Способ определения фазового сдвига электрических сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 1 К 250 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ О ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬТИ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВИДЕТЕПЬС А ВТОРСН 24-2 64 8. ем сдви 89. Бюл, В 31ут кибернетикиушковаондратов7.373088.8)кое свидетельствл, С 01 К 25/00,е свидетельствокл . С 01 К 25/00 ют иССС979СР е(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНСДВИГА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ(57) Изобретение можеэовано в устройствахфазы сигцала. Целью иляется повышение точнфазового сдвига элект И ФАЗОВОГОСИГНАЛОВт быть исполь для измерения обретения явсти измерения ических сигна К) ц --- ,Ц-Ц 1 оц -ц 1аастцост тельнои тезометрии,т быть использовано 1 цости измерения не мож я повышени только фазсигналов,вых двигов злектрич астоты, активно 1 ости, мощности ди терь, коэффициента1 отерь и т.дескихй й ч еактивц лектрических по злектрич Целью и скихобретсти ц ения является повызмерсция фазового точно ских сигналов за лдитивцой и мульти 1 нляющи: погрешности вига эл триче меньшеция ик вцои сост ения.(56) Авторйф 922658,АвторскВ 1236386,лов эа счет уменьшения аддитивнои имультипликативной составляющих погрешности. Для этого формируют втоИзобретение относится к изме,801503026 рой дополнительный сигнал пут га на первое фиксированное значение фазы (, опорного сигнала, измеря разность фаэ между вторым дополн тельным и опорным сигналами 0 , формируют третий дополнительный сигнал путем сдвига опорного сигнала на второе фиксированное значение сигнала К(, измеряют разность фаэ между01третьим дополнительным и опорным сигналами П . Кроме того, формируют первый дополнительный сигнал пут м сдвига ца первое фиксированное значение ц сдвинутого по фазе электрического сигнала, измеряют разность фаз между первым дополнительным и опорным сигналом П 1, а величину фазового сдвига сигналов определяют На фиг. 1 приведены эпюры напряжений, поясняющие способ; на фиг. 2структурная схема устройства, реализующего способ,Устройство, реализующее способ,содержит автоматический переключатель1, установочный фазовращатель 2,блок 3 преобразования фаза - код, интерфейсный модуль 4, микроЭВМ 5,счетчик 6 импульсов, логический элемент И-НЕ 7, триггер 8, первый 9,второй 1 О и третий 11 формирователяимпульсов, логический элемент И 12,первый 13 ц второй 14 логическиеэлементы ИЛИ, кнопку 15 "Ручн. пуск",3 150302клемму 16 питания, клемму 17 "Авт,пуск",Клемма опорного сигнала соединенас объединенными первыми входами авто.матического переключателя 1 и блока3 преобразования фаза - код, второйвход которого через установочныйфаэовращатель 2 подключен к выходуавтоматического переключателя 1, соединенного своим вторым входом с клеммой сдвинутого по фазе сигнала,Управляющий вход (вход "Пуск" )блока 3 преобразования фаза - кодподключен к выходу логического элемента И 12, первый вход которогосоединен с выходом триггера 8, а второй вход подключен к второму выходуформирователя 10 импульсов. Входформирователя 10 импульсов соединенс выходом первого логического элемента ИЛИ 13, первый и второй входыкоторого подключены к вторым выходам первого и третьего формирователей 9 и 11 импульсов соответственно. 25Вход третьего формирователя 11импульсов соединен с выходом второгологического элемента ИЛИ 14, первыйвход которого через кнопку 15 "Ручн,пуск" соединен с клеммой 16 питания,а второй вход - с клеммой 17 "Авт,пуск",Первый выход третьего формирователя 11 импульсов подключен к объединенным между собой входам установки нуля и единицы счетчика 6 импульсов и триггера 8 соответственно.МикроЭВИ 5 через интерфейсныймодуль 4 подключена к цифровым выходам блока 3 преобразования фазакод, выход "Конец преобразования"которого соединен с входом первогоформирователя 9 импульсов, первыйвход которого подключен к счетномувходу счетчика 6, первый и второйвыходы которого соединены соответственно с управляющими входами автоматического переключателя 1 и установочного фазовращателя 2, а такжес первым и вторым входами логического элЕмента И-НЕ 7, а выход послед него подключен к входу установки нуля триггера 8. ц :Б(1+У)Су,+ А О,40 Дчя этого из опорного сигнала (2) предварительно формируют второй дополнительный сигнал (фиг. 1 б) Любой измерительный преобразователь, в том числе и фазометр, имеет функцию преобразования 6 4где х - измеряемая величина;у - результат измерения,Ьу - аддитивная составляющая погрешности измерения,Бх - мультипликативная составляющая погрешности измеренияфБ - крутиэная преобразования.