Способ определения сдвига фаз

(57) Изобретен тельной техник зовано В устро разности фаз, Фазовых шумов, нических систе ся к измерибыть исполь-, измерения вых сдвигов радиотех- изобретеотно меж ствах дл алых Фаз в фазовы х. Цель интемериис- измешумов му ючаются игнала,аче заменьлов,Ь = е: 2 Ч/с,/(71) Отделение новых Физичеслем Института проблем материдения АН УССР(56) Авторское свидельство Сй 573771, кл. С 01 К 25/00,Авторское свидетельство СУ 842624, кл, С О 1 К 25/00,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СУВИ Изобретение относится к изтельной технике и может бьтьпользовано в устройствах длярения разности фаз и фазовых)в Фазовых радиотехнических системахи др,Известен способ измерения Фазовыхсдвигов, основанный на выделении временного интервала, пропорционально"гЬ двойному фазовому сдвигу, путеминтегрирования гармонических сигналона одном временном участке, причеминтегрирование исследуемого сигналаначинают в любой произвольный моментпо отношению к опорному и заканчи" ЯО 708766 А 1 ния - повышение точности измерении. Способ определения сдвига фаз, закл чающийся в том, что понижают с помощью гетеродинного пресбразования частоту входных сигналов, ограничивают их по амплитуде, выделяют из ограниченных по амплитуде сигналов первые гармоники, которые преобразуют в перисдические последсвательности импульсов синусоидальной формы, формируют суперпозицию импульсных последовательностей, вылеляют с нал п-й гармоники и измеряют его амплитуду, а фазовый сдвиг определяют согласно выражению Ч =Т 1= вГСЯ 1 и - АП/и, где 4 о- измеряемый фазовый сдвиг, Ап - амплитудасигнала и-й гармоники;и - номер гармоники, 4 ил. вают в моменты равенства нулгрированных значений по каждгармонических сигналов.Преимущества способа заклв возможности формирсвания спропорционального двсйному сРавенство нулю интегральныхний измеряемых сигналов можнписатьО 51 пЯ 1=0Обпю о Если время интегрировани ше длительности периода сиг3 170876К недостаткам способа можно отнести необходимость измерения часто.ты сигналов и низкую точность измерений, обусловленную нестабильностями срабатывания ключей, Формирующих моменты начала и конца интегрирования, погрешностями определения нулевых значений интегралов ичастоты сигналов.10Известен способ измере.ния изменения сдвига синусоидальных напряжений, заключающийся в формированиипоследовательностей прямоугольныхимпульсов, временной сдвиг между15которыми пропорционален измеряемомусдвигу Фаз, выделении гармоники пов,торения, расположенной в одной иэ зонмаксимальной чувствительности к изменению временного сдвига и выпрямлении ее, Формировании суперпози,ции последовательностей прямоугольных импульсов, выделении и выпрямлении гармоники повторения, обла"дающей минимальной чувствительно"стью к изменениям длительности импульсов.Достоинством способа являетсявозможность формирования сигнала,пропорционального кратному фаэовомусдвигу,Недостатком способа являетсяналичие погрешностей измерений, связанных с преобразованием сигналовв последовательности прямоугольныхимпульсов с временным сдвигом35пропорциональным фазовому срвигуц,При сложении последовательностейимпульсов длительностью Ф и временной задержкой е согласно Формулам,приведенным в книге И.С,Гоноровского "Радистехнические цели и сигна.лы", Н., Сов.радио, 1966 г,стр.33.Найдем, что амплитуды спектральныхсоставляющих суперпозиции определяются .выражениями.2 Е, пЛ 4(- + а)А:ядп ----- ( 2 4 Е, п 2( Ь - Сз )А =: - ядпп 2и 2При с д Ь более чувствительными к3фазовому сдвигу будут составляющие А а при с О - составляющие Апб 2)При выделении в процессе измерений гармоник с максимальной чувствительностью к изменениям Фазового сдвига возникают погрешности измерений, обусловленные соизмеримостью фронтов и длительностей импульсов суперпозиции. Л при выборе гармоник с меньшей чувствительностью к фазовому сдвигу возрастают погрешности, обусловленные нестабильностями формирования импульсных послеловательностей.Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения сдвига Фаз путем гетероидинного понижения частоты входных сигналов, ограничения их по амплитуде, огре" деления фазового сдвига между этими сигналами с усреднением показаний за временной цикл измерения, выделение из ограничейных по амплитуде сигналов посредством фильтрации первых гармоник этих сигналов, преобразования их гетеродинным ме" тодом в сигналы высокой частоты и отфильтрования до определения фазового сдвига.Преимущество способа заключается в возможности формирования сигналов, разность фаз между которыми пропорциональна кратному сдвигу Фаз.Однако способу присуща недостаточная точность измерений, обусловленная погрешностями, возникаю" щими за счет комбинацис нных помеховых составляющих.При гетеродинном повышении час" ,тоты ЯОФЛр = Ю возникает большое количество нежелательных продуктов преобразования, спектральный состав которых определяется видом вольтамперной характеристики смесительного диода и выбором частот сдои (дг. Наибольший вклад в погрешность измерений вносят составляющие вида -ип Ь 7+ пег 1= дс, совпадающие по частоте с частотой выделяемого сигнала Ос и не поддающиеся отфильтровке. Это, прежде всего, составляющая, возникающая в результате взаимодействия второй гармоники гете- родина с разностной частотой;2 й,+ др = 2 сдг+ (Яо -г) = дс Ее амплитуда может составлять (-10)4.(-15)д"Расчет, выполненный по известному методу показывает, что помеха с такой амплитудой и случайной Фазой вызывает среднеквадратическую погрешность измерения разности фаз 13+78766 О 170Наряду с этим при выполнении измерений в диапазоне частот возникаюттакже помехоаые составляющие по частоте Ис, за счет преобразования вниз .высших гармоник вдо и и (дг,Кроме того, прототипу свойственны погрешности, обусловленные нежелательными составляющими на часто"тах несущей 61 и нижней боковойкоторые в лучшем случае могутбыть подавлены в смесителе на (-15)++(-20) дБ и требуют дополнительнойотфильтровки, а также погрешности,обусловленные шумами дополнительногогетеродина.К недостаткам способа следует отнести также сложность аппаратуры,обусловленную необходимостью использования второго гетеродина и ВЧ фильтров помех.Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига Фаз путемисключения погрешностей, обусловленных комбинационными помеховыми составляющими, возникающими при гетеродинном повышении частоты сигналов.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу измерения сдвига фаз путем гетеродинного понижениячастоты входных сигналов, ограничения их по амплитуде, выделения посредством фильтрации первых гармоник этихсигналов, вводят следующие операции;первые гармоники ограниченных по амплитуде сигналов преобразуют в периодические последовательности импульсов синусоидальной формыф полученныеимпульсные последовательности складывают отфильтровывают гармоникувысокой частоты, измеряют амплитудугармоники высокой частоты, пропорциональную кратному фазовому сдвигу.Благодаря преобразованию гармонических сигналов в периодические последовательности импульсов синусоидальной формы и сложению этих последовательностей образуются высшие гармоники, амплитуда которых пропорциональна фазовому сдвигу,. кратному измеряемому,Это позволяет исключить погрешность измерений сдвига Фаз, свойственные прстотипу, возникающие пригетеродинном повышении частоты сигналов.На Фиг. изображена функциональная схема устройства, реализую"щего предлагаемый способ, на 20 25 30 35 40 45 50 55 фиг. 2 - осциллограмма сигнала, пре" образованного в периодическую последовательность импульсов синусоидаль" ной формы; на Фиг, За,б " суперпозиция импульсных. последовательностей синоусоидальной Формы, на фиг,4- спектр импульсной последовательности синусоидальной формы. В центре- составляющая на частоте гетеродина индикатора, вправо и влево от неесоставляющие на частотах сй, 2 Ы, 30 соответственнор -Ц = 60, сР- Р = 10". Способ определения сдвига фаз заключается в гетеродинном понижениичастоты входных сигналов, ограниченииих по амплитуде, выделении первыхгармоник ограниченных по амплитудесигналов, преобразовании их в периодические последовательности импульсов синусоидальной Формы, сложении этих последовательностей импульсов, отфильтровднии гармоникивысокой частоты и измерении ее амплитуды,Способ может быть реализован, например,. с помощью устройства, блок.