Устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов

Комитет Россяйской Федерация по патентам я товарным знакам йЛИЖ- т .ИР ЛМ ИЗОБРЕТ П К ПАТЕНТУ ЕНИЯ СООТДАЛЬНЫХ ОЙРЕДЕЛ НАЛ(76) Келехсаев Борис Георг(4) УСТРОЙСТВО ДЛЯНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ(Пв . деление синфазности и лротивофазности двух синусфидатьнцх сигналов Сущность изобретения; устройство содержит блок деления 1, блок выделения экстремумов 2, блок сравнения 3 1 злф-лм 2Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам определения соотношения фаз. в частности к устройствам для определения синфазности и противофазности двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одной частоты, и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устройствах инфранизкочастотного диапазона, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и изменяться в широких пределах.Известны различные устройства определения соотноШений фаз двух синусоидальных сигналов при измерении их разности фаз 1,2,3 которые характеризуются значительной сложностью из-за большого количества блоков и звеньев, требующихся для формирования дополнительных импульсов в определенные моменты времени сравнения временных интервалов, измерения коэффициентов модуляции, корреляции и т.п. Кроме значительной сложности этих устройств, они имеют погрешность определения синфазности и противофазности при малой амплитуде хотя бы одного из сигналов, особенно в инфранизкочастотной области измерений, причем эта погрешность становится значительной из-за того,что на инфранизких частотах существенно уменьшается скорость изменения сигналов, и время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, особенно при малых значениях амплитуд(или амплитуды хотя бы одного из сигналов).Известны более простые осциллографические устройства определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов 4.5.Эти устройства используют отклоняющие пластины осциллографа и определенному положению лучевой метки на экране осциллографа судят о синфазности и противофаэности исследуемых сигналов.Наличие осциллографа затрудняет работу в полевых условиях, кроме этого устройства имеет большие погрешности на инфранизких частотах и при малых амплитудах сигналов.Наиболее близким техническим решением к заявляемом по общим используемым признакам является устройство для определения соотношения фаэ двух синусоидальных сигналов 6, содержа.цее три формирователя импульсов, генератор импульсов, счетчик, два регистра и блок сравнения, соединенный с выходом устройства.Это устройство определения соотношений фаэ двух синусоидальных сигналов не эффективно на инфранизких частотах и приизменении амплитуд сигналов в большом динамическом диапазоне, так как при этом уменьшается скорость изменения сигнала и возникает погрешность при формировании опорных импульсов. Кроме этого, устройство позволяет определять только знак разности фаз двух синусоидальных сигналов и не определяет синфаэность и противофазность исследуемых сигналов,Целью изобретения является повышение точности при расширении функциональныхх воэможностей.Цель в устройстве для определения соотношения фаз дв 1 х синусоидальных сигналов, содержащем блок сравнения, подключенный к выходу устройства, достигается тем, что оно дополнительно содержит блок деления и блок выделения экстремумов, причем два входа блока деления - один для сигнала-делимого, другой для сигнала- делителя, подключены к двум входам устройства, к выходу блока деления подключен вход блока выделения экстремумов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения: блок выделения экстремумов содержит блок выделения модуля и два амплитудных детектора, причем вход блока выделения экстремумов подключен к входу блока выделения модуля, к выходу которого подключены входы первого и второго амплитудных детекторов, выходы последних двух подключены к первому и второму выходам блока выделения экстремумов соответственно,Существо изобретения заключается в том, что совершив деление величин исследуемых сигналов друг на друга, однозначно определяют синфазность и противофаэность этих сигналов по отсутствию различия между экстремальной величиной сигнала- частного и любой другой его величиной внутри исследуемого полупериода сигнала- делителя. При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-ча.