Способ измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами

(5)4 С 01 К 25/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Р 35(54)(57) СПОС ФАЗ МЕЖДУ ДВ НАЛАМИ по авт отличаю с целью повыш ния сдвига фа амплитуд, измруют так, что Б ИЗМЕНЕНИЯ СДВ УМЯ СИНУСОИДАЛЬ НЫМИ св, Мф 1056072,щ и й с я тем,ния точности из в широком диап ряемый сигнал Ф ы его частота лИГА ИГере азоне ильт- ежала ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) Авторское свидетелКф 1056072, кл. С 01 К 2 в полосе задерживания Фильтра, приэтом измеряют амплитуду измеряемогосигнала до и после Фильтрации, определяют отношение измеренных амплитуд, а затем, изменяя частоту срезафильтра, приводят этот сигнал к выбранному уровню, вновь измеряют амплитуду измеряемого сигнала до и после фильтрации, определяют отношение измеренных амплитуд и по отношению амплитуд измеряемого сигналадо и после Фильтрации до и после приведения .профильтрованного измеряемого сигнала к выбранному уровню вводят поеравку в результат измерениясдвига фаз между опорным и профильтрованным измеряемым сигналами,1 11808Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к области фазовых измеренийи может быть использовано для измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами в широком диапазоне амплитуд входных сигналов с получением результата в виде цифровогскода, пригодного для ввода в ЭВИ,Цель изобретения - повышение 10точности измерения сдвига Фазв широком диапазоне изменений амплитуд входных сигналов, что достигается за счет фильтрации сигнала и введения поправки в результат измерения 15сдвига Фаз между опорным и профильтрованным измеряемым сигналами, которая рассчитывается по отношению амплитуд измеряемого сигнала до и после Фильтрации до и после приведения профильтрованного измеряемогосигнала к выбранному уровню.На фиг. 1 приведена структурнаясхема устройства, реализующего предлагаемый способ; на Фиг, 2-структур-,25ная схема блока управления; наФиг. 3 - структурная схема вычислителя,ФУстройство, реализующее предлагаемый способ, содержит два входныхзажима 1 и 2, два коммутатора 3 и 4,два формирователя 5 и 6, Фаэовращатель 7, устройство 8 выделения вре:менного интервала (УВВИ), генератор 9импульсов, делитель 10 частоты (ДЧ), З 5ключи 11 и 12, счетчик 13, вычислитель 14, индикатор 15, блок 16 управления (БУ), фильтр 17, дополнительный коммутатор 18, вольтметр 19.Входной зажим 1 соединен с входом 40формирователя 5 и первым входом коммутатора 3; входной зажим 2 - с первым входом Фильтра 17 и первым вхо-.дом дополнительного коммутатора 18.Выход Фильтра 17 связан с вторыми 45входами коммутаторов 3 и 4 и дополнительного коммутатора 18, Выходкоммутатора 4 через формирователь 6связан с вторым входом УВВИ 8. Выходкоммутатора 3 через фазовращатель 7 50соединен с первым входом .коммутатора 4, выход формирователя 5 подклю"чен к первому. входу УВВИ 8 и к третьему входу вычислителя. Выход УВВИ 8через последовательно соединенные 55ключи 11 и 12 и счетчик 13 нагруженна первый вход вычислителя 14,первый выход которого присоединен 06к второму входу счетчика 13. Выход генератора 9 соединен с входом ДЧ 10, с вторым входом ключа 11 и вторым входом вычислителя 14. Выход ДЧ 10 связан с вторым входом ключа 12, второй выход вычислителя нагружен на первый вход индикатора 15 Первый и второй выходы БУ 16 связаны соответственно с коммутаторами 3 и 4, третий выход БУ 16 - с фазовращателем 7, а остальные выходы БУ 16 на" гружены соответственно на второй вход индикатора 15, на пятый вход вычислителя 14, на дополнительный коммутатор 18 и второй вход фильтра 17, выход вольтметра 19 подключен к четвертому входу вычислителя 14.