Способ измерения фазового сдвига электрических сигналов

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ п 11949536(1)М Кп 3 С 01 К 25/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(71) Заявитель Ордена Ленина институт кибернетики АН Украинской ССР(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Цель изобретения - повышение точности измерения эа счет исключенияамплитудно-фазовой погрешности.Поставленная цель достигается 25 тем, что, согласно способу измеренияфазового сдвига электрических сигналов, заключающемуся в том, что выделяют временные интервалы, пропорциональные периоду и временному сдвигу хО сравниваемых по Фазе сигналов, иэИзобретение относится к информационно-преобразовательной и измерительной технике и может быть использовано при построении высокоточныхфаэометров, фазочувствительнчх вольтметров, измерителей мощности и косинуса угла потерь и другой контрольно-измерительной аппаратуры, реализующей фазовые методы измерения вшироком диапазоне частот.Известен способ измерения фазового сдвига электрических сигналов,заключающийся в том, что выделяютвременной сдвиг и период сравниваемых по фазе сигналов по моментамперехода их через нуль, измеряют ивычисляют их 11.Известному способу присущи недостаточная точность измерения и быстродействие, превышающее периодсравниваемых по фазе сигналов. Недостаточная точность связана с методической погрешностью измерения. Последняя обусловлена чувствительностьюметода к нестабильности и неравенству амплитуд сравниваемых по фазе сигналов. Кроме того, известный способчувствителен к воздействию помех ишумов, которые также вносят погрешности в ре:ультат измерения.,Наиболее близким техническим решением является способ измеренияфазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в том, что выделяют временной сдвиг и период сравниваеьых по фазе сигналов по моментамперехода их через нуль, вычисляют отношение Х/Мобтс одновременным умножением частного на коэффициент 1800 10 Известный способ обеспечивает из.мерение Фазового сдвига электрических сигналов за период, но имеет не достаточную точность измерения, обусловленную наличием методической погрешности измерения - чувствительностью к неравенству и нестабиль. ности амплитуд входных сигналов.20(Т /Ф( У/Тд 9/д й а/луЮх т/дцв дс) гх др Гдй г) х ду, у)46 4 Т меряют ик и вычисляют значение фазового сдвига по формуле где Чк - определяемый фазовый 5сдвиг;Х н Ч - электрические величины;а 1 - временной интервал, пропорциональный временномусдвигу сравниваемых по Фа зе сигналов;Т - временной интервал, пропорциональный периодусигналапри формировании временных интервалов, пропорциональных периоду и временному сдвигу сравниваемых по фазе сигналов, в каждый нолупериод измеряют амплитудное значение каждого иэ сравниваемых по фазе сигналов, полученные сигналы уменьшают в в раэ,сравнивают с мгновенными значениямисравниваемых по фазе сигналов, в моменты их равенства формируют короткие импульсы, интервал времени междунечетным (четным) и четным (нечетным)импульсами используют в качествевременного сдвига сигналов, интервалвремени между нечетными (четными)импульсами используют в качестве полупериода сравниваемых по фазе сигналов,Фазовый сдвиг может быть определен путем 197 комбинаций последовательностей операций над полученными временными интервалами и электрическими величинами, представленными в таблице.949536 Продолжение таблицы На фиг.1 показаны эпюры напряжений; на Фиг.2 - устройство, реализующее предлагаемый способ.В каждый полупериод измеряют амплитудное значение каждого иэ сравниваемых по фазе сигналов (фиг.1 а). 