При измерении фазового сдвигаэлектрических сигналов, например,классическим методом результат измерения с учетом приведенного выражения будет равен где ( =х - измеряемая величина;У - результат измерения,ЬЦ - аддитивная составляющаяпогрешности измерения;БЦ - мультипликативная составляющая погрешности измерения,Б - В/градв котором имеют место аддитивная имультипликативная составляющие погрешности измерения. Исключение этихсоставляющих погрешности измеренияобеспечивает получение истинногозначения результата измерения,В способе определения фазовогосдвига сигналов измеряют фазовыйсдвиг (= ( - Ц, между опорным исдвинутым по фазе электрическим сигналом (фиг. 1 а) ц, =О вдп(ус+С,), (2) Ц (е) =ц з 1 п(ос+(р,), (3) Ц (С) =13 р 1 п(СдС+у,+ ф,)"( - начальный фазовый сдвиг,путем введения в опорный сигнал (2)нормированного по значению фазовогосдвига ( = (Измеряют фазовый сдвиг между вто.рым дополнительным и опорным сигналами (4) и (2). В результате полу-.чают сигнал (фиг. 1 д)(6) 5 20 о Ц-ЦО:(К)ц -ц где (4+(Д,)иЬЦ Из опорного ют третий допол (фиг. 1 г) 40(8) 150302 где Б - чувствительность или крутизна преобразования; 8 Чо 1ДЦ - мультипликатинная и аддитивная составляющие погрешностиизмерения,Ц) - измеряемый фазовый сдвигсигналов (4) и (2).Затем формируют первый дополнительный. сигнал (фиг. 1 в) Ц 4 (Т) =ЦЯ 1 п (Ус+Ч 1+о)Б э 1 п(И 1+( ) где Ц - амплитудное значение сигтФнала;с - начальный фазовый сдвиг 1 путем введения в сдвинутый по фазе сигнал (3) нормированного по значению фазового сдвига "= ЦИзмеряют фазовый сдвиг между первым дополнительным и опорным сигналами (6) и (2). В результате получают сигнал (фиг, 1 е) Ц=8(Ц,-Ср,)(1+)+ДЦ = 8(СР+30 мультипликативнаяи аддитивная составляющие погрешности измерения;измеряемый фазовый сдвиг сигналов (6) и (2). сигнала (2) формирунитепьный сигнал Ц . () = Ц э 1.п (ц + Ч, +1 с (р ) =Ц э 1 п(ас+( ) где П - амплитудное значение сигнала 1Ч 5 - начальный фазовый сдвигК = 2,3,4путем введения в опорный сигнал (2) второго нормированного по значению фазового сдвигаф = 1(, кратногоофпервоначальному и превышающего его не менее чем в два раза, т.е. ( / /ц)2.Измеряют фазовый сдвиг между третьим дополнительным и опорным сигналами (8) и (2). В езультате полу 55 чают сигнал (фиг, 1 ж Ц,=Б(Ср,-ф ) (1+)+ДП=ВКр,(1++У)+ДЦ (9) 6 6ВКЧо ци ДП - мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности измеренияК , - измеряемый фазовый сдвигсигналов (8) и (2),Об истинном значении фазового сдвига исследуемых сигналов (2) и (3) судят по выражению где У У, 5 - результаты промежуточных измерений( К( - первое и второе значения нормированных фазовых сдвигов.Подставим в (10) результаты промежуточных измерений (5), (7) и (9), тогдаЯК, (1+У ) -81 Г, (1+У) ооО-то (К 1)1 г Полученный результат (11) (фиг. 1 э) равен истинному значению фазового сдвига исследуемых сигналов (2) и (3). Он не зависит от чувствительности (или от крутизны преобразования, не содержит аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности измерения.Необходимо отметить, что согласно предлагаемому способу измерения значения нормированных фазовых сдвигов выбирают иэ условия К (, ( (О, 01 0,07) у (12) Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.На первые входы автоматического переключателя 1 и блока 3 преобразования фаза - код поступает опорный сигнал (2). На второй вход автоматического переключателя 1 поступает сдвинутый по фазе сигнал (3).При нажатии кнопки 15 "Ручн. пуск" или при подаче на клемму 17 внешне 1503026где ц - фазовый сдвиг сигналов О (2) и (4),го импульса запуска осуществляется ручной или автоматический пуск устройства. С выхода второго логического элемента ИЛИ 14 импульс запуска5 поступает на третий формирователь 11 импульсов, Необходимо отметить, что в качестве формирователей 9-11 могут быть использованы одновибраторы с парафаэными выходами. С первого выхода третьего формирователя 11 импульсов на входы "Уст.0" и "Уст.1" счетчика 6 и триггера 8 соот - ветственно поступает импульс, который устанавливает счетчик 6 импуль:.ов в нуль, а триггер 8 - в единицу.В результате на выходах счетчика 6 импульсов установигся код нуля, а на первом входе логического элем-.нта И 12 установится потенциал, разрешающий прохождение управляющих импульсов через логический элемент И 12 на вход "Пуск" блока 3 преобразования фаза - код.При наличии кода нуля ("0,0") на выходах счетчика б импульсов, а следовательно, и управляющих входах автоматического.