Способ определения фазового сдвига

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК БО 4 зо 1)4 С 01 К 25100 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ИЗОБРЕТЕИДЕТЕПЬСТВУ ПИ(56) ГлинчЕнко А.С. и др. Цифметоды измерения сдвига фаз. -сибирск: Наука, 1979, с, 39-4рис. 122.Пестряков В.Б. Фазовые раднические системы. - И.: Сов. р1968, с. 379. ии и овыеНовотехо ОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО(57) Изобзлектрорадиспользовпроизвольмени фаза формуле, щ исания. Кромеет учета гар- ЦФ одействие, С ания может приведен повышени и в тексте о ится к областии может бытьения в течениеинтервала вретение отн очности иоизмерении но для изме о заданного ого сдвига моники,так какбыть мно овышается быстр ремя интегриро о меньше (в и аз) период игналов, соде И АВТОРСИОМУ жащих априорно известную и-ю гармонику основной частоты. Цель изобретения - повышение точности и быстродействия. Используя принцип квадратурной обработки сигналов, из одного входного сигнала, содержащего а-ю гармоническую составляющую, и четырех опорных сигналов (синусной и косинусной составляющих основной частоты и синусной и косинусной составляющих п-.й гармоники) формируют с помощью операции перемножения десять вторичных сигналов. Затем сигналы интегрируют и, преобразовав в форму, удобную для вычислений, вычисляют уточненное значение фазового сдвига поно основнои частоты. ц илИзобретение относится к способамэлектрорадиоиэмерений и может бытьиспользовано для измерения сдвигаФаз сигналов, в составе которых присутствует и-я гармоника, за малоевремя измерения, в том числе и завремя измерения, меньшее периода сиг",нала, с повышенной точностью и помехоустойчивостью. 10Цель изобретения - повышение точности и быстродействия измерения Фа"зового сдвига при наличии и-й гармоники в сигнале,Способ определения Фазового сдвига 15сигналов основан на том, что измеряемый сигнал перемножают на синусную икосинусную составляющие опорного сигнала, результаты перемножений интег рируют и Формируют соответственно 20сигналы о и р измеряемый сигнал перемножают с синусной и косииуснойсоставляющая и-й гармоники опорногосигнала и интегрируют, формируя соответственно сигналыи Е, синусную 25и косинусную составляющие опорногосигнала и синусную и косинусную составляющие и-й гармоники опорного сигнала возводят в квадрат и интегрируют, Формируя соответственно сигналыЫф р " и Е синусйуЬ составляющую опорного сигнЫа и синусную составляющую и-й гармоники опорного сигнала перемножают между собой и интегрируют, Формируя сигнал )косинусную составляющую опорного сигнала икосинусную составляющую и-й гармони"ки опорного сигнала также перемножаютмежду собой и интегрируют, Формируясигналзатем с помощью полученных40десяти сигналов вычисляют значение(1) 45В выражении(1) используются мгновениые значения сигналов (например,напряжений), полученные одновременноВ результате интегрирования в одноми том же интервале времени Т."50 сэ( ) ран пс ЯпоИ)-ЯСпособ обеспечивает определениеФазового сдвига с систематическойпогрешностью равной нулю. Для того,чтобы убедиться в этом, найдем маИ) Я,в 1 п(иС Ч, ) +-тиВ приведенных выражениях интегрируются следующие сигналы:;измеряемый сигнал (С) который сучетом наличия в его составе и-йгармоники и шума определяется выражением:(г.) Я,св 1 п(сдлс + ч ) + Я, хХ В 1 П(ПМо+ Чвс ) + П (12)где Я с ы,, - амплитуда, частота,фазовый сдвиг гармонического измеряемого сигнала;Я,Ч, - амплитуда и фазаМНи-й гармоники измеряемого сигнала;п(1) - флюктуациониый шум,присутствующийсовместно с полезным сигналом;и - номер гармоники,присутствующей всигнале,-синусная и косинусная составляющие опорного сигналаЯ оз Я в 1 пмЯ с с () Я В 1 и Яс-синусная и косинусная составляющие и-й гармоники опорного сигнала(И = Я,рсов по)ое (14) тематическое ожидание результата измерения.