Способ определения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов

(фиг. 1 а) .Для этого квадратурно преобразуюттолько опорный электрический сигнал,(1) (2)50 55 ц 5 (С) = ц зп(аЕ + Су,); (3)ц, (Е) ц),сов(ОС + ц), ) (4) 3 149926щателя 1 подключены соответственно кпервым входам первого и второго перемножителей 2 и 3, к первому и второмувходам компаратора 4,Вторые входы первого и второго перемножителей 2 и 3 объединены и соединены с клеммой сдвинутого по фазеэлектрического сигнала. Выходы первого и второго перемножителей 2 и 3 1 Оподключены к информационным входампервого и второго интеграторов 6 и 7,управляющие входы которых объединены .между собой, соединены с входом одновибратора 8 и подключены к выходу 15триггера 5, чей счетный вход соединенс выходом компаратора 4. Вход установки нуля триггера 5 подключен кпервому выходу блока 16 управления.Выходы первого и второго интеграторов 6 и 7 соединены с информационными входами первого и второго аналого-цифровых преобразователей 9 и 10,управляющие входы которых объединеныи подключены к выходу одновибратора 8.Выходы первого и второго аналогоцифровых преобразователей 9 и 10 соединены соответственно с вторым(вход "Делителя" ) и первым (вход "Делимое") входами цифрового блока 11 "деления, выход которого соединен свходом блока 12 вычисления арктангенса. Выход блока 12 вычисления функции арктангенса соединен с одним из 35входов цифрового блока 13 перемножения, второй вход которого подключенк задатчику 14 числа. Выход эадатчика числа соединен с отсчетно-регистрирующим блоком 15, управляющий вход 40которого подключен к второму выходублцка 16 управления.Предположим, что необходимо измерить мгновенное значение фазовогосдвига ( = Ц - ц между электрическими сигналами 54Полученные основной (3) и квадратурный (4) сигналы с равными амплитудами, т.е, ц, = ц, перемножают со сдвинутым по фазе электрическим сигналом (2)ц(с) = ц 2, (с) ц(й) = ц, вз.п(ус ++Чт )1) (6)Каждый из перемноженных сигналов (5)и (6) интегрируют, в течение интервалавремени, ограниченного снизу и сверху моментами времени С 4 и с (фиг.1 б,в, г) равенства мгновенных значенийосновного и квадратурного сигналов+ вво 25 вс + 0,5(Ц, + Цсйс, (8)где К - коэффициент пропорциональности или коэффициент передачиинтеграторовИзмеряют мгновенные значения первого и второго усредненных сигналов (7) и (8) в конце интервала времени интегрирования, т.е. в момент времени Е (фиг.1 ж, з, и)6 = ц 4(С 7) = К 0 5 ц ц, соз ( Чц 1 = ц = К 0,5 Ьццз 1 п(фОпределяют отношение результата(9) первого измерения, т. е.8 7 цв (11) О мгновенном значении фазового сдвига судят по выражению (напряжение Цна фиг.1 к)(13) Знак минус в выражении (13) характеризует запаздывание электрического сигнала (2) относительно (1), т.е. отрицательный фазовый сдвиг между исследуемыми сигналами.Из выражения (13) видно, что результат измерения фазового сдвига не зависит от амплитуд 1:, и 1исследуемых сигналов (1) и (2). Так как интервал времени интегрирования йг; =й равен половине периода исследуемых сигналов (что нетрудно доказать), то при интегрировании перемноженных сигналов исключается влияние всех четных гармоник на резуль" тат измерения мгновенного значения фазового сдвига. Это объясняется усреднением всех гармонических составляющих исследуемых и перемноженных сигналов, периоды которых равны или кратны времени усреднения (или интегрирования), т.е. Тп цг. 0,5 Т и, где Т - период К-й четной гармоники.кВысокая помехозащищенность предлагаемого способа измерения как и известных, обеспечивается эа счет многократного преобразования спектров сигналов,путем использования операций кодирования, перемножения и интегрирования электрических сигналов .Устройство работает следующим образом.Электрические сигналы (1) и (2), фазовый сдвиг которых подлежит измерению, подают соответственно нв вход квадратурного фазовращателя 1 и объе- диненные вторые входы перемножителей 2 и 3. С помощью квадратурного фаэовращателя 1 формируются основной и квадратурный сигналы (3) и (4) с равными амплитудами. Основной и квадратурный сигналы (3) и (4) с прямого и квадратурного выходов фаэЬвращателя 1 поступают на первые входы первого и второго перемножителей 2 и 3 соответственно. Покажем, что выражение (12) действительно характеризует мгновенное значение фазового сдвига электрических сигналов (1) и (2). Для этого в (12) подставим значения 1 Б и С, опеделяемые выражением (1 О) и (9): Чй ) 180 вп( -Ч )ю ---- гсг.Я)соз(фЧ) 1Не,ремноженные сигналы (5) и (6) с 15 выходов первого и второго перемножителей 2 и 3 поступают на информационные входы соответственно первого ивторого интеграторов 6 и 7. Интегрирование этих сигналов осуществляетсяв течение времениг = г - Г, равного половине периода исследуемыхсигналов.Управление работой интеграторов 6и 7 осуществляется выходным сигналом 25 триггера 5, причем длительность этого сигнала равна 1= 0,5 Т. Формирование выходного сигнала триггера 5 указанной длительностиосуществляется путем подачи на его 30 счетный вход коротких импульсов, которые формируются с помощью компаратора 4, Для этого на компаратор 4 подают квадратурные сигналы (3) и (4).В моменты равенства мгновенных значений квадратурных сигналов (3) и (4)и формируются указанные короткие импульсы.