Способ измерения фазовых сдвигов

(5)4 6 01 ВТОРСКОМЪ( СИИ ЬС и измеряемые фазвычисляют иэ соотно имеет экстремвые сдвиги (Рщения( т р(Е р =2 агс1,агде Зр(Т) в Пс с (й )Р(й )+П (С С) - .огибающие рстного и сдтого суммарногосигналов соответственно;Ий - моменты времени,при которых огибающая разностиго сигнала имеето), Р(ц ) аз- ну 0 ц Р чсдвиге+ Т ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ(54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФСДВИГОВ путем формирования суммарного и разностного сигналов, сдвигасуммарного сигнала на 7/2, выделения огибающих разностного и сдвинутого суммарного сигналов, фиксированияэкстремумов огибающей разностногосигнала, определения значений огибающей сдвинутого суммарного сигналав моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет экстремумы, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью расширения функциональных возможностей, определяютзначение и знак фазового сдвига между разностным и сдвинутым суммарнымисигналами в моменты времени, при которых огибающая раэностного сигнала разноименные экстремумы;знаки фазовогосдвига между рностным и сдви тым суммарным сигналами в моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет экстремумы, т.е.Р "+" при сдвиге1 1219980Изобретение относится к фаэоизмерительной технике и может быть использовано для измерения фазовых сдвигов при наложении двух гармонических сиг" налов с неизвестными частотами.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.На фиг. 1 приведены временные диаграммы; на фиг, 2 - структурная схема одного из возможных вариантов устройства в качестве примера реализации способа.На фиг. 1 а показан один из наложенных сигналов, на фиг. 18 - другой. В общем случае сигналы имеют разные амплитуды, частоты и начальные Фазы. На Фиг, 1 Ь - изображена смесь Б(й) этих сигналов, поступающая на один из входов фаэометра. На Фиг, 1 г и 1 показаны наложенные сигналы, имеющие Фазовые сдвиги и соответственно относительно наложенных сигналов на фиг. 1 ь. На фиг. 1 е изображена сумма 11(й) сдвинутых по фазе сигналов, поступающая на другой вход Фазоиэмерительного устройства. Входные сигналы могут быть препставлены в виде:О=1 п ( )Ф.Ч+9/2).А,Ъ,(ц,+ Р,Ч /2)(г)где У(С), Б- наложенные сигна-.5 лы;Ау Аг,и),ц 3, - соответственноС у ц( Чу амплитуда, часто 1 т 1 т 1 у 1та, начальнаяфаза и измеряемый 1 О фазовый сдвиг первого и второгосигналов.После вычитания и суммирования имеем:1У =2 Авп(Ч/2) сов (д+ М)+(Фиг, 1, уд;) .После сдвига суммарного сигнала на 25+2 А сов(чу /2)сов(о 3 й+ ), (5)Выделяют огибающие разностного исдвинутого суммарного сигналов(фиг. 1 жу). Аналитическое выражениогибающих имеет вид: Ц,(Ок С 2 А З п(Ч/2)3+Г 2 А,Ь (Ч,/г)1 .ВКА,5 (Ч/2) 5 п(Ч,/2)СовГЫ- ),)1+У,- Е,1(б) 8 АА 1 Б (Ч,/2)(31 д)г) Ба 1.Ы 1-о)1/+Р,2 С 24 ЖпИ /2 )А+С 24 Бааз(.Чу 12)3 +84,А Бл(Ч/2)"5 п(чг,/2)СозСЦ,-са ) 1+У,-Р 11Св) 50 11 п- М+фоткуда К " в -1 о Оф"Ц 4 ф)ггде ; - моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет экстремумтаОткуда:11 р(;)щ 12 Авп(Ч/2)2 А вп(к 1 у /2),(10) 11(; )12 Асов (Ч/2)+2 Авп(Ч/2)/, (11) Запишем раэностный сигнал в следующем виде:Б р=2 А в и ( Ч /2) со в (ы+ Р + м) 1- -о) + - Ч,)+2 А вп(Ч /2)сово) +у,),(12) Определим значение разностного и сдвинутого суммарного сигналов в моменты времени й/: О,сй)= С 2 А;сов(чф,/2)3 +Г 2 А сов(Ч /2 И +ВА,А,сов(Ч/2/ сов(У 1/2)сов(оЗ,-од)1)1+9-У 3,(7)1где