Способ определения угла сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами

(19 51)5 6 01 В 25/О ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТ :, ВЕДОМСТВО СССР . (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Изобретение от ой технике и может оэдании цифровых ения или контроля армоническими сиг окочастотн ыми.Целью изобрете ние точности и быст носится к измеритель- быть использовано при фазометров для изме- угла сдвига фаз между аралами, в том числе выя заключается вл времени, проз, измеряют как еляемый числом сследуемых сигзначениями перия является повышеродействия измерения;фаэомеры, М. - ЛГЭИ, 1962.2. Смирнов П,Т, Цифровьо фазометрыЛ., Энергия, 1971.3. Авторское свидетельство СССР.:К. 1366968, кл. 6 01 Я 25/00, 1988.4. Авторское свидетельство СССР.1 М.; Высшая школа, 1989,б. Авторское свидетельство СССР1 Ф 1408383, кл. 0 01 Я 25/00; 1988.54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА СДВИГА ФАЗ МЕЖДУ ДВУМЯ ГАРМОН И ЕСКИ 1 И СИГНАЛАМИ57) Изобретение может быть использованопри создании цифровых фазометров для измерения или контроля угла сдвига фаэ между гармоническими сигналами, Целью изобрегения являегся повышение точности и бысродейсгвия и расширение области применения. Способ заключается в определении моментов нуль-переходов путем последовательно-попарного измерения и запоминания текущих и предшествующих значений Х и У первого и второго сигналов, смещенных на ингервал квантования Ь, определения иденгичнос 1 и знаков каждой последнеи пары значений, фиксации значения первого сигнала до Х 1 и после Х 2 изменения знака и следу 1 ощих за ними значенийв 1 орого сигнала до У 1 и после У 2 изменения знака формирования интервала времени между нуль-переходами, измерении его подсчетом кислаинтервалов квантования ф между зафиксированными текущими значениями первого и второго сигналов, измере- У нии периода сигналов и определении знака сдвига фаз пугем определения последовательносги изменения знаков зафиксированных значений соответственно первого и второго сигналов и определяют фазовыйсдвиг по приведенной формуле. 2 ил. фазового сдвига и расширение области применения.Сущность изобретенитом, что искомый интервапорциональный сдвигу фаинтервал времени, опрединтервалов квантования иналов между ближайшимиХ 1 - 1 Хг 1 Х 11 + 1 Хггде Т - период колесигналов;Ь-. интервал квантования;пх - число интервалов квантоначала измерения) до момента эванного текущего отсчета первого1- число интервалов коантовазафиксированными текущими осигналов.Зафиксированные поизменения знаков первог баний гармонических вания (о фиксиро сигнала ия межд тсчетам следовательности о и второго сигнавого и второго сигчалов после изменения их знаков и уточняемый измеренными модулями значений квантованных по времени сигналоо непосредственно до и после изменения их знаков. При этом, как показано ниже, для обеспечения аналогичной точности, частота квантования сигналов на двапорядка ниже образцовой частоты 1 о. Кроме того, по последовательности изменения знаков первого и второго сигналоо определяют диапазон фазового сдвига: от 0 до 180 или от 180 до 360, Для реализации способа запоминают текущие и предшествующие отсчеты сигналоо и сравнцрают знаки этих отсчетов, При равенстве знаков информацию о предшествующих отсчетах замещают информацией о текущих отсчетах и т.д, При изменении знака текущего отсчета первого сигнала фиксируют пару соответствующих отсчетов этого сигнала и момент текущего отсчета. Далее. фиксируют первую по времени после изменения знака первого сигнала пару отсчетов второго сигнала, имеющих разные знаки, и момент соответствующего текущего отсчета. Полученной информации, после определения модулей зафиксированных значений сигналоо. достаточно для определения с любой априорно заданной точностью интервала времени ту-Ь между моментами перехода сигналами через нулевой уровень и, соответственно, угла сдвига фаэ5 10 лов (с "+" на "-" или наоборот) ПзопХ и ПзопУ подвергаются сравнению. Если последовательности одинаковы, то фазовый сдвиг находится в диапазоне до 180, если разные, то в диапазоне от 180 до 360. В этом случае к результату измерения рсн, полученному в соответствии с (1), добавляется одоп - 180, Определение величины формализуется следующим образом; фон =180(ПзцпХЛПз 4 цпУ Ч Пзд пХ Л ПэЗцпУ),(2)где последовательностям изменения знаков15 присваивается значение логической переменной, например, по правилуПзцпО =1 при изменении знака с "-" наннПз)цпО = 0 при изменении знака с "+" на20 ннНа фиг.1 представлена блок-схема варианта устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - расчетныекриоые, иллюстрирующие эффективность25 предлагаемого способа.На фиг,1 обозначены:1 - первый квантователь(Кв 1),2 - второй квантователь(Ког),3 - генератор тактовых импульсов (ГТИ),30 4 - иэмерительно-вычислительный блок(И В В).Устройство работает следующим образом. Входы Х и У устройств, являющиесяпервыми входами квантователей 1 и 2, под 35 ключаются к первому Х и второму У гармоническим сигналам соответственно.