схема которого изображена на Фиг. 1.Устройство состоит из гетеродина3,смесителей 1, 2 Фильтров 4 и 5, амплитудных ограничителей 6 и 7, Фильтров 8 и 9, преобразователей 10 и 11,сумматора 12, индикатора 3, Устройство содержит две цепочки последовательно соединенных смесителей 1 и2, подключенных вторыми входами к общему выходу гетеродина 3, Фильтров4 и 5, амплитудных ограничителей 6и 7, Фильтров 8 и 9, преобразова"телей 10 и 11, а также сумматор 12и индикатор 13. При этом первые вхо"ды смесителей 1 и 2 первой и второйцепочек соответственно являютсявходами Устройства, выход преобра"зователя 10 первой цепочки подключенк первому входу, а выход преобразователя 11 второй цепочки псдключенко второму входу сумматора 12 подключенному к индикатору 13.Смесители 1 и 2 предназначены длягетеродинного преобразования внизчастоты измеряемых сигналсв. Дляэтой .цели могут использоваться балансный микрополоскоаый смесительили смесители других типов.Гетеродин 3 используется в качестве источника сигнала, подаваемОго1708766 при ОсаЕ 2 Сумматор 12 используется для пре 11 (, образования сформированных преобра-зователями 10, 11 импульсных последовательностей в супегпозицию импульсных послеровательностей, Здесь,Ц,з псд,при -(Й 1 6 ТТ2 на смесители 1 и 2 для транспортирования частоты измеряемых сигналов напромежуточную частоту.Здесь целесообразно применять ав 5тогенераторы на диодах Ганнаилитранзисторные автогенераторы, перестраиваемы варакторами или сферами ЖИГ.В большинстве случаев можно пользоваться стандартными генераторамитипа Г 4-83, Г 4-80 и др,Для отфильтрования измеряемыхсигналов, преобразованных на промежуточную частоту используются фильтры 4 и 5 выполненные в виде ЬС-фильт ров или активных КС-фильтров, печат-,ные гребенчатые фильтры и Фильтрыдругих типов,Амплитудные ограничители 6 и 7преднаэнацены для уравнивания амплитуд и исключения влияния амплитудныхшумов измеряемых сигналов на точность измерения. Схемы и режимы работы транзисторных амплитудных ограничителей и ограничителей других типовизв стны,С помощью фильтров 8 и 9 выполненных аналогично Фильтрам 4 и 5,отфильтровываются измеряемые сигналы после амплитудного ограничения, ЗОПреобразователи 10 и 11 предназначены для преобразования измеряемыхгармонических сигналов в периодические последовательности импульсовсинусоидальной формы с длительностью,равной половине периода, и частотойповторения, равной частоте измеряемых сигналов. Для этой цели могут применяться диодные ограничители, выполненные по последовательным или параллельным схемам с нулевым порогомограничения или усилители-ограничители, работающие с углом отсецки 90О(режим В).Преобразователь 10 первой цепочки 45выполняют в виде ограничителя снизу,а преобразователь 11 второй цепочкив вире ограничителя сверху, В этомслучае нулевому сдвигу Фаз соответствует нулевой сигнал на выходе индикатора33. Для исключения искажений Формывыходных импульсов необходимо, цтобыпостоянная времени преобразователябыла много меньше периода сигнала. необходимо применить двухканальныйширокополосный полосковый сумматормощности или широкополосный сумматор другого типа.Индикатор 13 применяется для измерения и индикации сдвига Фаз, и:.мерения и индикации пропорциональных кратному фазовому сдвигу амплитуд спектральных составляющих суперпозиции импульсных последовательностей, сформированных сумматором 12,Здесь целесообразно использоватьстандартный анализатор спектра(типа СКЧ, СКЧили др.), прокалиброванный непосредственно в градусах, или цифровой вольтметр (например, В 7-18) с полосовым йильтромна входе аналогичным по конструкциифильтрам 4 и 5, однако настроеннымна одну из высших гармоник промежуточной частоты. Калибровка индикатора может быть осуществлена, например, с помощью калиброванного фазовращателя.Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения сдвига фаз, работает следующим образом,Измеряемые сигналы, поступающие на входы устройства, преобразуют с помощью смесителей 1 и 2, гетеродина 3 и Фильтров 4 и 5 в сигналы промежуточной частоты с фазовым сдвигом, равным Фаэовому сдвигу Чо измеряемых сигналов, Сигналы промежутоцной частоты проходят вначале через амплитудные ограничители 6 и 7 с .