При необходимости ручного управления процессом измерения триггер 5предварительно устанавливается в нульпутем подачи на его вход установкинуля управляющего импульса с первоговыхода блока 16 управления. 45 Задним фронтом выходного сигналатриггера 5 осуществляется запуск од"новибратора 8. Последний формируетвыходной сигнал, представляющий солбой короткий импульс длительностью й,достаточной для преобразования в кодвыходных сигналов интеграторов 6 и 7.Преобразование в код осуществляетсяс помощью аналого-цифровых преобразователей 9 и 1 О, управляемых выходнымсигналом одновибратора 8. В результате на входы Делимое и11 11(15) 25 где Я, щ 8 = Б крутизна преобразования аналого-цифровых преобразователей 9 и 10. Код числа 11, = 1 /11: 0 /П (16) с выхода цифрового блока 1 деления О поступает на блок 2. Код числа И,агсг 8 И = агсг 8(И/М) (17) с выхода блока 12 поступает на один из входов цифрового блока 13 перемножения. На второй вход цифрового бло ка 13 перемножения поступает код числа Н = 180/т.Код числа Иб - ИбИ (18) с выхода цифрового блока 13 перемножения поступает на отсчетно"регистри рующий блок 15, с помощью которого индицируется мгновенное значение фазового сдвига электрических сигналов (1) и (2) описываемое выражением 1 6 1 пфФ 115 агс 8 Ф/И дв в , агсГ 8(Пп/П,).180(19)Предлагаемый способ помехозащищенного измерения мгновенных значений 30 фазового сдвига электрических сигналов обеспечивает повышенную точность измерения за счет исключения влияния неравенства амплитуд исследуемых и преобразованных сигналов, а также и их высших гармоник на результат измерения. Положительный эффект достигается путем квадратурного преобразования только одного опорного сигнала и перемножении каждого из полученных 40 квадратурных сигналов со сдвинутым по фазе электрическим сигналом, Предла-. гаемая последовательность операций предложенного способа измерения автоматически обеспечивает исключение 45 влияния амплитудных значений сдвинутого по фазе и квадратурных сигналов при делении результатов измерения мгновенных значений усредненных сигналов. Амплитудное значение опорного сигнала в явном виде в процессе преобразования не участвует. Оно представлено 1 с некоторым масштабным коэффициентом) в виде амплитудных значений основного квадратурного сигнала, которые также исключаются, так как они равны между собой, входят в состав числителя и знаменателя в виде сомножителей, которые при делении сокращаются. Выбор времени интегрирования в предлагаемом способе измерения по сравнению с известными осуществляется с высокой точностью и достаточно просто - по моментам равенства мгновенных значений квадратурных сигналов. Высокая точность выделения указанного времени интегрирования с помощью, например компаратора и триггера, достигается эа счет весьма высокой взаимной скорости пересечения сигналов (или крутизны сигналов в момент их равенства). Это, в свою очередь, обеспечивает высокоточное задание времени интегрирования и высокоточное задание момента времени измерения мгновенных значений усредненных сигналов. В результате этих преимуществ также достигается высокое быстродействие при измерении в диапазоне инфраниэких и низких частот, диапазон частот ограничивается быстродействием аналого-цифровых преобразователей, обеспечивающих преобразование в код выходных сигналов интеграторов. Быстродействие АЦП должно не менее, чем в 360 раз, превышать период сравниваемых по фазе сигналов. Если, например, частота исследуемых сигналов равна 10 кГц, то преобразование в код должно осуществляться с частотой 7,2 ИГц, т.е. иметь быстродействиеи = 1/г = 1/7,210 = 0,14 мкс, В настоящее время лучшие образцы АЦП имеют быстродействие 0,05-0,1 мкс. ю ДПредлагаемый способ измерения (.й., обеспечивает высокое быстродействие при высокой точности измерения не сложен в реализации и работоспособен в широком диапазоне частот исследуемых сигналов. Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я Способ определения мгновенных значений фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в квадратурном преобразовании опорного электрического сигнала и перемножения составляющих опорного и измеряемого сигналов, интегрировании результирующих перемноженных сигналов с последующим определением .мгновенного значения фазового сдвига 1по выражениюи1499265 10 фигЛ Фиг.2Составитель М. Катанова атрушева ТехредМ.Ходанич Редактор тор М. Самборс акаэ 4687/44 Тираж 713 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 венно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул рина, 1 О роизв где 11и 0,1 - результаты интегрирования перемноженных сигналов,отличающийся тем,что, с целью повьппения быстродействия, перемножают опорный основной и квадратурный сигналы с равными амплитудами с измеряемым сигналом, каждый из двух перемноженных сигналов интегрируют в течение интервала времени, ограниченного снизу и сверху моментами времени равенства мгновенных значенийопорных основного и квадратурногосигналов, измеряют мгновенные значения первого и второго проинтегрированных сигналов в конце интервала интегрирования, полученные значения11 и 1: используют для определениямгновенного значения фазового сдвиг.а,