Для этого подставим в выражение (1) измеряемый сигнал 12 без шумов,т.е1 п(пы й + с ) (15)(25) напряжения на Фиг.4 - временные диа граммы р 1 б Ры б 1 уокя т 7 гра;7 доенияУстройство, реализующее способ, содержит генератор 1 опорного напряжения ( 0 Л), перемно;-.ителп 2-5 квяд раторы 6-9 пере;множители 10 и 1 интеграторы 12=21., вычислительный блок (ВБ) 22, инцикатор 3, ,блок 24правления (ВУ), Чри этом ГОН 1 опорного напряжения первым выхоцом явля" ющимся выходом с 1 иусБОЙ составляющей опорного сигнала, подключен к первому входу перемчожителя 2 входу ква-ритора б и первому входу перемножителя 10. вторым выходом,. являющимся выхо" дом косинусной составляющей опорного сигнала,- к первому входу перемножителя 3, входу квапраторя 7 ч первому входу перемножителя ";1, третьим выходом являющимся выходом сияусной сос тавляющей и-й гармоники опорного сигнала - к первому входу перемножителя 4, входу квндратора 8 и второму в входу перемножителя 10, четвертым выходом, являющимся выходом косинусной составляющей и-й гармоники опорного сигнала- к первому входу перемножителя 5, входу квадратора 9 и второму входу перемножителя 11, Вторые входы перемножителей 2"-5 подключены к шине входа измеряемого сигнала, выходы пегде А = ядпсоТАооТ; В = бэппы,ТЬы,Т;(и + 1) ыо /2Если подставить (16-25) в (1), получаютцЗм (30) причем данное равенство справедливо 4 О для любого Т, как кратного, так и некратного периоду сигнала, в том числе и для Т, меньшего периода сигнала.Что касается случайной погрешности 4 Б способа определения фазового сдвига, то на основе исследования функции правдоподобия можно показать, что данный способ имеет минимальчо возможную случайную погрешность из возможных способов определения фазового сдвига при времечи измерения, меньшем периода сигнала или некратном периоду сигнала.На фиг. 1 приведена структурная схема одного из вариантов устройства, реализующего способ, на фиг.2 - вариант схемы блока управления на фиг.З вариант схемы генератора опорного 1 = -1 Б, созе,(С - 0) + Б соя р(1 - В)1; (18) Тремнояителей 2-5 " к шкодам соответ" ственно интеграторов 12-15, выходы квадраторов 6-о - к входам соответственно интеграторов 16" "9, вь 1 хаць перемножктелей 1 О к1 - к ку.одам со"- ответственно интеграторов 20 к 2, Выходы интеГРаторов 12-21 - е десяти Входам вычислктел ного блока 22 вь;"- ходОм соединенного с.индикатором 23.Блок 24 управления содержит(фиГ.2) формирователь 25 импульса пуск а (ФИП), вр емяз аяю 1 ц"-Й элемент (В 33) 26 и Фоибэоьадел:. 7 :мпуль- СОВ (ФИ) последовательн 0 соед"ненкые межДУ сОбОЙ, Первый выхОД БУ 24 Явля- ется выходом вреуязздающе."0 зпемента 26, а Второй - выхоДОм ФИ 27, Первьй ВхОд еГО НОдключен к упрае 1 яющкм вхОДам ГОЦ 1 и 1",т-к опВТОРОЙ - к Управ.,Нющкь ь,.сдам Янте ц граторов 12-2: к кщпккато-,;а 2"ГОН "; содержи, ,д)кг3) Гетовый генератор (ТГ) 28 вход которого пад" ключен к первому выходу БУ 24, .четыРе запоМинающих блока (ЗБ) 29-32 входы которых подключены к выходам ТГ 28 и четыре дифроанапоговь:х преобразователя (ПИЛ,: 33"-36,:;ходы которых подклю 7 ееы к соотве".;".Ву:Ощкм выходам ЗБ 29-32 а вы;Оды яьлнются выходами скнусной и, коскнусно. Сос" тавляющимк опорного скгнола ;. с:.нусИОЙ и коскнусной сс; тав-,.у.;1 щ:,;,и и" Й гармоники Оорного . фр: ач,цУстрОЙств 0 Р або".у.,е :,;.1,19 щит 1 об" разом.Момент начала кз мю "е н 1 я юр мкру т ся ФИН 25 (фкго 4 с) Б." 2-": РаботаюшеГО В ручном илк автомат:ьческом Реуукмах .