Способ определения знака разности фаз двух синусоидальных сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 84099 9) 00 1)Ю 0 0 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРтут им сло - М.: 1(56) Авторское свидетельство СССРМ 1138760, кл 0 01 Р 25/00.Авторское свидетельство СССРИг 1503025, кл. 0 01 Р 25/00,Авторское свидетельство СССРМ 1503026, кл. 0 0,1 Р 25/00,Физический энциклопедическийварь./Под редакцией. Прохорова А,М,Сов. энциклопедия. 1983, с. 349,Авторское свидетельство СССРМ 143146, кл. 0 01 Р 25/00,Авторское свидетельство СССРйб 168796, кл. 0 01 Р 25/ОО Изобретечие относится к области измерительной техники, в частности к способам определения знака разности фаз двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одной частоты и предназначено для пре-: имущественного использования в прецизионных устро 1 ствах, обеспечивающих с приемлемой точностью определение знака относительно малых Фазовых сдвигов между сигналами инфранизкочастотного диапа- зона, при этом амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах. Известны различные способы определения сдвига фаз, которые позволяют также определить и знак разности фаз, Эти способы характери(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАКА РАЗНОСТИ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ(57) Использование; обработка информации в прецизионных измерениях для сигналов, изменяющихся в широком амплитудном и частотном диапазонах. Сущность изобретения: делят два.исследуемых сигнала друг на друга, а о знаке разности фаз судят по характеру измегненйя функции-частотного н. временном интервале, не превышающем по длительности 1/2 периода сигнала-делителя. 7 ил. зуются значительной сложностью из-за большого количества операций, заключающихся в формировании дополнительных им- С пульсов в определейные моменты времени, О сравнении временных интервалов, введе- цО нии коэффициентов модуляции, корреяяции и т.п. Кроме значительной сложности этих способов возникает погреш настя опредеяения знака разности фаз при малых абсолют. д ных значениях разности фаз, мэлой амплитуде хотя бы одного из сигналов и винфранизкочастотной области измерений.В указанных условиях погрешность определения знака разности Фаз становится значительной из-за того,что на инфранизких частотах существенно уменьшается скорость изменения сигналов и время срабаты- пластины ЭЛТ из одного из сигналов форвания пороговых устройств становится не- мируют пикообразные импульсы и такжеоднозначным, причем эта неоднозначность подают их на отклоняющие пластинь 1 ЭЛТ.еще больше возрастает при малых энацени- На экране осциллографа образуется амплиях амплитуд или амплитуды хотя бы одного 5 тудная отметка, по положению которой наиз сигналов) и малых разностях фаз, при оси ординат судят о знаке фазового сдвига.этом длительности формируемых дополни- Этому способу свойственны те ке недотельных импульсов имеют значительный статки, что и способу 51, то есть при малыхразброс, цто в целом увеличивает погреш- абсолютных энацениях разности фаз, инфность измерения знака разности фаз. 10 ранизких частотах и малых амплитудах сигИзвестны более простые осциллографи- налов погрешность определения знакацеские способы определения знака разно- разности фаз значительно возрастает.сти фаз. Все эти способы основаны на Целью изобретения является уменьшеформировании фигур Лиссажу на экране ос- ние погрешности определения знака разноциллографа и по качественной оценке рас сти фаз при малых абсолютных значенияхположения фигуры на экране судят о знаке разности фаз и в области инфранизких цасразности фазы между исследуемыми сигна- тот.