Способ измерения сдвига фаз

(51)5 С 0 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯМ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ У 12ут инженероорта елезВ.Итика сшая(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ (57) Изобретение относ бам измерения разности налов одинаковой часто ретения, является повыш ГА фАЗк спосо аз двух сигы. Целью изобение точности ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И (ЛНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Омский инститнодорожного трансп(56) Иванова В.Н., Калининаи др. Математическая статис2-еизд перераб. идол. -Мшкола, 1981,Смирнов П.Т.Цифровые фазоЛ.: Энергия, 1974,2 измерения при больших флуктуациях фаз сигналов относительно среднего значения. Способ расширяет сферу возможного применения фаэоизмерителей, особенно в условиях больших помех, что повышает его экономическую эффективность. Способ может быть реализован на основе микропроцессорной техники. В описании изобретения приведен пример реализации способа в устройстве, содержащем генератор 1 импульсов, преобразователь 2 фазовый сдвиг-интервал времени - код, счетчик 3 периода входного сигнала эа время измерения, делитель 4 частоты, анализатор 5 распределения, множительное устройство 6, генератор 7 управляющих сигна- ф лов, логический блок 8 и индикаторное устройство 9. 3 ил.Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению разности фаз между двумя сигналами одинаковой частоты.Цель изобретения - повышение точ 5 ности измерения при больших флюктуациях фаз сигналов относительного среднего значения.На фиг. 1 представлена диаграмма, поясняющая сущность предложенного способа; на фиг. 2 - зависимость погрешности способа-прототипа от величины флюктуации и среднего значения сдвига фаз входн)гх сигналов; на фиг. 3 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ,На фиг. 1 приняты следующие обозначения: х - мгновенные значения разности фаз между входными сигналами; 20 щ - математическое ожидание (среднее значение) сдвига фаз, между входными сигналами, которое необходимо измерить, шодх - наиболее вероятное значение сдвига фаэ между сигналами, 25 которое при нормальном (симметричном) законе распределения совпадает с ш; Р(х) - вероятность сдвига фаэ, равного х; у - процесс после преобразования ФИК; шойу - наиболее вероятное значение процесса после преобразования фазовый сдвиг - интервал времени - код (ФИК), 1(у) - вероятность того, что процесс после преобразования ФИК примет значение у; ш ), - 35 математическое ожидание (среднее значение) процесса после преобразования ФИК.Сущность предложенного способа состоит в следующем.За каждый период входных сигналов осуществляется преобразование ФИК в диапазоне ф 180 ф, что искажает функцию плотности вероятности реального процесса Р(х) при больших значениях45 флюктуаций фаз сигналов (см. фиг,1).Плотность вероятности после такого преобразования можно описать выраже. - нием Р(у) = Е Р(у+2 Й.), (1)50где х,. =у+2 И - уравнение г-й ветвизависимости у(х);- целая часть частногох/2);55Р(х) - плотность вероятностипроцесса флюктуаггииразности фаз сигналовпри наложении на них случайной помехи рас, пределенной по нормальному закону/2 6 где 6), - среднеквадратичное отклонение (СКО) процесса флюктуации разности фаз,Учитывая характер нелинейного преобразования (1) при больших флюктуациях фаз сигналов, математическое ожидание сдвига фаэ после преобразования ФИК можно определить какРш, =у 7. Рх(у+271)йу, (3))боПодставляя в это выражение (2) и изменив порядок интегрирования и суммирования, выражение (3) можно представить в следующем вгще г- +УРЙтЬуе " Йу. (4) Для нахождения ш производят замену1переменной в этом выражении(5) Тогца йвт= ---(ЕЬщГ 1)е 6 ЙЙ (6)онЕсли учесть, что для нормального закона распределения нормированная функция плотности распределения ве- роятности Е (г.) = - -е1)12% нормированная Функция распределения вероятностито окончательно выражение (6) можнозаписать в виде(13) 45 а (у) и =Е (ш -2 Г(з.)ф -ф - -6 - (Ы ) Ь Из этого выражения видно, что при больших значениях Ь среднее значение реального процесса сдвига фаз пХ, которое необходимо измерить, и сред нее значение, измеряемое по способу- прототипу, ш , существенно отличаются. Это и приводйт к значительным погрешностям известных способов в условиях больших флюктуаций без сигналов (фиг15 2). Предложенный способ измерения сдвига фаз в таких условиях имеет более высокую точность.Учитывая выражения (1) и (2), плотность вероятности процесса после20 преобразования ФИК (1, р1 сР = --- ,1 е (8)Ггиь.-" Для определения сдвига фаэ, соответствующего максимальной вероятности, находят производную этой функцииужнЮ 1 ЙР( ) 14 ФаазоаХ (у-п +2)е " (9)у Фй Представим это выражение в видесуммы составляющих:. 35- = --- а (у)+а (у)+а (у)(10)аР 1 Мода Р(у) определяется при равенстве нулю выражения (10). Так как решение этого уравнения в аналитическом виде затруднено, покажем, что 50 1 Р (у)при у = шкфРавенство нулю выражения (11), т,е, а /у = ш = О, может. быть проверено путем прямой подстановки. Сумма а,(у) и а(у) равна нулю, так как соответствующие члены рядов (12) и (13) одинаковы по величине и противоположны по знаку а/у = в= -а/у=пЭто подтверждает справедливостьравенства Таким образом, при большой флюктуации фаз сигналов предложенный способ, включающий операции измерениямоды процесса после преобразованияФИК, а не среднего значения, как впрототипе, имеет более высокую точность измерения сдвига фаэ.