Источник входных сигналоо - генератор синусоидальных колебаний - о принципе невходит в состав устройства, однако инфор 40 мация о текущем значении периода Т колебаний испытательной частоты имеется ивводится через первый вход о ИВБ 4. Генератор 3 вырабатывает тактовые импульсы,которые поступают на вторые входы кванто 45 вателей 1 и 2 и на третий вход ИВВ 4. Тактовые импульсы вырабатываются череззаданный интервал Ь, информация о величине которого поступает со второго выходаГТИ на четвертый вход ИВБ. Квантованные50 сигналы Х(К) и У(К) поступают с квантователей на второй и пятый входы ИВБ соответственно. В иэмерительно-вычислительномблоке постоянно хранится информация одвух последних отсчетах каждого сигнала с55 замещением на каждом такте предшествующего отсчета текущим. В нем ке производится определение и сравнение знаков двухпоследних отсчетов для каждого сигнала. Вмомент квантования, когда знак текущегоотсчета сигнала Х первый раз после включе 5 1837241; ния устройства в режим измерения не сов-падет со знаком предыдущего отсчета, производится фиксирование этой парыотсчетов и порядкового номера текущего от, ;счета. Аналогичным образом выполняются , операции фиксирования отсчетов сигнала ; :У, но непосредственно после изменения ,:знака сигнала Х, и определяется прираще, ние порядкового номера текущего отсчета , ,:при изменении знака сигнала по отноше, :нию к текущему отсчету при изменении зна; :ка сигнала Х, После определения модулей :значений зафиксированных отсчетов в блоке 4 производится вычисление основного ;значения сдвига фаз сигналов. Кроме того, ;:в блоке 4 определяется, запоминается и;сравнивается последовательность изменения знаков сигналоо Х и У и при розныхпоследовательностях изменения знака к основному значению фазового сдвига добав;ляется 180 О,Положительный эффект от использова, :ния предлагаемого способа может быть оце:,нен следующим образом. Единственной методической ошибкой предлагаемого способа является ошибка уточнения интервала времени между пересечениями нулевого ;:уровня (добавки к числу интервалоо кванто,:вания), определяющаяся ошибкой аппрок,:симации синусоиды (на участках, примыкающих к его нулевому значению),:прямой линией, В силу того, что указанный ;:интервал уточняется с доух сторон суммар,:ную максимально возможную ошибку опре.,деляем путем увеличения максимальной .:ошибки с одной стороны в зараз. На фиг.2 :кривая 1 отображает зависимость числа от:счетов на период испытательной частоты , :Т() от максимально возможной ошибки аппроксимации. Отметим, что даже при шести квантованиях на период ошибка измерения ;не превышает 1,5 О. а при десяти - всего лишь 0,3 О. Кривая 2 показывает во сколько раэ должна быть выше частота квантования в способах, основанных на цифровом коди.- ровании оременйых интервалов, пропорциопальных фаэооому сдвигу, по отношению к частоте квантооания предлагаемого способа при одних и тех же максимальных ошибках (максимальная ошибка о этих способах,оценивается величиной - 360). Так приДТмаксимально допустимой ошибке измерения фазового сдвига в 0,3 использооание предлагаемого способа позволяет снизить астоту квантования в 120 раз. Очевидно, то указанный эффект тем более значите ен, чем более высокочастотен испытатель.ый сигнал и чем выше требования к(3) Для предлагаемого способа тизл = Т ид. (выражение для д получе 1,7 Д1 - 4,4-Г25 но в результате аппроксимации кривой 1фиг.2) 1 - 4,4 -Д Т 30 изобР - 1 7 Д(4) Из сопоставления (3) и (4) следует, чтопри4,5 коэффициент Кизобр.Кпрот, аТТпри10 это превышение оценивается вЪодин - два порядка. Столь существенное снижение потребной частоты квантования и повышение точности позволяет расширить 40 область применения способа и, в частности,реализовать цифровые многоканальные фазометры, измеряющие одновременно фаэовые сдвиги нескольких гармонических сигналов.45 Таким образом, техническим преимуществом предлагаемого способа является повышение точности и быстродействия, связанные с исключением ошибки непос редстоенной фиксации моментов прохождения сигналами нулевого уровня и возможностью точного измерения интервала времени между этими моментами при весьма низком (исчисляемом единицами) 55 числе коантований выходного сигнала напериод колебаний испытательного сигнала, Указанные преимущества позволяют расширить применение предлагаемого способа для исслвдоаания аысокочастотных сигналое, а также для одноаременного оп. точности. Способ-прототип тоже позволяет .повысить точность отсчета в заданное гп раз. Однако, как отмечено выше, это связано с одновременным увеличением времени 5 измерения. Представляет интерес сравнитьспособы по критерию качества, определяемому обратной величиной от произведения времени измерения на соответствующую ошибку, те.10ределения фазового сдвига нескольких сигналов одновременно.Формула изобретения Способ определения угла сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами, заключающийся в том, что определяют моменты перехода сигналами нулевого уровня, формируют интервал времени между ними, измеряют его, измеряют период входных сип алов и определяют знак сдвига фаз, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и быстродзйствия, последовательно попарно измеряют и запоминают текущие и предшествующие значения первого Х и второго У сигналов, смещенных на интервал квантования Ь, определяют идентичность знаков каждой последней пары значений, фиксируют значения первого сигнала до Х 1 и после Х 2 изменения знака и следующие.за ними значения втОрого сигнала до У 1 и после У 2 изменения знака, подсчитывают число 1 интервалов квантования между зафиксированными текущими эначе ниями первого и второго сигналов, определяют последовательность изменения знаков зафиксированных значений соответственно первого и второго сигналов, и определяют 5 фазовый сдвиг между сигналами по форму- ле У - У У 1 + У 2 0 180Т 10Х 1- Х 2ХПздпХЛПздпУЧ Ч ПздпХ ЛПз 3 дп У,15где Т - период колебаний гармоническихсигналов;. Пз д и О - посл едовател ь ность изменения знака сигнала О;20 причем ПздпО = 1 при изменении знака с"-" на "+", ПздпО -0 при изменении знакас "+" на"-",Составитель А. СтаростинаТехред М,Моргентал Корректор 0, Гереши Тираж Подписноеосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5