лами, В способе иследуемые сигналы под- указанная цель в способе определенияают каждый на свою пару отклоняющих знака разности фаз двух синусоидальныхпластин. Определение знака разности фаз 20 сигналов, в соответствии с которымосущепри малых абсолютных знацениях разности ствляют взаимодействие исследуемых сигфаз д 0 из-за конечной разрезающей спо- налов, а знак разности фаз определяютсобности осциллографа, определяемой ши- путем качественной оценки результатовриной луча затруднено, к томуке при малом этого взаимодействия, достигается тем, цтозначении амплитуды хотя бы одного из сиг один исследуемый сигнал делят на другой,налбв регистрация исследуемых напряке- региструют сигнал-цастное, выбирают, поний будет осуществляться на нелинейном, крайней мере; два значения сигнала-частноуцастке отклоняющего напрякения, кроме го на временном интервале, расположен.того; погрешность регистрации исследуе- нам в пределах половины любого периодамых сигналов и соответственно определе- ЗО сигнала-делителя и не превышающем поние знака д 0 с помощью осциллографа .длительности этот полупериод, таким обравозрастает в инфранизкоцастотном диапа- зом, чтобы в пределах этого интервала двазоне из-за ограниченности цастотнотного выбранных значения сигнала-частного раздиапазона осциллографа. личались между собой по величине большеВ способе уменьшена погрешность оп возможной погрешности сравнения этих.ределения знака разности фаз за счет фор- значений, и определя 1 от знак разности фаэмирования иэ одного из сигналов сигналов делимого и делителя как положипикообразных импульсов и подачи их на тельный, когда знацениесигнала-цастноговмодулирующий электрод электронно-луце- начале выбранного временного интервала ввой трубки (ЭЛТ), На экране ЭЛТ будет вы направлении оси времени больше значениясвечена точка, по знаку ординаты которой этого сигнала в конце выбранного интервасудято знаке разности фаз, Однако положе- ла, а.при обратном соотношении аналогичние этойтоцки будет неопределено при сиг- ных величий сигнала-частного - какналах малой амплитуды и инфранизких отрицательнь 1 й знак разности сдвига фазчастот, так как формирование пикообраэ междусигналами делимого и делителя,ных импульсов в этом случае представляет Фиг,1 - 7 иллюстрируют предлагаемыйопределеннь 1 е сложности, погрешность оп- способ,ределения знака разности фаз еще более Существо изобретения заключается ввозрастет для малых.абсолютнь 1 х знацений том, цто совершив простейшее действие надд 0 из-за ограниченной разрешающей спо исследуемыми сигналами - деление их другсобности осциллографа на друга; можно однозначно определитьНаиболее близким техническим реше- знак разности фазы сигналов по характерунием к заявляемому по достигаемому эф- изменениявременнойэависимости-сигнафекту является способ определения знакала-частного от деления исследуемых сигнаразности фаз, который обеспечивает тоц лов на полупериоде сигнала-делителя,"йость"оиределейия этого знака не хуже, цем причем в области малых значений р 0 или5, но более простыми средствами. д, - =.й характер этого изменения выраВ соответствии с этим способом иссле- кен четкО и никак не зависит от частотыдуемые" сигналы подают на отклоняющие сигналов,Заявителю неизвестно техническое решение со сходными признаками, на основании чего можно сделать заключение о существенности отличий заявляемого технического решения. Возможность опреде ления знака разности фаз поясняется графиками функций. частного, приведенными на чертежах. При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное представляет собой ФункА эп в 1+ цию времени ф) - гдеВ3и (сО т + с 2) В8 П(аС+ог) ФО, д)1 и тог-фазыдвухисследуемых сигналов, а разность фаз между ними + ро = 01 щ (для о 1ог) Функция ф) будет также периодической функцией, но при этом в точках временной оси, соответствующих полупериоду сигнала-делителя функция 1(1) будет принимать бесконечные значения (тигонометрические выкладки, по зволяющие представить 1(1) в виде простой аналитической зависимости, приведены в приложении).На Фиг, 1 а, б представлены функции т(1) для + дъ (гр 1 г) и для ор (гр 1 ог). Как видно из зависимостей, представленных на этих фигурах, при положительном знаке разности фаз на интервале в половину пе-" риода сигнала-делителя (например интервал, отмеченный точками т 1, тг) значения ЗО Функции 1(1) в начале указанного интервала (и любого другого) превышают значения этой функции в конце интервала в направлении оси времени (фиг. 1 а), а при отрицательном знаке разности фаэ значения З 5 функции 1(т) в начале интервала т 1-сг меньше, чем в конце этого интервала (фиг,1 б).