равными порогами ограничения, а затем цер з фильтры 8 и 9. Выделенные Фильтрами 8 и 9 сигналы промежуточной частоты равной амплитуды подают на входы преобразователей 10 и 11. Преобразователь 10 путем ограничения снизу осуществляет преобразование гармонического сигнала в периодическую последовательность импульсов, синусоидальной Формы положительной полярности с длительностью, равной половине периода, и частотой повторения, равной частоте сигналов промежутоцной цастоты+ ------ соя(гпту + 2) (4)Т й: (гп)-1 С выходов преобразователей 1 О, 11сигналы вида (1) и (3) поступают напервый и второй входы соответственносумматора 12, где преобразуются всуперпозицию импульсных последовательностей. Как следует из (2) и (1)сигнал на выходе сумматора 12 приБр = Й имеет видБЮС) = - яЯ 1 + вп(Ы+Ц,)1+2) (гп) -1- соягпйй (5),После несложных преобразований выражениезапишетсяЧоц Б(М) = Б (соя - яп(сдС+ -ф) +2 41(6) Из выражения (6) следует, что спектр выходного сигнала сумматора 12 определяется фазовым сдвигом Чо. Так , при 4 о = О, Бд с) = С,рвпйс, а при 6= и Б(Яй) = О. В остальных случаях в спектре суперпозиции содержатся первая и высшие гармоники, амплитуды которых пропорциональны После вычислений коэффициентовполучим:Цо М") = р( + - я 1 паС1 15 2 17(2 )Гсоя гпс) (2)где и = 1,2Сигнал с фазовым сдвигом Д , поступающий на преобразователь 11, пу"тем ограничения сверху преобразуется в периодическую последователь-,ность импульсов синусоидальной формы отрицательной полярности при Ос Сд Чо р(3)при Чцб сдй- + Чо при - + Ч,О ( Т +ЧОТ2 Чосоя - и я п и , соотв ет ственно. Форма выходных сигналов сумматора 12 для Ц 7 = 60 и Ю = 110 приведена на фиг.30 осциллограммы а, б соответственно. Легко видеть также, что если амплитуды сигналов (1) и (3) отличаются, то в спектре суперпози" ции (6) возникает постоянная составляющая (И - Б;)/, которая может быть использована в цепи обратной связи для управления порагом ограничения одного из амплитудных ограничителей 6 ии точного уравнивания амплитуд измерительных сигналов.выхода сумматора 12 сигнал (6) поступает в индикатор 13, который осуществляет измерения амплитуды одной из высших гармоник. Спектры сигналов, соответствующие Фазовым сдвигам Ц = 60 и 4 я- - 11 Оф приведены на фиг,а, б соответственно. Номер измеряемой высшей гармоники определяется исходя из требований, предьявляемых к чувствительности и точно" сти измерений устройства. Разность фаз 8 р отсчитывается по шкале ин- дикатора, проградуированной (при калибровке) непосредственно в градусах,1 Преобразование измеряемых сигналов в суперпозицию разнополярных импульсных последовательностей синусоидальной формы обеспечивает формирование сигналов, пропорциональных кратному фазовому сдвигу, без исполь"сования гетеродинного повышения частоты сигналов.Это позволяет, по сравнению с псототипом исключить погрешности измере 5 ний 6 7-13 а, обусловленные прмеховыми комбинационными составляющими, и обеспечивает значительное повышение точности измерений.Кроме того, обеспечивается суще О ственное упрощение устройств, рвали" зующих предложенный способ за счет исключения второго гетеродина и сложных ВЧ фильтров помех, а также уменьшение веса и габаритов устройств. 15 формула и з о б р е т е н и я Способ определения сдвига Фаззаключающийся в том, что понижают спомощью гетеродинного преобразованиячрСтоту входных сигналов, ограничи-вают их по амплитуде и выделяют первые гармоники ограниченных по амплитуде сигналов, о т л и ч а ю щ и й "с я тем, что, с целью повышения точности определения сдвига Фаз, первые гармоники ограниченных по ампли"туде сигналов преобразуют в периодические последовательности импульсовсинусоидальной Формы, формируют суперпозицию импульсных последовательностей, выделяют сигнал п-й гармони"ки и измеряют его амплитуду, а фазовый сдвиг определяют согласно вы"ражению Ц= (агсз 1 п 11/4 Ап):п1708766 Составитель А.Гладкийич Техред П. Сердюкова Корректор М. Самборская ктор А ГКНТ ССС еыно-издательский комбин зво Заказ 399 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по изо 113035, Москва, Ж, Р