Устройство, реализующее предлагаемый способ содержит генератор 1 импульсов, преобразователь 2 фазовыйсдвиг - интервал времеи - код(ПФИК), счетчик 3 периодов входногосигнала за время измерения, делитель4 частоты, анализатор 5 распределениямножительное устройство 6, генератор7 управляющих сигналов, логическийблок 8, индикаторнсе устройство 9.Информационные входы ПФИК 2 подключены к источникам сигналов, междукоторыми измеряется сдвиг фаэ, тактовый вход его подключен к выходу генератора 1 импульсов, которьп через делитель 4 частоты подключен к входугенератора 7 управляющих сигналов,выход ПФИК 2 через анализатор 5распределения и логический блок 8подключен к одному из входов множитеиьного устройства 6, другой входпоследнего через счетчик 3 периодовподключен к выходу одного иэ источников входных сигналов, который также подключен к третьему управляющемувходу анализатора 5 распредглеия,выход множительного устройства 6подключен к входу индикаторнсг)устройства 9, первый вь 1 ход генератора 7 управляющих сигналов подключен к управляющим входам счетчика 3периодов, анализатора 5 распределения, второй выход генератора 7 управляющих сигналов подключен к управляющим входам логического блока 8, ищикаторного устройства 9 и вторым упраляющим входам счетчика 3 периодов ианализатора 5 распределения.Устройство работает следующим образом,Импульсы высокой частоты от генератора 1 импульсов поступают на входделителя 4 частоты. С выхода делителя 4 частоты импульсы, период которыхопределяет время измерения, поступают па вход генератора 7 управляющихсигналов, формирующего на первом выходе сигнал начального сброса, навтором - сигнал, соответствующий концу измерения,За время. измерения в каждом периоде входных сигналов ПФИК 2 вырабатывает пачки импульсов, число которых,пропорционально мгновенному значениюсдвига Фаэ. Эти значения сдвига Фазв числоимпульсном коде поступают нанформационный вход анализатора 5аспределения, который определяет часготу попадания процесса на выходеФИК 2 в дискретные интервалы (кванты)за время измерения формирует гистограмму плотности вероятности распредел ения,20Логический блок 8 сравнивает межу собой частоты попадания сдвига фазв различные кванты и Формирует на выоде адрес кванта, в котором зарегистировано максимальное число попаданий процесса на выходе ПФИК 2, чтоявляется результатом измерения модыпроцесса.Полученное значение сдвига Фаз, соответствующее максимальной вероятности, умножается в множительном устройстве 6 на число периодов, подсчитанныхсчетчиком 3 периодов за время измерения, и результат передается на индикаторное устройство 935На первом выходе генератора 7 упавляющих сигналов формируется имульс начальной установки счетчика 3ериодов и счетчиков в анализаторе 5аспределения в нуль. На. втором выходе вырабатывается импульс конца из,мерения, который останавливает счетчик 3 периодов, разрешает передачуизмеренного значения моды с выходалогического блока 8 на вход множительного устройства 6 и переписываетрезультат измерения сдвига фаз в регистр индикаторного устройства 9.Погрешность известных способовизмерения (7) в предложенном способеотсутствует. Это выгодно отличаетпредлагаемый способ измерения от известных, так как имеет повышеннуюточность при больших флюктуациях Фазсигналов.Реализация предлагаемого способарасширяет сферу возможного примененияфазоизмерителей, особенно в условияхбольших помех, что обеспечивает его экономическую эффективность. Кроме- того, предложенный способ просто реализуется на основе микропроцессорной техники. Особенно удобно микропроцессору отдать функции логического блока и множительного устройства, хотя аппаратурная реализация этих блоков позволяет получить более высокое быстродействие.Предложенный способ бып реализован в фазоизмерительной системе, включающей микроЭВИ, которая была использована для измерения сдвига Фаз высших гармоник в тяговых сетях переменного тока, имеющих нелинейную нагрузку. Эта фаэоиэмерительная система сохраняла работоспособность и точность измерений в пределах 1 при резких флюк туациях фаз сигналов, при которых циф ровой Фазометр, реализованный по способу-прототипу бып уже неработоспособным, Так, при = 60 и ш= 60 О его погрешность составляет 8 ао1при С=80 и ш = 60 превышает 20 Такая большая величина погрешности отражается в неоднозначности показаний серийного прибора при последовательных измерениях одного и того же среднего значения сдвига фаз и свидетельствует о его неработоспособности в таких условиях. Это подтверждает экономическую эффективность внедрения предлагаемого способа измерения сдвига Фаз,Формула изобр етенияСпособ измерения сдвига фаз, заключающийся в том, что в каждом периоде .в течение постоянного времени измерения, значительно превышающего период входных сигналов, осуществляют преобразование фазовый сдвиг - ин" тервал времени - код, причем коэффициент преобразования и время измерения выбирают такими чтобы результат измерения сдвига Фаз бып представлен непосредственно в градусах, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения при больших флюктуациях фаз сигналов, за время измерения подсчитывают число периодов входного сигнала и измеряют моду процесса, полученного пос" ле преобразования фазовый сдвиг - интервал времени - код, а результат измерения получают в виде произведения моды процесса на подсчитанное: число периодов.. 1553917 аректор Н,Ревск Тираж 543 Подписно дарственного комитета во изобретениям и 113035, Москва, Ж, Раушская набказ 45 ткрытиям прн ГКНТ С д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 10 т лай Составитель Л.Воро актор Л.Пчолинская Техред Л.Сердюкова