Б(.), Пб, (С) - соответственно ного сигнала. Огибающая разностногоогибающие разност- сигнала принимает экстремальные знаного и сдвинутого 40 чения в моменты времени, когда персуммарного сигналов; вая производная от ее аналити - Определяют моменты появления и значе- ческого выражения обращается в ния экстремумов огибающей разнобг- ноль;з 1219980 4 11 (с, )=(2 А в 1 п(Ч/2)соя) (а 3- ч 3 с, Ф ются по закону сов(д с;+ у ), причем + у - У, )+2 А я 1 п ( Ф /2 соя ,с; +У ), при совпадении знаков выражений пе(13) ред косинусами фазовый сдвиг равен.0 (с,):,2 А,соя(/2)сов-ц)с;+ "0" и знак фазового сдвига "+", при +р - у "12 А сов(9 /2( соя (3 С;+ ) 5 противоположных - фазовый сдвиг( 2. 2 2 51(4 ) "+ 1 и знак фазового сдвига Из формул ( 1 3 ) и ( 1 4 ) видно , что Кроме того , р азностный и сдвинутый вблизи моментов времени С разностный суммарный сигналы могут быть з апии сдвинутый суммарный сигналы меня- саны в следующем виде1А бп(Ч,2)%ьГ(м 2, о 3 )СОрй) Ор0 О )1 Ч О с 1 ЯА, ьо ( Ч 1 2 ) + АЬф М Ю Сов НоЗ, -.Ц Ф. + У- ч(1 5 ) АСов (Ч/2) БП Г(О-)1 ОЗ)1 1 1 Ъ . 3ОИ =0(ОСов о)1 +1 агсЬЯ,СовМ,/2)+АСь(Ч)2)С вС(ц) 4)+, .1(16) 20 25 30 где ответственно;1С - моменты времени, при которых огибающая разностного сигнала имеет разноименные экстремумы;" Р(с), Р(С ) - знаки фазовогосдвига между разностным исдвинутым суммарным сигналами в моменты времени, при которыхогибающая разностного сигнала имеет разноОчевидно, что фазовый сдвиг между разностным и сдвинутым суммарным сигналами, пропорциональный разности арктангенсов, меняется во време 2 и ни с периодом Т= , т.е. с периодом, соответствующим периоду огибающей биений аддитивной смеси входных сигналов.Раскрывая модули в формулах (10) и (11), при использовании формул (6) и (7), а для Р(с) формул (13) и (14), получаем, что измеряемые фазовые сдвиги могут быть найдены из соотношения: ( ( яс ( Б (с )Р(с ) Лес(с )Р(с )(17) Р - измеряемые фазо(Хвые сдвиги; 1)р (С)Осс (С) - огибаюЩие Разностного и сдви нутого суммарного сигналов соименные экстремумы, т.е. Р="+",при сдвиге0Р="-", при сдвиге+.Устройство, реализующее способ, содержит три вычитателя 1-1 - 1 -3, три сумматора 2-1 - 2-3, фазовращатель 3, два амплитудных детектора 4-1 и 4-2, фазовый детектор 5, блок 6 определения экстремумов, два ключа 7-1 и 7-2, два блока 8-1 и 8-2 выборки-хранения, два блока 9-1 и 9"2 инверсии, два делителя 10-1 и 10-2, два блока 11-1 и 11-2 определения арктангенса, два усилителя 12-1 и 12-2. Входы вычитателя 1-1 и сумматора2-1 попарно объединены и являютсявходами устройства в целом. Выходсумматора 2-1 через фазовращатель 3связан с входом амплитудного детектора 4-2 и первым входом фазовогодетектора 5, второй вход которогоподключен к выходу вычитателя 1-1 ивходу амплитудного детектора 4-1. Выход амплитудного детектора 4-1 свя зан с информационным входом блока 6определения экстремума, Выход фазового детектора 5 связан с информационными входами ключей 7-1 и 7-2. Выходамплитудного детектора 4-2 связан синформационными входами блоков 8-1 50и 8-2 выборки-хранения. Первый управляющий выход блока 6 определенияэкстремумов связан с управляющими.