ВЗЗ 26 БУ 24 форыйзус:т кмп"ульс (фиг е 4 б) . Равный по длительности Времени измерения Т которь"у по первому выходу подается не ГОН 1 на вход ТГ 28 и на кнтерт;ать,."у 4 2 2 , течен: е времени интегпиро:ан 1 Я 1 ОН 3 формк рует синусную и косинусную составляющие опорнОГО сигнала, которые подают ся на перемножктелк 2 к 3 каадратоРы б и 7, пер,.;ыож-:;тедии ;., ск" нусную и косннусную сост-вляющке п-.й гармоники опорного сигнала которые подаются на перемножктепк 4 к 5 квадраторы 8 и 9 к перемножителк 3 О и 1 Певемножеь,"ще с кз)уевяемым скг"налом синусная и косину: нач состав.ляюшие опорного сигнала к сннусная и косинусная составпябшие и Й Гарм 0 ники Опорного сигнала кьядркрозян ные скнусная и коскнусная составляющие опорного сигнала и синусная икосинусная составляющие п-й гармоникйопорного сигнала, а также перемноженные между собой синусная составляющая спорного сигнала и коскнуснаясоставляющая и-й гармоники опорногосигнала, косинусная составляющая0 опорного сигнала и косинусная составляющая и-й гармоники опорного сигнала интегрируются в течение времениТп., После окончания интегрированиярезультаты запоминаются (фиг.4 в) на;б время Т, равное длительности импульса с выхода ФИ 27 в БУ 24, поступающего по второму выходу на интегратоРь: 12-2 к индикатор 23. Сигналы свыходов интеграторов, которые в течение действия импульса по второму выходу постоянны во времени, подаютсяна входы ВБ 22, в котором вычисляется результат измерения по формуле12), С выхода ВБ сигнал, являющийся2 б результатом измерения, поступает наиндикатор 23, который запоминает егово время действия импульса по второмувходу и отображает до окончания следующего измерения,;,;) Технико-зкономический эффект данного способа заключается в уменьшениипогрешности измерения, Особенно этоважно при измерении сдвига фаз сигналов на кнфранкзким частотах при времени измерения, меньшем периода сигнала. При малых временах измерения,меньших периода сигнала, погрешностьможет достигать 2 О и более, т.е. изомерение фактически становится невоз,О можным. Для выполнения измерения сприемлемой точностью время измерениянеобходимо увеличить до значения,кратного периоду (полупериоду) сигнала, т,е. изобретение позволяет умень 4 шить время измерения.Формула и э обретенияСпособ определения Фазового сдви.-, Га, ;основанный на перемножении изме- зОряемОГО сигнала на синусную и косинусную составляющие опорного сигнала, интегрировании двух результатов перемножения и вычислении результата измерения как арктангенса отношения:" Бпервого результата Ы интегрировайия квторомур, отличающийся тем, что, с целью повышения точности к быстродействия измерения Фазового7 1430904 8сдвига при наличии априорно известной ники опорного сигнала перемножают . и-й гармоники в сигнале, измеряемый межцу собой и интегрируют, Формируя сигнал дополнительно перемножают с сигнал у, косинусную составляющую синусной и косинусной составляющими опорного сигнала и косинусную состав 5яи Й гармоники опорного сигнала и ин- ляющую и-и гармоники опорного сигнала тегрируют, формируя соответственно также перемножают между собой и инсигналыи 1, синусную и косинусную тегрируют, Формируя сигнал д, затем составляющие опорного сигнала и си- с помощью полученных десяти сигналов нусную и косинусную составляющие и-й 1 О по результатам интегрирований вычисгармоники опорного сигнала возводят ляют значения Фазового сдвига по Форв квадрат и интегрируют, Формируя со- муле;ответственно сигналы о, Рф, + и Я", ДЕ+- 1 Е о "- Р 1 синусную составляющую опорного сигна- = аксСдча н синусную составляющую и-й гармо, Тираж 772 Подписное ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Рауюская наб д, 4/5