Способ измерения фазового сдвига электрических сигналов

 

iii9835 72

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскнх

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 26.10. 79 (21) 2832125/18-21

Р М К з с присоединением заявки 9 2835598/18-21

G 01 R 25/00

Государственный комитет

СССР ., о делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 2312,82. Бюллетень Мо 47

153) УДК 821.317. .77(088.8) Дата опубликования описания 23. 12.82 (72) Автор изобретеии я

В. Т. Кондратов

Ордена Ленина институт кибернетики АН

Украинской ССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к информа= ционно-преобразовательной и измерительной технике и может быть использовано при построении фазометров, фазочувствительных вольтметров, прямоугольно-координатных компенсаторов переменного тока, измерителей мощности и косинуса угла потерь, анализаторов фазочастотного спектра и другой электронной аппаратуры диапазона низких и инфранизких-частот.

Известен способ измерения фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в, том, что преобразуют и измеряют сигналы в моменты перехода их через нуль и осуществляют функциональную (арксинусную или .арктангенсную) обработку результата измерения сдвига фаз f 1).

Однако этому способу измерения фазового сдвига присущи недостаточная точность измерения- и ограниченный частотный диапазон, обусловленные наличием погрешности от нрравенства амплитуд входных сигналов вследствие того, что операции над сигналами осуществляются с использованием алгоритма связи суюаарного и опорного напряжений 11 =20 „ соз2, М пРи Под = Пк м Неравенство амплитуд приводит к погрешности измерения.

Ограниченный частотный диапазон в известном способе обусловлен наличием операции интегрирования за время равное или,кратное периоду сигнала и операции сдвига фаз, которые реализуются с высокой точностью только на фиксированной частоте или в узком частотном диапазоне.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения фазового сдзига двух переменных напряжений и низких и инфранизких частот с регистрацией разности фаз на экране электроннолучевой трубки в полярной системе координат, заключающийся в том, что из сравниваемого и сдвинутого на

90 по фазе относительно последнего. напряжений формируют.прямоуголь. ный импульсы малой длительности, пи ковые значения которых равны мгновенным значениям укаэанных напряже25 ний в моменты перехода опорного на пряжения через нулевые значения.

Результат измерения определяется из выражения х

Зо .9 = arc S —, У

983572

В соответствии с данным способом измеряют мгновенное значение амплитуды опорного сигнала (1) в момент перехода через нуль сдвинутого по фазе сигнала (2), т.е. в момент времени и, когда Пв (14) =О. Приравнивая выражение (2) нулю и решая относительно Й.tq, найдем что

Qt = 9 Подставив в выражение (1), получим выражение для мгновенного значения амплитуды опорного сигнала:

U@ (tq ) = U sin „=U . (3) 45

Далее измеряют мгновенное значение амплитуды того же сигнала (l) в момент .времени t, в два раза превыаающий временной сдвиг между опорным и сдвинутым по фазе сигналами, т.е. в момент времени (= 2ht =29 Я" М

Подставим значение 1@ в выражение (1)

В результате получим выражение для мгновенного значения амплитуды опорного сигнала в момент времени t©., Up(t )= Пж,э1п2 y=Uo (4) 65 где х = К К К K

Однако известный способ также имеет низкую точность измерения и ограниченный частотный диапазон. Низ кая точность измерения обусловлена погрешностью визуального отсчета угла наклона линии развертки и низкой точностью формирования квадратурного напряжения в широком частотном и динамическом диапазоне.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона и повышение точности измерения., f5

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения фазового сдвига электрических сигналов, заключающемуся в том, что измеряют мгновенное значение ампли- 20 туды опорного сигнала в момент перехода через нуль сдвйнутого по фазе сигнала, вычисляют обратную тригонометрическую функцию результатов измерения, повторно измеряют мгновен- 25 ное значение амплитуды опорного сигнала в момент времени, в два раза превышающий временной сдвиг между опорным и сдвинутым по фазе. сигналами, результат измерения умень- З0 шают в два раза и делят на результат предыдущего измерения.

СущнсФзть способа заключается в следующем.

Допустим, что необходимо измерить, З5 фазовый сдвиг х между опорным и сдвинутым по фазе сигналами

П (t)= О„,„ sinkt (1)

U(p (t) = П sin (Qt- Egg) (2) с неравными амплитудами (U < pU )., Результат измерения (4) уменьшают в два, раза:

U — 0,,5U = 0,5U „ sin2 pg ° (5)

Напряжение (5) делят на результат предыдущего измерения (3) . В результате получают напряжение где S -крутизна преобразования от.( ношения в напряжение.

Затем вычисляют обратную тригонометрическую функцию арккосинус час тного от деления (6).. В результате получают напряжение

Чъ=5,0юСоЬЧ„=5„аЮСоь(5,Co59x), (,) где Я2-крутизна преобразования.

При S =1 получим напряжение

U<= S+arccos (cos 9 ; ) =Saggy, (8) пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу.

На чертеже приведена функциональ- ная схема устройства, реализующего предложенный способ измерения фаэового сдвига.