201(г.) = Чг 51 пЯг и 33(С) = Ч, 5 з.п (ЯС -Чх) (2)25 30 Чоп =Чщ 51 пЯ 11; Чод =Ч) 51 п(2 г 1-Чх)или40- Чщ 51 пЯ г 1Ъя (5) Затем измеряют временные интервалы (11), (12) и(13), (14), равные временному сдвигу и полупериоду сравниваемых по фазе сигналов, а затем осуществляют вычислительные преобразования полученных значений с дополнительной постоянной величиной И и погрешностью дискретности дЧУстройство, реализующее способ измерения Фазового сдвига электрических сигналов, содержит измерители 1 и 2 амплитуды, управляемые аттенюаторы 3 и 4, задатчик 5 коэффициента деления й, блоки б и 7 сравнения сигналов, Формирователь 8 временных интервалов, задатчик 9 параметров М и д Ч, вычислительный преобразователь 10, отсчетно-регистрирующий блок 11,При этом входы устройства соединены с входами измерителей 1 и 2 амплитуды и первыми входами блоков б и 7 сравнения сигналов, вторые входы ко 1 . 1 с 1 = - агс 51 п -Я йВ результате измерения получают сигналы Чщ и Ч, (фиг.1 а) .Полученйые сигналы Ч и Чгп,равные амплитудным значениям сравниваемых по Фазе сигналов (1) и (2), уменьшают в й раз (фиг.1 а): Чоп 1 = Чщ/й (3) Чоп 9 = Чп 11/й (4)35Затем сигналы (3) и (4) сравнивают с мгновенными значениями, соответственно, сигналов ( 1 ) и (2):-Чп 1 51 п (Я й Ч)Чп 1(6) 45 В моменты С 1 и й равенства сигналов формируют короткие импульсы (фиг.1 б). Из выражений (5) и (6) моменты времени г 1 и С,1, соответствен но, равны: Для отрицательных полупериодованалогично получаем (Фиг.1 а) Интервал времениьГ между нечетнымии четными импульсами использу- Ь 5ют в качестве временного сдвига сигналов (фиг.1 в) д 1=Ф,1-й 1 = - (агс 51 п - + Ух) -- х1 11х л г с 5 1 и - = Чд /Я (11) Интервал времени дС между четными и нечетными импульсами (фиг.1 г) 1, 1 д = й 3 -Г 1 = - (агс 51 п- +У) Я й1 . 1- (аъс 51 п - + Чх) = (У -Чх)/Я (12) Интервал времени между нечетными импульсами используют в качестве полупериода сравниваемых ло фазе сигналов (фиг.1 в) Т/2 = Г. 3- С = - (а гс 5 Ы - +.7 )1 . 11 Д й1(13)- агс 51 п - = У(Яд йи между четными импульсами (фиг.1 г):949536 Формула изобретения В момент времени 1(й) равенст Ова мгновенных значений сравниваемыхсигналов (1) и (3), (2) и (4), определяемым выражением (7) или (8),на выходе блока б(7) сравнения сигналов Формируется короткий импульс 45который поступает на вход Формирователя 8 временных интервалов. Последний осуществляет Формирование и измерение временных интервалов,пропорциональных периоду и временному сдви-4гу в соответствии с выражениями (11),(13) или (12), (14). В результатена первый и второй входы вычислительного преобразователя 10 поступаюткоды чисел (или напряжения), равныевременному сдвигу ай и полупериодуТ/2 сравниваемых по Фазе сигналов. На третий и четвертый входы вычислительного преобразователя 10 поступает код числа Ы = 180, и код числа дЧ, равный, например, 0,01 (или эквивалентные им напряжения,). Коды этих чисел Формируются с помощью задатчика 9 параметров М и дС помощью вычислительного преобразователя 10 осуществляется вычисле,айЬ =дЯ Т где 9 - определяемый Фазовыйсдвиг;М идЮ - электрические величины;дй - временной интервал, пропорциональный временномусдвигу сравниваемых поФазе сигналов;Т - временной интервал, пропорциональный периодусигнала,о т л и ч а ю щ и й с я тем,. что,с целью повышения точности измерения эа счет исключения амплитуднофазовой погрешности, при Формировании временных интервалов, пропорци -торых через управляемые аттенюаторы 3 3 и 4 подключены к выходам измерителей 1 и 2 амплитуды.Установочные входы управляемых аттенюаторов 3 и 4 объединены и подключены к выходу задатчика 5 коэффици ента деления.