Характер зависимости ф) как для положительного, так и для отрицательного знака разности сдвига фаз сохраняется при любых соотношениях К=А/В и значениях разности фаз оо.Так на фиг. 1 а, б представлены зависимости 1(1) для сро =юг/2 и А=В, ф пересекает интервал полупериода сигнала-делителя (11- 1 г) пересекает интервал полупериода сигнала-делителя (11-тг) в его середине в точке юНа фиг.2 а, б представлены зависимости ф) соответственно для р, =О (синфазные сигналы) и доо = П (противофазные сигналы) для гро 0 и А=В. Как видно из этих графиков, точка то пересечения их с временной осью смещается от начала интервала 11-1 г(фиг.2 а) к его концу(фиг. 2 б),При значительных различиях А и В изменяется скорость нарастания (убывания) зависимости ф). На фиг. За, б (для д)о0) представлены зависимости для К=А/В 1 и для К 1, соотвественно, (вид зависимости ф) для ро0 и К 1 представлены на фиг,За пунктиром),Таким образом, при самых различных сочетаниях параметров исследуемых сигналов характер зависимостей 1(1) для + р, и - ро сохраняется на всем полупериоде сиг- нала-делителя, убывание функции 1(т) на интервале с 1-тг для + ро и возрастание этой Функции на этом интервале для -уЪ, причем даже при визуальном анализе на указанном интервале могут быть выбраны значения функции 1(т) значительно различающиеся между собой, так что разность между этими значениями будет превышать разрешающую способность выбранного способа определения, т.е. будет больше возможной ошибки определения.Заключение о знаке разности фаз можетбыть сделано по характеру изменения функции Я 1) и на более коротком, чем Ь-тг, временном интервале.На полупериоде сигнала-делителя, в пределах которого изменяется функция ф), для любых вариантов соотношения параметров исследуемых всегда может быть выделен временной интервал, где значения функции 1(1) будут либо убывать в направлении временной оси для+ дЪ либо возрастать - для -фо,На фиг. 4 - 6 приведены зависимости 1(1) для различных вариантов параметров исследуемых сигналов; сйнфазные -4 а, 5 а, 6 а, б, противофазные 4 б, 5 б, а также для различных значений сдвига фаз (ро) и коэффиента К=А/В.Как видноиз графиков фиг. 4 - 6 достаточно анализировать значения функций ф), имеющих либо положительные, либо отрицательные (4 б) значения, чтобы определить знак разности фаз исследуемых сигналов.Временной интервал для определения знака разности фаз должен быть выбран таким образом, чтобы на нем можно было выделить два значения Функций 1 И и 1(1 г), удовлетворяющих требованию: ф 1(-фг)3=Л 1 : д, где д - погрешность метода, примененного оператором для сравнения двух величин.При этом непосредственное измерение значений ф) проводить необязательно, так как достаточно определить характер изменения функции ф) на выбранном временно 1 интервале. В частности при значениях уъ фОи сто ф П на участке изменения функции ф) будут интервалы с резко выраженным градиентом М/б 1(в начале и в конце интервала, фиг. 4 а, б), так что здесь не требуется. конкретного измерения, как для плавно изменяющейся функции (в серединеинтервала), а достаточно визуальной оценки характера изменения функции ф) на интервале с большим градиентом изменения.Количественная оценка воэможностей предлагаемого способа была проведена как путем осциллографирования исследуемых сигналов, так и на компьютере, В персом варианте устройство для реализации способа (фиг,7) содержит блок делителя 1 и осциллограф 2, вход которого подключен к выходу делителя 1, а на два входа последнего подают синусоидальные сигналы ф) и уй). В качестве блока деления был использован цифровой вольтметр В 7-23, работающий в режиме блока деления, и выбран осциллограф марки С 1-83.