Способ измерения сдвига фаз

(51) 5 25 00 ЗОБ ПИ НИ ЕЛЬСТВУ 2 ВХОД НОГигнала измеря" ого сигнала на туациях фаэют и делятК равных часоответству ериод опо формируют стробы,каждой 1-й части пе риода оп сдвиг Фа фиксируют интервала номеру ст постоянно ного инте -м строб измерит чис полученнуюсовпадений подвергают дискрефурье (ДПФ) и опркак отношение синупервой гармоникисоставляющей. 2 ил ному,преобраэоваеделяют сдвиг фаз сной составляДПФ к ее косин .,1 табл. ющейус ной Е даточ теля ем. За кажд с уществля о сдвига оне +180 ределенияый период ется прео игнал фазов ног азованивремен в диапакцию рас-. ости реер ает У что нскплотност ГМУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧЙРЫТПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ Св1(71) Омский институт инженеров железнодорожного транспорта(56) Смирнов П.Т,Цифровые фаэометры. Л.: Энергия, 1974, с. 32, рис. 13. (54) СПОСОБ И.МЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ (57) Изобретение относится к способам электроизмерений и может быть использовано при измерениях среднего значения сдвига фаэ в условиях высокого уровня флюктуационных помех. Дпя повышения достоверности и точности измерениясдвига фаз при. больших флюкИзобретение относится к измеритель ной технике, в частности для измерения разносги фаз между двумя сигналами одинаковой частоты.Цель изобретения - повышение достоверности и точности измерения прибольших флюктуациях фаз сигналов относительно среднего значения,На фиг. 1 представлены диаграющ,поясняющие сущность способа; нафиг. 2 - структурная схема устройства,реализующего способ.На фиг. 1 приняты следующие обозначения: а - зависимость плотностивероятности распределения разностифаз входных сигналов (Р) от мгновенных значений разности фаз между входным и опорньм сигналами (х); б - переного сигнала, преобразуют в фазовый интервал време совпадение конца фаэовог времени с тем или иным п обом в течение заданного подсчитывают в каждомло упомянутых совпаденипоследовательность чис ная характеристика преобразовафазовый сдвиг - интервал времени, в - передаточная характеристика анализатора распределения; г - число попаданий (Р ) в дискретные интервалы (стробы) К д - постоянная составляющая (С ), определенная после дискретного преобразования Фурье (ДПФ); е - синусная составляющая (С ) первой гармоники, ж - косинусная составляющая (С ) первой гармоники.Сущность способа состоит в следую- щ= 359,остальных 1200 при 1200 при 1200 при0 при А С 2 +С з сфС к ального процесса Г. при больких значениях флюктуаций фазы входного сигнала (см. Фиг.1).В процессе Флюктуации Фазы входного сигнала значения фазы в интервале Н ( у ( - и накладываются на значения, лежащие например, в интервале - Р с с ( 1 Г . Наложение значений объясняется разрывностью характеристики преобразователя в фазовый интервал (см. Фиг, 1,б). В результате функция распределения на выходе фазового преобразователя существенно отличается от Функции распределения плотности ,вероятности на входе этого преобразователя.Если учесть, что в диапазоне , - 8 с %.с7 характеристика Фазового преобразователя линейка, а шаг квантования анализатора распределения (К,) постоянный, то максимальное зна,чение Р будет совпадать с математи:ческим ожиданием Фазы входного сигнала (см. Фиг. 1,а,б,в,г), Это легко Доказывается аналитически при нормальном законе распределения плотности вероятности сдвига Фазы входного сигнала.Дискретное преобразование Фурьеозволяет определить синусную и косивусную составляющие первой гармоникиолученной дискретной Функции распрееления плотности вероятности Р. приаэбиении сдвига Фаз на К . стробов35см. Фиг. 1 д,е,ж), т.е. где СсфС С с 1 постоянная составляющая и коэффициенты дискретного преобразования Фурье (ДПФ)К - число дискретных интервалов (стробов), на которые разбит период опорного сигнала илидиапазон измерениясдвига фаз;Т - период опорного сигнала;Р, - число попаданий в х-й1строб полученных послепреобразования фазовыхинтервалов;у , А - фаза и амплитуда первой гармоники ДПФ,коэффициент, характеризующий достоверностьрезультата измерениясдвига Фаз.По полученным составляющим С и31С , используя выражение (4), определяют фазу первой гармоники, котораясовпадает с математическим ожиданиемсдвига фаз реального процесса.Рассмотрим применение способа наконкретных примерах,Допустим, что за время измеренияпроизведено 3600 преобразований вФазовый интервал, диапазон (Т) изме-.рения сдвига Фаз 0-360 разбит на360 стробов, т.е.К;Е Р; = 3600, К = 360,1-0а сдвиг фаэ между входными сигналамиравен нулю.Результаты расчетов показывают,что при отсутствии шумов способ измерения дает точный результат при коэффициенте его достоверности равномединице.Рассмотрим случай, когда на такойсигнал наложен шум такой интенсивности, что значения после преобразования в фазовый интервал попадут в равном количестве не только в нулевой,но и в соседние интервалы-стробы(Фиг. 2 б) т.е,В этом случае результат измеренияв известных Фазометрах с постояннымвременем измерения, выделяющих сред"нее значение сдвига Фаз: М; = Р, 3./7. Р.5 1553921В соответствии с данным способомнаходят коэффициенты преобразованияФурье: СКО, град. Средняяфаза,град 40 60 80 40,7290,72230,72 1 ОО,93220,93430,92 0,8 0,5 1,6 0,5 6 0,5 30 601 О9 О 15 с = - - Х Р. = - -(1200+1200+1200)- о К :о360 1 О,1. ТС= -Е Р, .