Выходы блоков б и 7 сравнения сигналов соединены с входами Формирователя 8 временных интервалов, выходы которого подключены к первому и вто рому входам вычислительного преобразователя 10, третий и четвертый входы которого соединены с выходами задатчика 9 параметров.Выход вычислительного преобразователя 10 подключен к входу отсчет- но-регистрирующего блока 11.Работа устройства заключается в следующем.Электрические сигналы (1) и (2), Фазовый сдвиг Ч между которыми подлежит измерению, поступают на входы измерителей 1 и 2 амплитуды соответственно. Одновременно эти сигналы поступают и на первые входы бло-.25 ков б и 7 сравнения сигналов.С помощью измерителей 1 и 2 амплитуды осуществляется измерение амплитуды сигнала Ч, (Ч ), РезультатЩ 1 Пизмерения поступает на вход управляемого аттенюатора 3(4).Коэффициент деления управляемого аттенюатора 3,4) устанавливается равным 1 сц = П 1 с помощью задатчика 5 коэффициента деления.В результате на второй вход бло ка б(7) сравнения сигналов поступает сигнал,. определяемый выражением (3) или (4) . ние результата измерения Фазовогосдвига согласно приведенных в таблице выражений.Значение измеряемого Фазовогосдвига индицируется в градусах с помощью отсчетно-регистрирующего блока 11, Повышение точности достигнутоза счет нечувствительности предлагаемого способа к нестабильности и неравенству амплитуд сигналов, что обеспечивается адаптивным изменениемопорного сигнала в зависимости отзначения амплитуды входного сигнала,В результате моменты времении т.д, не зависят ни от амплитудывходных сигналов, ни от уровня опорного сигнала Моменты времени С 1,гзависят только от значений коэффициента деления н, который может бытьустановлен с высокой точностью и стабильностью. Следовательно, в предлагаемом способе исключена методическая погрешность измерения фазовогосдвига сигналов, связанная с определением моментов перехода сигналовчерез нулевой или постоянный опорныйуровень,Предлагаемый способ может бытьреализован в широком диапазоне частот. Он обеспечивает исключение амплитудно-Фаэовой погрешности измерения, что позволяет расширить динамический диапазон входных сигналов.Соответствующим подбором коэффициента деления управляемых аттенюатороввозможно снижение и погрешности измерения, обусловленной влиянием высших гармоник на результат измерения. Способ измерения фазового сдвига электрических сигналов, заключающийся в том, что выделяют временные интервалы пропорциональные периоду и временному сдвигу сравниваемых по Фазе сигналов, измеряют их и вычисляют значение Фазового сдвига по Форму- ле5740/33 Тираж 717ВНИИПИ Государственногопо делам изобретений113035, Москва, Ж, Рауш Подмитета СССткрытийая наб., д сное.Проектная,4 лиал ППП "Патентф, г.ужгор ональных периоду и временному сдвигу сравниваемых по фазе сигналов, вкаждый полупериод измеряют амплитудное значение сравниваемых по фазесигналов, полученные сигналы уменьшают в щ раз, сравнивают с мгновенными значениями сравниваемых по фазе сигналов, в моменты их равенстваформируют короткие импульсы, интервалвремени между нечетным (четным) ичетным (нечетным) импульсами используют в качестве временного сдвигасигналов, а интервал времени между нечетными (четными) импульсами используют в качествеполупериодасравниваемых по фазе сигналов. Источники информации, 5 принятые во внимание при экспертизе1. Кузнецкий С.С., Чмых М.К. Цифровые методы измерения сдвига фаз.ПТЭ 9, 5, 1970, с.10.2. Структурные методы повышения 10 точности, чувствительности и быстродействия измерительных устройствг.умань, 1975, вып.П, с.91-92.