гное представляет собой функцию времени 50 55 5 10 15 20 25 30 35 40 45(т)= Аз 1 п(щ т+Г 1) /Выл(ь т+Г 2) (1) где Взп(ю т+Г 2)фО; Г 1 и Г 2 - фазы двух исследуемых сигналов;А и В - амплитуды исследуемых колебаний. Функция ф) будет периодической прерывной функцией, и по виду напоминать функции тангенсов или котангенсов.- К+К(0/щ ю т) = К 20 25 30 35 40 45 50 55 В случае Г 1 Гг, Е 2-О выражение(1) можно записать следующим образом для КО. 0Го л /2 и К 0 л/2 лЕол;КСозЕо+3 пЕо СТ 9(2 л 1/Т), (2) где Тл / со; Ео - разность фаз между исследуемыми колебаниями.А в случае Г 2Е 1, Е 1=0 можно записать для КО,-л /2 ЕоОи К О, - лсо( л/2:ф)=К (1/ соз Го+3 ПЕо сТД(2 л 1/Т) (3) Положив Ео(условие синфаэности), будем иметь значения зпЕо; созЕо. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получим соответственно:(т)=К/ (1+ОС 19(2 л т/Т) - К (5) Положив Е,= +180 (условие противофазности). будем иметь значения зпЕо-О, созЕо -1. Подставляя их в выражения 92) и (3), получим соответственно:=(-К+К(О/щ со т) = -К(6) ф)-К/( -1+Осс 92 л т/Т) = -К (7) Следовательно, в случае синфазности и противофаэности, получим функцию с(т) в виде прямой линии. численно равной значению +К, т.е. 1)=+К, При малых отклонениях от идеальной синфазности и противофаэности к полученным значениям +К будем добавляться значение, образованное из вторых слагаемых, заключенных в квадратные скобки выражений (4)7), в которых вместо нуля подставляются значения зпЕо. Так как эчачения т 9 ас и ст 9 где рассматриваются на интервале полупериода сигнала-делителя, т.е, Ою т 180, то значения слагаемых, которые прибавляются или вы читаются из значений +.К выражений (4 Н 7), будут максимальны по абсолютной величине в начале и в конце рассматриваемого полупериода.Таким образом, при малых отклонениях от синфазности и противофаэности двух синусоидальных сигналов значения функции т(1) сигнала-частного в начале или конце каждого рассматриваемого полупериода будут отклоняться от значений +К. А экстремальное значение сигнала-частного (максимальное или минимальное) в сравнении с любым другим на данном интервале внутри рассматриваемого полупериода будет указывать на синфазность и противосьаэность при отсутствии различий между собой с уче.том ошибки выбоанного ме 1 ода срлвне.ния.На фиг, 1 показана функциональная схема у:тройства; на фиг. 2 - функциональнаясхема блока выделения экстремумов.Устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов содержит блок деления 1; блок 2 выделенияэкстремумов; блок сравнения 3,Блоки в устройстве соединены междусобой следующим образом. Первый и второй входы блока деления 1 подключены кпервому и второму входам устройства соответственно, К выходу блока деления 1подключен вход блока 2 выделения экстремумов, первый и второй выходы которогоподключены к первому и второму входамблока сравнения 3 соответственно, Выходпоследнего подключен к выходу устройства,Блок выделения экстремумов подключен к входу блока 4 выделения модуля, квыходу которого подключены входы первогоамплитудного детектора 5 и второго амплитудного детектора б, Вь ходы первого и второго амплитудных детекторов 5 и 6подключены к первосу и второму выходамблока 2 выделения экстремумов, соответственно,Устройство для определения соотношенияя фаз двух синусоидальных сигналов работает следующим образос.;. Входныесигналы в виде синусоидальных напряжений Ох(т) и Щ) поступают на первый и второй входы блока деления 1, причемнапряжение О(т) является сигналом-делимым, а напряжение О(с) являесся сигналомделителем. На выходе блока деленияполучают напряжение О 1, пропорциональное частному отделения Ох(с)/Оу(с). Это напряжение поступает на блок 2 выделенияэкстремумов, Напряжение О 1 в течение каждого интервала времени, соответствующегополупериоду сигнала-делителя Оу(с), изменяется в соответствии с видом функции ф).