БУ 16 (фиг, 2) содержит кварцевый генератор 20, который через последовательно соединенные делитель 21 частоты, первый переключатель 22 нагружен на вход первого кольцевого делителя 23 (КД), К-й выход которого через переключатель 24 соединен со входом второго кольцевого делителя 25 (КД) . Выходы КД23 с первого по К-й, а также выходы КД25 с первого по седьмой нагружены на дешифратор 26 (ДШ), выходы которого подсоединены к выходам (с первого по седьмой) БУ 16.Вычислитель 14 (фиг. 3) содержит устройства счетно-регистрирующие (УСР) 27, (УСР) 28, программируемое запоминающее устройство 29 (ПЗУ), мультиплексор 30, устройство 3 1 арифметическое (УА) и ключ 32 (КС), Причем первый, второй, третий входы вычислителя 14 связаны соответственно с третьим, вторым и первым входами УСР27. Кроме того, первый вход УСР27 подключен к четвертому входу блока ПЗУ 29, а четвертый вход УСР27 связан с первым выкодом мультиплексора 30.,Пятый вход УСР27 связан с третьим выходом ПЗУ 29, третьим входом УСР28 и первым выходом вычислителя 14. Первый выход УСР27 нагружен на первый вход, а второй выход УСР27 состыкован с четвертым входом мультиплексора 30. Первый вход УСР28 связан с четвертым входом вычислителя 14, второй вход - с третьим выходом мультиплексора 30, а выход УСР28 нагружен на второй вход мультиплексора 30, Вход ПЗУ 29 подключен к второму выходу мультиплекром 17, что необходимо для реализации предлагаемого способа. Выходныесигналы при этом снимаются с шестого и седьмого выходов ДШ 2 б, Приустановке переключателей 22 и 24в положение1 Щи КДсоединеныпоследовательно, при этом исполБзуются все семь выходов ДЯ. Устройство (Фиг. 1) при этом осуществляет 1 Осначала определение погрешности Й (У)по известному способу, а затем погрешности при неравных уровнях входных напряжений.При реализации предлагаемого способа кольцевой делитель КД25 Формирует управляющие сигналы, необходимые для переключения коммутаторов 3 и .4, дополнительного коммутатора 18 и Фильтра 17. Первый импульс 20с выхода КД25 устанавливает коммутаторы 3 и 4 в положение П, послечего на первый и второй входы подаются сигналы с амплитудой 0 , Вторымимпульсом с КД25 коммутатор 18 25устанавливается в положение 1, причем информация о величине 0 с вольтометра 19 поступает на вход вычислителя 14, Третий импульс с выхода КД 2 25 устанавливает на выходе Фильт- зрра 17 напряжение П . Четвертый импульс переводит коммутатор 18 в положение П и информация о величине 11через вольтметр 19 поступает на вычислитель 14. Пятый импульс перево-.35дит коммутатор 18 в положение 1, навторой вход подают напряжение Оинформация о величине которого поступает на вычислитель 14, Шестой импульс устанавливает на выходе фильт 1ра 17 напряжение П , седьмой переводит коммутатор 18 в положение П,информация о величине 0 заноситсяов вычислитель 14. Восьмой импульсКД25 поступает одновременно на . 45индикатор 15 и вычислитель 14, гдеон дает команду на индикацию результатов измерения с учетом введенныхоправок.При реализации этого способавычислитель 14 работает следующимобразом,Импульсы с выхода счетчика 13в количестве, пропорциональном Фазовому сдвигу е, поступают на третийвход УСР27, на его же первый входпоступают сигналы с выходов Формирователя 5, модулирующие по амплитуде сигналы, проходящие на второй входУСРот генератора 9, Количествоимпульсов пропорционально периодусигнала С ; Из последовательности модулированных импульсов в УСРФоржруется базовое время С , необходимое для работы ПЗУ 29. Информацияо величинах С,С г,оразрядно под действием управляющих импульсов с первого выхода мультиплексора 30 поступает для дальнейшей обработки в мультиплексор 30. Импульс, соответствующий с з, поступает на первый входблока ПЗУ 29, где осуществляетсявременная привязка этого импульса исигналов с выхода Формирователя 5.