На схеме обозначены ключи 1 и 2, первый делитель 3, направления, блок

4 формирования временных интервалов, первый делительный блок 5 с памятью, арккосинусный преобразователь б, второй делитель 7 напряжения, второй делительный блок 8, отсчетно-регистрирующий блок 9.

При этом вкоды ключей 1 и 2 соединены между собой и подключены, как и первый вход блока 4 выделения вре-, менных интеРвалов, к входной клемме опорного сигнала. Второй вход блока 4 выделения временных интервалов соединен с входной клеммой сдвинутого по фазе сигнала. Выход ключа 1 подключен к входу делителя первого делительного блока 5 с памятью. Выход. ключа 2,.через первый делитель

3 напряжения, подключен к входу делимого первого делительного блока 5 с памятью. Цепи управления ключей 1 и 2 соединены, соответственно, с импульсными выходами блока 4 формирования временных интервалов, Выход первого делительного блока 5 с памятью подключен к входу арккосинусного преобразователя б, выход которого, через второй делитель 7 напряжения, соединен с входом делимого второго делительного блока 8.

Вход делителя второго делительного блока 8 подключен к аналоговому выходу блока 4 формирования временных интервалов, а выход соединен с отсчетно-регистрирующим блоком 9.

Устройство работает следующим образом.

983572

Формула изобретения

Опорный и сдвинутый п. фазе сигналы (1). и (2)поступают на входы блока выделения временных интервалов. Одновременно сигнал (1) поступает на вход ключей 1 и 2, управ-,. ляемых с помощью блока 4 выделения .временных интервалов. С помощью блока 4 выделения временных интервалов осуществляется измерение временного интервала 4t между сигналами. .Формирование импульсов управления ключами 1 и 2 в моменты времени . . и йа, равные, соответственно, моменту перехода через нуль сдвинутого по фазе сигнала (2). и моменту времени, в два раза большему временного интервала между сигналами (1) -и (2) .

Длительность импульсов управления выбирается достаточной для запоминания выборок мгновенных значений сигнала (1) с помощью. первого делительного блока 5 с памятью.

В момент времени t .на вход делителя первого делительного блока 5 с памятью поступает с выхода ключа- 1 напряжение (3).

В момент времени 1й на вход делимого первого делительного блока 5 с памятью поступает через первый делитель 3 напряжения с коэффициентом деления, равным 2, напряжение (.4). с выхода ключа 2.

С помощью первого делительного блока S с памятью напряжение (5) делителя на напряженке .(3) . В результате на вход арккосинусного нреобреэователя 6 поступает напряжение (6). С.йомощью арккосинусного преобразователя 6 вычисляют значение арккосинуса выражения (6), пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу. Результат преобразования поступает на отсчетно-регистрирующий блок 9 (эта связь не показана).

Данный способ -может быть применен для измерения частоты сдвинутых по фазе сигналов. Для этого с помощью преобразователя 6 вычисляется значение арккосинуса выражения. (6),, Полученное напряжение (7) делится в 2% раз с помощью второго делителя

7 напряжения и подают на вход делимого второго делительного блока 8.

На вход делителя второго делительасго блока 8 подают напряжение Uy,> пропорциональное временному интервалу b.t, с- аналогового выхода бло.ка 4 выделения временных интервалов., С выхода делительного блока 8 напряжение, равное отношению двух. входных напряжений и пропорциональное измеряемой частоте сдвинутых по

- фазе .сигналов, поступает на отсчетно-регистрируищий .блок 9. По показаниям последнего судят о значении частоты сдвинутых по фазе сигналов.

1О Расширение частотного диапазона и новыаенне-точности в данном техническом решении достигается за счет исключения операции формирования квадратурного напряжения ° Частотный

15 диапазон в данном техническом реше.нии ограничивается только быстродействием блоков, реализующих после. довательность операции, и является достаточно широким - от долей герца

2() до десятков и сотен килогерц.

Двухкратное измерение мгновенных значений амплитуды опорного сигнала в моменты времени й,(и t с после- . ,дующим делением результатов измерений.

25 друг на.друга позволило исключить мультипликативную погрешность измерения фазового сдвига.

ЗО

Способ измерения фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в том, что измеряют мгновенное зна3g чение амплитуды опорного сигнала в момент перехода через нуль сдви-. нутого по фазе сигнала, вычисляют обратную тригонометрическую функцию результатов измерения, о т л и ч.а ю4О шийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона и повыаения точности измерения, повторно измеряют мгновенное значение амплитуды..опорного сигнала в момент вре-.

45 мены, а двa раза превыаающий временной сдвиг, междр опорным и сдвинутым по фазе сигнаХтами, результат измерения уменьшают в два раза и делят на результат предыдущего измерения.

Источники информации,.

50 принятые во внимание при .экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 290234 кл. G Ol R 25/О(, 29.10 69.

2. АвторСкое свидетельство СССР

Р 375579 кл. G 01 R 25/00, 19.03 71 °

983572

Составитель Н. Агеева

Редактор И.Николайчук Техред N.Tenep Корректор А.Гриценко

Закаэ 9912/52 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Paymcicaa .наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4