3 и вычитатель 4, первые входы которых подключены к выходу фазовращателя 2, а вторые к выходу преобразователя 1, цифровой процессор обработки аналоговых сигналов (ЦПОС) 5, аналоговый выход которого является выходом устройства, а первый и второй аналоговые входы подключены соответственно к выходам сумматора 3 и вычитателя 4.

Входной преобразователь 1 представляет собой промежуточный трансформатор и выполняет функцию гальванического разделения цепей исходного синусоидального сигнала и цепей устройства. Фазовращатель 2 представляет собой номинально-фазовое звено на операционном усилителе, коэффициент передачи которого не зависит от частоты (Овчаренко Н.И. Аналоговые и цифровые элементы автоматических устройств энергосистем. М.Энергоиздат, 1989, с. 180-185). Сумматор 3 и вычитатель 4 известные двухвходовые элементы, реализуемые с использованием операционных усилителей, абсолютное значение коэффициентов передачи которых равно 0,5. ЦПОС 5 известная перепрограммируемая микросхема К1813ВЕ1 цифровой обработки непрерывных сигналов в реальном масштабе времени, содержащая в одном кристалле аналоговые системы ввода и вывода информации с цифровым блоком обработки, системой постоянной и оперативной памяти (Хвощ С.Т. Варлинский Н.И. Попов Е.А. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления/ Справочник под общ. ред. С.Т. Хвощ. Л. Машиностроение, 1987, с. 400-404).

Устройство работает следующим образом. Синусоидальный исходный сигнал U_вх поступает на вход преобразователя 1 и преобразуется в пропорциональный сигнал с той же амплитудой. Выходной сигнал преобразователя 1 подается на вход фазовращателя 2 и вторые входы сумматора 3 и вычитателя 4. На выходе фазовращателя 2 получается сигнал U_в такой же амплитуды, как и входной, но сдвинутый по отношению к нему в сторону отставания на угол a который поступает на первые входы сумматора 3 и вычитателя 4. На выходах сумматора 3 и вычитателя 4 формируются сигналы U₁ и U₂, равные соответственно полусумме и полуразности мгновенных значений исходного сигнала U_вх и выходного сигнала фазовращателя U_в. Выходной сигнал сумматора U₁ подводится к первому аналоговому входу ЦПОС 5, на второй аналоговый вход которого подается выходной сигнал вычитателя U₂.

Полученные дополнительные сигналы U₁ и U₂, поступающие на аналоговые входы ЦПОС 5, подвергаются цифровой обработке в реальном масштабе времени. Циклически с интервалом дискретизации, задаваемым временной задержкой, получают цифровые отсчеты мгновенных значений первого и второго дополнительных сигналов, по которым определяют цифровые отсчеты мгновенных значений выходного сигнала и формируют сдвинутый аналоговый сигнал.

При этом в начале каждого цикла посредством аналоговой системы ввода информации ЦПОС 5 измеряют мгновенные значения дополнительных сигналов и путем аналого-цифрового преобразования получают их цифровые отсчеты U_1(n), U_2(n), которые записывают в соответствующие ячейки памяти. По цифровым отсчетам U_1(n-1), U_2(n-1), дополнительных сигналов, содержащихся в ячейках памяти ЦПОС 5, которые получены в начале предыдущего цикла, и отсчетам U_1(n), U_2(n), полученным в начале текущего цикла, хранящимся также в ячейках памяти ЦПОС 5, в соответствии с выражением (1) определяют цифровые отсчеты мгновенных значений сдвинутого сигнала U_вых(n) и записывают их в ячейки памяти ЦПОС 5. Посредством системы вывода информации ЦПОС 5 путем цифроаналогового преобразования формируют аналоговую величину выходного сигнала. Затем цифровым отсчетом U_1(n-1), U_2(n-1) предыдущего цикла соответственно присваивают значения отсчетов U_1(n), U_2(n) текущего цикла и после создания временной задержки переходят к выполнению очередного цикла.

Способ может быть использован для построения частотонезависимых элементов сдвига фазы устройств автоматизации энергосистем.

Формула изобретения

Способ сдвига синусоидального сигнала по фазе, при котором путем фазового сдвига исходного сигнала в произвольную сторону получают вспомогательный сигнал без изменения амплитуды, формируют первый и второй дополнительные сигналы, отличающийся тем, что первый и второй дополнительные сигналы получают соответственно как полусумму и полуразность исходного и вспомогательного сигналов, одновременно измеряют в дискретные моменты времени мгновенные значения дополнительных сигналов и путем аналого-цифрового преобразования получают последовательность цифровых отсчетов мгновенных значений первого и второго дополнительных сигналов, фиксируют для двух моментов измерения цифровые отсчеты каждого из дополнительных сигналов и определяют цифровые отсчеты мгновенных значений выходного сигнала согласно выражению

где δ - угол фазового сдвига;
n 2, 3,
U_1(n-1), U_1(n) цифровые отсчеты мгновенных значений первого дополнительного сигнала для двух последовательных моментов измерения;
U_2(n-1), U_2(n) цифровые отсчеты мгновенных значений второго дополнительного сигнала для двух последовательных моментов измерения,
формируют последовательность этих цифровых отсчетов, из которой путем цифроаналогового преобразования получают сдвинутый по фазе выходной сигнал.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4