Сигналы х(1) и у имели частоту 1=0,2 Гц и амплитуду, соответственно, Х=200 мВ и У=20 мВ, Сдвиг Фаз между сигналами задавался с помощью Фазосдпигающей БС-цепи, а сами сигналы формировались из синусоидального сигнала с выхода генератора типа Г 3-11,0, выходная амплитуда сигнала 0=2 10 мВ делилась в 10 и в 100 раз, соответственно. На фиг, 5 а,б приведены результаты определения знака для ро = О,бо, на фиг. ба, б - для ро=- б 0По второму варианту способ был промоделирован на компьютере ВМ РС/АТ, Синусоидальные сигналы с частотой 1=0,2 Гц при частоте дискретизации 200 Гц и амплитудами с условными единицами А=2 10 и В=2 10 моделировались с помощью комзпьотера со значениями разности фаз, которые задавал оператор, В соответствии с программой компьютер делил сигналы, и оператор выбирал на экране дисплея удобный для оценки характера изменения Функции Х временной интервал. Графики имели вид типа представленных на фиг.4 - б. Вэлиз большого количества графиков для различных сочетаний параметров ро, К и частоты показал, что знак разности Фаз четко определялся и при малых значениях разности фаэ вплоть до ро0,01 О, что практически еще возможно при физических измерениях, при этом диапазон частот не имел значения и в инфранизкочастотной области составлял десятые доли Гц.Один иэ лучших на сегодня цифровой фаэометр Ф 2-34 позволяет определять и знак разности Фаз, но гарантирует возможность определения до значенийро= 0,2 на частоте не ниже 1 Гц. Эффект определения знака разности фаэ столь малой величины а области инфранизкочастотных колебаний и при малой величине хотя бы одного из сигналов достигается за счет того, что в способе не используется, как в других50 55 тервала два выбранных значения сигнала- частного различались между собой по величине не меньше ошибки выбранного метода сравнения величин этих значений. и определяют знак разности фаз сигналов делимого и делителя как положительный, когда значение сигнала-частного в начале выбранного временного интервала в направлении оси времени больше значения этого сигнала в конце выбранного интервала, а при обратном соотношении аналогичных величин сигнала-частного - как отрицательный знак разности сдвига фаз между сигналами делимого и делителя. известных способах 1 - 3), ряд операций, являющихся источником погрешностей: измерение моментов времени пересечения сигналами уровня опорного напряжения, сравнение длительностей сформированных импульсов, моделирование и пр.Предлагаемйй способ имеет большоезначение по своей простоте и надежности при проведении физических экспериментов, сопровождаемых сейсмическими явлениями, когда исследуемыми сигналами являются электрические аналоги сейсмических колебаний инфраниэкочастотного диапазона, преобразуемых датчиками в многоканальной системе измерения, при этом идентификация типов волн осуществляется, в основном, не по частоте, а по фазе.и воэможность различать по фазе и знаку разности фаэ сигналы близкие по фазе или20 различающиеся на 180 увеличивает надежность идентификации, тем более, что сигналы регистрируются относительно редко и достоверность обрабатываемой информации имеет большое значение. Формула изобретения Способ определения знака разностифаз двух синусоидальных сигналов, в соответствии с которым осуществляют взаимодействие исследуемых сигналов, а знакразности фаз определяют путем качественной оценки результатов этого взаимодействия, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюуменьшения погрешности определения зна 35 ка разности фаз при малых или близких к 180 абсолютных значениях этой разностии в области инфранизких частот, величиныодного исследуемого сигнала делят на величины другого; регистрируют сигнал-частное,выбирают, по крайней мере, два значения сигнала-частного на временном интервале, расположенном в пределах половины любого периода сигнала-делителя и не превышающем по длительности этот полупериод,45 таким образом, чтобы в пределах этого ин12 1784099 0.7 ааг и 2 Р юг. Редактор Т,Иванова Произ аэ 4529ВНИИПИ Составитель Б.КелехсаевТехред М,Моргентал , Корректор С.Пека Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 енно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101