эЫ( От:о+1200 сов(359 )= 9,998,Используя полученные значения Со, 25 С , Сс находят фазу сигнала и коэффиф С 1циент достоверности полученного результата:= агс -О,С,1Сс,30у - 0 9998 Существенное повышение точности измерения сигнала с помощью данного способа измерения сдвига фаз, включаю. щего операции ДПФ после подсчета числа попаданий в установленные стробы, . еще в большей мере проявляется при 40 больших флюктуациях фазы входного сигнала. Экспериментальная проверка показала, что дальнейшее увеличение среднего квадратического отклонения Фазы входного сигнала приводит к 45 уменьшению коэффициента удостовер" ности результата измерения. В таблице даны погрешности измерения сдвига фаэ высоких гармоник втяговых сетях переменного тока в диапазоне И 80 с помощью цифрового фаэометра, реализующего способ-прототип(верхняя циФра в граФе), и измерительной системы, реализующей данный способ (нижняя цифра). Значение среднегоквадратического отклонения (СКО),средней фазы и погрешности измеренияданы в градусах,Как видим, погрешность данного способа практически не зависит от средней Фазы и СКО фазы входного сигнала.Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг, 2) содержит гейератор 1 импульсов, преобразователь 2 Фазовый сдвиг - интервал времени - код (ПФИК), преобразователь 3 период код (ППК), делитель 4 частоты, анализатор 5 распределения, блок 6 деления на константу, формирователь 7 управляющих сигналов (ФУС), преобразователь 8 Фурье, блок 9 деления и два индикаторных блока 10 и 11.Первый информационный вход ПФИК 2 подключен к источнику исследуемого сигнала, второй информационный вход - к источнику опорного сигнала, тактовый вход - к выходу генератора 1 импульсов, который через делитель 4 частоты подключен к входу формирователя 7 управляющих сигналов, выход ПФИК 2 через анализатор 5 распределения и преобразователь 8 Фурье подклю.-. чен к информационному входу первого индикаторного блока 10, другие два выхода преобразователя 8 Фурье через блок 9 деления подключены к информационному входу второго индикаторного блока 11, информационный вход ППК 3 подключен к источнику опорного сигнала, другой вход - к выходу генератора 1 импульсов, выход через блок 6 деления на константу подключен к первому управляющему входу анализатора 5 распределения, второй управляющий вход последнего подключен к первому выходу формирователя 7 управляющих сигналов, второй выход которого подключен к управляющему входу преобразователя 8 фурье, третий выход форьврователя 7 управляющих сигналов подключен ко вторым входам индикаторных блоков 10 и 11.1553921 У стройство работает следующим образом.Импульсы высокой частоты от генератора 1 импульсов поступают на вход делителя 4 частоты. С выхода делителя5 4 частоты импульсы, период которых определяет время измерения, поступают иа вход (ФУС) 7, вырабатывающего на первом выходе сигнал, управляющий дли.10 тельностью цикла измерения, который поступает на второй управляющий вход нализатора 5 распределения. С второго выхода ФУС 7 сигнал запуска поступает на управляющий вход преобразователя 8 Фурье, а с третьего выхода ФУС 7 сигналы управления записью результата в регистры иццикаторных блоков 10 и 11 поступают на. соответствующие входы управления. 20За время измерения в каждом пери)де входного и опорного сигналов ФИК 2 в диапазоне измерения сдвига фаз вырабатывает кодовые. комбинации, пропорциональные мгновенному значе иию сдвига фаз. Эти значения сдвига Фаз поступают на инФормационный вход анализатора 5 распределения, который подсчитывает число попаданий полученных кодов в соответствующие дис- З 0 кретные интервалы. При этом размер каждого интервала устанавливается деением кода на выходе преобразоватея 3 с помощью блока 6 деления на константу К, задающую число каналов ана изатора 5 распределения:, причем его выходные коды, соответствующие гистограмме распределения функции плотности вероятности сдвига фаз в диапазоне измерения, представляют числовуюпоследовательность, которая подвергается дискретному преобразованию Фурье преобразователем 8. Код фазы первой гармоники с первого выходапреобразователя 8 передается в первыйиндикаторный блок и является результатом измерения. В блоке 9 деления определяется отношение амплитуды первойгармоники к величине постоянной составляющей, которое передается на второй индикаторный блок сравнением которого с единицей оценивается достоверность полученного результата. Чемближе частное к единице тем болеедостоверен результат измерения сдвигафаз. Формула изобретения Способ измерения сдвига фаз, основанный на преобразовании сдвига фаз между опорным н измерительным сигналами в фазовый интервал времени и накоплении результатов измерения в течение постоянного измерительного времени, значительно превьшающего период опорного сигнала, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повыше ния достоверности измерений в условиях больших флуктуационных помех, делят период опорного сигнала на К равных частей, формируют соответствующие каждой -й части периода стробы, фиксируют совпадение конца фазового интервала времени с тем или иным по номеру стробом в течение постоянного измерительного времени, подсчитывают в каждом 1-м стробе число упомянутых совпадений, полученную последовательность числа совпадений подвергают дискретному преобразованию Фурье и определяют сдвиг фаз, как отношение синусной составляющей первой гармоники дискретного преобразования Фурье к ее косинусной составляющей.1553921 Составитель Ю.Макар еви Техред Л,Сердюкова Кор кая е 54 э 454 Т НИИПИ Государственного 113035, ГКНТ СС тк ыти тент омби о-иэдател оиэводс едактор Л.Пчолин та ко ЖПодпис бретениям аущская н город, ул. Гаг