В блоке ПЗУ 29 на основании СЕФЭи двух периодов сигнала Формирователя Формируется измерительное времяработы устройства. По истечении С Формируется импульс "Сброс".поступающий на УСР27, УСР28и счетчик 13. Информация о величинах напряжений поступает на входУСР28 с вольтметра 19. Под действием управляющих импульсов третьегос выхода мультиплексора 30 информация с УСР28 также поразрядно поступает на дальнейшую обработкувмультиплексор 30. Импульсы "подсвета" с микропроцессора, расположенного в УА 31, поступают на второйвход ПЗУ 29 и первый вход КС 32. Этиимпульсы участвуют в Формированииуправляющих сигналов, поступающих намультиплексор 30 (первый вход). Информация о, Т и П , П и П после обработкй в мультиплексоре 30поступает на третий вход ПЗУ 29, гдеформируются сигналы, поступающиечерез трансляторы уровней УА 31на микропроцессор. В мультиплексоре 30 формируются также управляющиесигналы, необходимые для перемещенияинформации в УСРи УСР. Информация о целой части результата деленияй на С, осуществляемого в УА 31,поступает на третий вход мультиплексора, где подвергается обработке совместно с информацией о величинахнапряжений, С н , . При наличииуправляющего импульса на втором входеКС 32 информация о велйчине Фазовогосдвига с учетом поправки поступаетна индикатор 15, где и заканчиваетсяцикл обработки измерительной информации,50 3 1180сора 30, первый вход которого связанс первым выходом ПЗУ 29, его второйвыход нагружен на второй вход УА 3 1.Четвертый выход мультиплексора 30нагружен на первый вход УА 31, его жевторой выход нагружен на третий входмультиплексора 30 Второй вход КС 32связан с пятым входом вычислителя 14,а выход КС 32 нагрукен на второйвыход вычислителя 14, 1 ОПредлагаемый. способ реализуетсяследующим образом,Опорный сигнал поступает на входной зажим 1, а измеряемый - на зажим 2,Для исключения постоянныхсистематических погрешностей производяткалибровку устройства, для чего опорный сигнал подают на зажимы 1 и 2 одно"временно. БУ 16 переводит дополнительный коммутатор 18 в положение П, Опри котором вход вольтметра 19 соединен с выходом. фильтра 17. БУ 16 изменяет частоту среза фильтра 17 такимобразом, что его выходное напряжениеравно Б. Выбранный уровень 11 р определяется соотношением11 м11кгде 2 ьтра22 измене-ЗОого11 амплимакса.Например,35(20 дБ), ыйпостояннь н0,01 В. 3 тсявольтметр е БУ 1 бкоммутато 40ние 1 и в ходное напря ениекоторого ислителя 14,ошение ампли ина 45выходе Ф ослеэтого про эовогосдвига ме выходным си ного с кс(1)Еначальное затухание Филдинамический диапазонния амплитуды измеряемсигнала;максимальное значениетуды измеряемого сигналдля 11, =10 В Е=10Е =40 (40 дБ), выбранив уровень сигнала равеначение 11 р контролируеом 19, Затем по командр 18 переводится в полольтметр 19 измеряет вжение Фильтра Ор, эначзаносится в память вычкоторый определяет отнтуды сигналов на входеильтра 17 (К=11 р/11). Пизводится измерение фажду опорным сигналом игналом Фильтра 17, рав1 ф л(2) где- фазовый сдвиг, вносимыйфильтром 17;- паразитный Фазовый сдвигив цепяхформирователей 5 и 6.55Значение 9 заносится в память вычислителя 14 и в дальнейшем вычитается из результатов измерения,806 4После окончания калибровки измеряемый сигнал подают на входной за- .