рассмотренной в (1 Н 7), На краях каждогорассматриваемого интервала времени напряжение 01 будет принимать экстремальные значения, Напряжение О 1 поступает наблок 4 выделения модуля, на выходе которого получают напряжение, равноеО 1 , Этонапряжение поступает на входы первого ивторого амплитудных детекторов 5 и 6, Навыходе первого амплитудного детектора 5выделяется максимальный сигнал, равныйО 1 спэх, на выходе второго амплитудногодетектора 6 выделяется минимальный сигнал, равныйО 1 асс.Таким образом, на первом выходе блока2 выделения экстремумов будут выс,е 1 я 1 ьсч2001410 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 максимальные по модулю напряжения 02 гпах 1 011 пзах, а на втоРом его выхоДе бУДУТ выделяться минимальные по модулю напряжсния 02 ппаи. Эти напряжения 02 пах И 02 п 1 п ПОСтУПаат На ПЕРВЫЙ И ВтОРОй ВХОДЫ блока сравнения 3 соответственно, который сравнивает эти напряжения по модулю. При синфазности или противофазности исследуемых сигналов абсолютные значения напряжений 02 пах и 02 юп бУДУт Равны междУ собой, и на выходе блока сравнения 3 напряжение Оз будет принимать значение соответствующее условию 02 тах"02 юп 1 К примеру, если в качестве блока сравнения использовать параллельный сумматор, то при синфазности или противофазности на его выходе при вычитании модулей его входных сигналое будет напряжение Оз=0.Следует отметить, что блок выделения экстремумов можно построить различными способами, имея на выходах напряжения одного или разных знаков, Выделяя и сравнивая экстремальные значения напряжений 01, обеспечивается максимальная чувствительность устройства, На фиг, 2 по казан вариант, когда используются блок выделения модуля и два амплитудных детектора - один для выделения максимального сигнала, другои для выделения минимального сигнала. Возможны варианты и для блока сравнения - параллельный сумматор иги компаратор, или блок деления,Устройства выполнено на стандартных элементах по известным схемам, например; Формула изобретения 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕ- ния эдэ двух синусоиддльных сигндлов, содержащее блок сравнения. подключенный к выходу устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок деления и блок выделения экстремумов, причем деа входа блока деления один для сигнала делимого, другой для сигнала делителя - подключены к двум входам устройства, к выходу блока деления подключен вход блока выделения экстремумов, первый и второй выходы которого блок деления 1 - 7 а; блок 2 выделения экстремумов - по схемам 7 б,в,; блок сравнения 3 - 7 г. Предлагаемое устройство не только позволяет четко определять синфазность и протиеофазность исследуемых сигналов по сравнению с прототипом, но и имеет существенные преимущества перед другими устройствами по своей простоте и точности особенно в инфранизкочастотном диапазоне даже тогда, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь е большом динамическом диапазоне.(56) 1. Авторское свидетельство СССРМ 1138760, кл. б 01 В 25/00, 1984. 2, Авторское свидетельство СССРМ 1503025, кл. б 01 Б 25/00, 1987,3. Авторское свидетельство СССРМ 1503026, кл, 6 01 В 25/00, 1987.4, Физический энциклопедический словарь. Под редакцией А,М. Прохорова. Сое,энциклопедия, М, 1983, с, 349,5. Авторское свидетельство СССРМ 1687796, кл, б 01 Я 25/00, 1984,6, Авторское свидетельство СССР1 ч. 1167524, кл, 6 01 Я 25/00, 1985.7, А.Г, Алексеенко, Е.А. Коломбет,Г,И, Стародуб, Применение прецизионныханалоговых ИС, М.: Сое,радио, 1980:а) с, 96-97; б) сс, 107; в) с. 185; г) с, 77,подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок выделения экстремумов содержит блок выделения модуля и два амплитудных детектора, причем вход блока выделения экстремумов подключен к входу блока выделения модуля, к выходу которого подключены входы первого и второго амплитудных детекторов, выходы последних двух подключены к первому и второму выходам блока выделения экстремумов со-, ответственно.