переключателя 1 и фазовращателя 2 осуществляется установка их в исходное состояние. Автоматический переключатель 1 переводится в положение, указанное на фиг, 2, а фазовращатель 2 устанавливается в состояние, обеспечивающее введение первого нормированного по значению фазового сдвига ( ( в опорный сигнал. 35При этом на первый и второй входыблока 3 преобразования фаза - кодпоступят электрические сигналы (2)и (4).После нажатия кнопки 15 "Пуск"с второго выхода третьего формирователя 11 импульсов импульс запускапоступает через первый логическийэлемент ИЗ% 13 ла вход второго формирователя 10 импульсов. В формирователе 10 этог импульс задерживаетсяна время с, переходных процессов вфазовращателе 2. Задержанный импульсдлительностьючерез логическийэлемент И 12 поступает на вход "Пуск" 50 блока 3.В результате преобразования вкод фазового сдвига сигналов (2)и (4) на выходе блока 3 появится код числа 558 УО В результате в код преобразуется фазовый сдвиг электрических сигналов (2) и (6), Код числа 1 =8(чо+у,) (1+ У )+ЬН (14) измеряемый фазовый сдвиг,где Ц, -8(В,"+Юо)3ЬИ мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности преобразования,6 И - мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности преобразования.Одновременно на выходе "Конец преобразования" блока 3 появляется импульс, который дает команду на запись (разрешает запись) кода числа (13) в память микроЭВМ 5. Необходимо отметить, что сопряжение выходов блока 3 и входов микроЭВМ 5 осуществляется с помощью интерфейсного модуля 4. Одновременно импульс, соответствующий окончанию преобразования фазового сдвига сигналов (2) и (4) в код, поступает на вход первого формирователя 9 импульсов, который формирует пару импульсов, соответствукщих логическому нулю и логической единицеИмпульс с первого выхода формирователя 9 импульсов поступает в счетчик 6 импульсов и увеличивает его содержимое на единицу. Выходной код счетчика б импульсов станет равным коду единицы ("1,0"). При этом коде автоматический переключатель 2 поменяет свое положение на противоположнсе. Состояние установочного фазовращателя 2 не меняется,На второй вход преобразователя 3 поступит уже сигнал (6).С второго выхода первого формирователя 9 импульсов импульс, соответствукщий моменту окончания первого преобразования в код фазового сдвига сигналов (2) и (4), поступает через логический элемент ИЛИ 13 на вход второго формирователя 10 импульсов. Последний формирует следующий импульс запуска работы блока 3 преобразования фаза - код, задержанный на время переходных процессов в фазовращателе 2 при изменении положения автоматического переключа- телА 1.10 В результате в код преобразуетсяфазовый сдвиг 2 Ч сигнал в (2) и 40=821 (1+)+И (1.5) где 2(р - измеряемый фазовый сдвиг; 4528(Ь М - мультипликативная и аддитивная составляющие погрешности преобразования,поступает в память микроЭВМ 5 в момент времени появления на выходеблока 3 импульса, соответствующегоконцу преобразования.Указанный импульс поступаег также на вход первого формирователя 9импульсов. С первого выхода формирователя 9 этот импульс поступает всчетчик 6, увеличивая его содержимоена единицу. Выходной код ("1,1") поступает на входы интерфейсного модуля 4.Одновременно на выходе Конец преобразования" блока 3 появляе гся соответствующий импульс., который5 дает команду на запись кода числа (14) в память микроЭВМ 5. Этот импульс поступает также на вход первого формирователя 9 импульсов. С первого выхода формирователя 9 импульсов импульс, соотнетстнующий концу второго преобразования, поступает в счетчик 6 импульсов и уве,-нчивает на единицу его содержимое, На выходе счетчика 6 установится код двойки (0,1"). Прн этом коде антоматический переключатель 1 примет свое исходное положение, укаэанное на фиг. 2, а фазоврашатель 2 установится в состояние, обеспечиванццее введение второго нормированного по значению фазового сдвига (ф , равного, например, удвоенному значению фазового сдвига (р, т.е, (у" = 2 4,25На второй вход блока 3 поступит электрический сигнал (8) при К=2.С второго выхода первого формирователя 9 импульс, соответствующий моменту времени скончания второго преобразования в код фазового сдвига сигналов (2) и (6), поступает через логический элемент ИЛИ 13 на вход второго формирователя 10 имгульсов. Последний формирует очередной импульс запуска работы блока 3 преобра .