жим 2. БУ 16 переводит коммутатор 19в положение 11 и, изменяя частоту среза Фильтра 1.7, устанавливает его выходной сигнал, равный Ц, что контролируется вольтметром 19. Затемкоммутатор 18 переводится в положение 1 и измеряется амплитуда измеряе-мого сигнала, значение которой заносится в память вычислителя 14. Вычислитель 14 определяет отношение амплитуд К =11 /0. После этого производится измерение фазового сдвига междуопорным сигналом и выходным сигналомфильтра 17, равногогде ьч - Фазовый сдвиг, вносимыйфильтром 17, при измерениикоэффициента передачи от Кдо К;Ущ - измеряемый Фазовый сдвигизммежду опорным и измеряемымсигналами,Значение, хранящееся в памяти1 фвычислителя 14, определяемое соотношение (3), вычитается из результатовизмерений (4). Значение д Уф определяется вычислителем 14 по ФормулеаУ =агссоз К -агссоз К (4)фи вычитается иэ результатов измерений,В результате индикатор 15 индицируетзначение, соответствующее Фазовому сдвигу между измеряемым и опорным сигналами, и не содержит амплитудно-Фазовой погрешности.При реализации предлагаемого способа измерения БУ 16 работает следующим образом.Импульсы с выхода делителя частоты 21 с частотой 0,05 Гц поступаютна переключатель 22. Такое значение выходной частоты выбрано с тойцелью, что за соответствующий емуинтервал времени (20 с) устройство,реализующее предлагаемый способ,осуществит 5-6 измерений значенийфазового сдвига, Выбор режима работы БУ 16 осуществляется с помощьюпереключателей 22 и 24. При установке переключателя 22 в положение 1,а переключателя 24 в положение Посуществляется известный способ,при этом используются пять выходовдешифратора 26, При установке обоихпереключателей в положение П (Фиг.4)работает только КД, осуществляяуправление коммутатором 18 и Фильт7 11808Для изменения амплитуды измеряемого сигнала используется аналоговый фильтр, являющийся минимально-фазовым четырехполюсником, имеющим однозначную зависимость между коэффициентом передачи К и вносимым Фазовым сдвигом Ч при изменении частоты либо значения величины одного из его элементов. При значениях коэффициента передачи К(0,03 зависимость вносимо О го фазового сдвига от коэффициента передачи определяется соотношениемК=соей У . (5)Точность равенства (5) увеличивается 15 при уменьшении коэффициента передачи КС-фильтра. В пределах полосы прозрачности при изменении коэффициента передачи Фильтра от 1 до 0,7 фазовыйосдвиг меняется от 0 до 45 . В преде лах полосы задерживания при изменении коэффициента передачи от 0,01 до 0,001 Фазовый сдвиг изменяется от 89,42 до 89,942 (на 0,522); при изменении коэффициента передачи от 25 0,001 до 0,0001 Фазовый сдвиг изменяется от 89,942 до 89,994 (на0,052 ), т.е. изменения фазового сдвига в данном случае пренебрежиОб 8тельно малы. Этот Факт используетсядля изменения амплитуды измеряемогосигнала. Для того, чтобы не вводитьочень больших затуханий, целесообразно, используя соотношение (5),вводить поправки к измеренному значению фазового сдвига, измеряя коэф фициент передачи К. При значениях К,близких к 1, т.е. в полосе прозрачности, для достижения точности измерения Фазовых сдвигов + 0,05 - 0,01необходимо определение К с погрешностью не хуже 0,0052. Достижениетакой высокой точности в широкойполосе частот технически сложная задача. Однако при К 40, 1 для достижения указанной точности измерения поправок необходимо измерение коэффициента передачи с погрешностью передачи 0,5 - 17, что легко реализуетсяпрактически. Поправки к измеренномузначению фазовых сдвигов определяются соотношением (4), используя измеренные значения К и К. Как показали экспериментальйые.исследования,точность измерения Фазовых сдвиговв диапазоне амплитуд 20-40 дБсоставляет 0,005 - 0,01 в широкомдиапазоне частот."Патен ная каз 5916/43 Тираж 747 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и 113035, Москва, Ж, Раушск