входами ключа 7-1 и блока 8-1 выборки-хранения, а второй - с управляющими входами ключа 7"2 и блокаф 8-2выборки-хранения. Два выхода блока6 ойределения экстремумов попарносоединены с входами сумматора 2-2и вычитателя 1-2, Выход ключа 7-1связан с управляющим входом блока9-1 инверсии, информационный входкоторого связан с выходом блока 8-1выборки-хранения. Выход ключа 7-2связан с управляющим входом блока9-2 инверсии, информационный входкоторого связан с выходом блока 8-2выборки-хранения. Выходы блоков 9-1и 9-2 инверсии попарно связаны с входами сумматора 2-3 и вычитателя 1-3.Выходы сумматоров 2-2 и 2-3 соединены с входами делителя 10-1, выходкоторого подключен к входу блока11-1 определения арктангенса, чейвыход связан с входом усилителя 12-1,причем выход последнего являетсяпервым выходом устройства в целом.Выходы вычитателей 1-2 и 1-3 соединены с входами делителя 10-2, выходкоторого подключен к входу блока 11-2определения арктангенса, чей выходсвязан с входом усилителя 12-2, при Бчем выход последнего является вторым выходом устройства в целом.Принципиальные ограничения, накладываемые на параметры сигналов,исключают только когерентность час"тот сигналов. Соотношение амплитуд,начальных фаз, фазовых сдвигов теоретически могут быть произвольны.Практически полоса рабочих частоти динамический диапазон ограничиваются конкретной аппаратурной реализацией,Устройство работает следующим образом,Иэ входных сигналов Ц,и П(й)(фиг. 1 б,е) посредством вычитателя1-1 и сумматора 2-1 формируют разностный П (й) (фиг. 1 ) и суммарныйП С) (фиг. 1,) сигналы. Затем суммарный сигнал сдвигают фазовращателем 3 на П /2. Фазовращатель настро-,ен на постоянный сдвиг по всей полосе частот. Амплитудные детекторы4-1 и 4-2 выделяют огибающие раэностного и сдвинутого суммарного сигналов 11(с) и П, (С) (фиг. 1 4 фазовый детектор 5 измеряет текущуюразность фаз между разностным и сдви-нутым суммарным сигналами. Блок 6 определения экстремумов определяет моменты появления и значения экстремумов огибающей разностного сигнала.В момент времени (г. ), когда огибающая разностного сигнала 11 р(г.) имеетминимум, блок 6 определения экстремумов выдает разрешающий сигнал на блок8-1 выборки-хранения и ключ 7-1. Вмомент времени ("), когда огибающаяразностного сигнала Пр(г.) имеет максимум, блок 6 определения экстремумов выдает разрешающий сигнал на блок8-2 выборки-хранения и ключ 7-2.Блоки 8-1 и 8-2 выборки-храненияфиксируют значения огибающей сдвинутого суммарного сигнала. Ключи 7-1и 7-2 стробируют выход фазового детектора 5. При этом стробированныезначения с выхода фазового детектора 5,поступают на управляющие входыблоков 9-1 и 9-2 инверсии соответственно. При наличии нулевого сдвигафаз между разностным и сдвинутымсуммарным сигналами на выходе фазовогодетектора 5 формируется сигналположительной полярности, которыйуправляет блоком инверсии так, чтосигнал с блока выборки-хранения проходит без изменения. При наличиисдвига фаэ "+%" между разностным исдвинутым суммарным сигналами навыходе фазового детектора 5 формируется сигнал отрицательной полярности, который управляет блоком инверсии, так что сигнал с блока выборки-хранения инвертируется. Полученные таким образом экстремальныезначения огибающей разностного и обработанные значения огибающей сдвинутого суммарного сигналов поступают попарно на сумматоры 2-2 и 2-3 ивычитатели 1-2 и 1-3. Найденные суммы подаются на делитель 10-1, аразности - на делитель 10-2. Частныеот деления обрабатываются в блоках11-1 и 11-2 определения арктангенсови затем умножаются на два в усилителях 12"1 и 12-2 соответственно,Результаты выдаются на выходы, которые являются выходами устройства вцелом,