зования фаза - код, задержанный на время переходных процессов. числа три с первого и второго выход в счетчика 6 импульсов поступает на управляющие входы автоматического переключателя 1 и фаэовращателя 2 соответственно, Одновременновыходной сигнал ("1,1") счетчика6 поступает на входы логическогоэлемента И-НЕ 1, Последний при наличии на входах сигналов, соответствующих логическим единицам, формируетимпусьс, устанавливающий триггер 8в состояние логического нуля на еговыходе, Это приводит к запрещениюпрохождения через логический элементИ 12 выходного импульса второго формирователя 10, обеспечивающего запуск блока 3 преобразования фазакод. Под действием сигналов с первого и второго выходов счетчика 6 положение автоматического переключателя 1 устанавливается противоположньйкукаэанному на фиг. 2, а состояниефазовращателя 2 не изменяется. Однако процесс преобразования сдвига акод не производится,После появления третьего импульса на выходе "Конец" преобразования"блока 3, соответствующего окончаниютретьего такта преобразования в кодфазового сдвига входных сигналов,микроЭВМ 5 начинает обработку результатов промежуточных преобразований(16)х 9,м-иэ фаналогичному (10). Необхоцимо отметить, что нормироваьное значениефазового сдвига выносится в память микроЭВМ 5 заранее.Покажем, что истинное значение (16) фазового сдвига исследуемых сигналов (2) и (3) не зависит от крутизны преобразования блока 3 и не содержит аддитивной и мультипликатнвной составляющих погрешности преобразования, Для этого подставим в (16) выражения (13) - (15) и получим, чтоьа,+д, нпчк-нуннк 3 ф 4 о 82(.р, (1+К) +АЗ ГВцо (1+)+6 И Д ЧХфсПо сравнению с прототипом в предлагаемом способе измерения повьшение точности достигается за счет введения информационной избыточности пу 1503026 1225где Ц 30 тем дополнительного измерения фазовых сдвигов между опорным и первым дополнительным, опорным и вторым до" полнительным сигналами. В обработке используется и значение фазового сдвига между опорным и вторым дополнительным сигналами. Как уже отмечалось, предлагаемый алгоритм обработки результатов промежуточных измерений обеспечивает исключение влияния чувствительности (или крутизны преобразования) на результат измерения, а также исключение влияние аддитивных и мультипликативных составляющих погрешностей результатов промежуточньм измерений. Положительный эффект достигается тем, что вначале определяют разность второго и первого, третьего и первого результатов промежуточных измерений, а эатем - частное от деления первой разности результатов на вторую. увеличенное в (К) Ц, раз частное от деления и характеризует истинное значение фазового сдвига исследуемых сигналов,Таким образом, предлагаемая совокупность и последовательность операций обеспечивает повышение точности измерения фазового сдвига электрических сигналов. Формула изобретения Способ определения фазового сдвига электрических сигналов, заключаю 35 щийся в формировании первого дополнительного сигнала путем введения в сдвинутый по фазе электрический сигнал первого нормированного по значению фазового сдвига, измерении фазового сдвига между первым дополнительным и опорным сигналами с последующим определением истинного .значения фазового сдвига исследуемых сигналов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с 45 целью повышения точности эа счет уменьшения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностиизмерения, иэ опорного сигнала формируют второй дополнительный сигналпутем введения в опорный сигнал первого нормированного по значению фазового сдвига, измеряют фазовыйсдвиг между вторым дополнительным иопорным сигналами, формирует третийдополнительный сигнал путем введенияв опорный сигнал второго нормированного по значению фазового сдвига,кратного первому и превышающего егоне менее чем в два раза, измеряютфазовый сдвиг между третьим дополнительным и опорным сигналами, а истинное значение фазового сдвига исследуемых сигналов определяют по выраже нию результат измерения фазового сдвига между вторым дополнительным и опорным сигналами;результат измерения фазового сдвига между первым дополнительным и опорным сигналами,результат измерения между третьим дополнительным и вто ым р сигналами,Ч,Аои К(, - первое и второе значениянормированных фазовых сдви"гов, причем значения нормированньм фазовых сдвиговвыбирают из условия Кц, с (0,010,07)( где о- верхнее значение диапаэона измерений;К 2,3,4, 1503026Составитель М.КатановаРедактор С.Лекарь Техред М,Ходанич Корректор Н.БорисоваЗаказ 5081/55 Тирак 714 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Я, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Уагород, ул. Гагарина, 101