Способ измерения квадратурных составляющих периодических сигналов

(59 4 ИЗНЫВ НИЯ ЕЛЬСТ АВТОРСКОМУ СВ 4384302/24-2111.12.8730.11.89. Бюп. Яф 44Институт кибернетики.М. ГлушковаВ.И.Скурихин, В.Т.Конкрипник и И,Ю.Скрипни621.317.322(088.8)Макс,Ж. Методы и технсигналов при физичес(21) (22) (46) (71) им. В (72) Ю.А.С (53) (56) ка об х проце с. 12 отках ИСовмоното рактер пр ые момент уриых налов также ния. вр емени, Умодулируюг П)вызьпчяя цесса в Опорным м часто парамет гнал емый разв СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР САНИЕ ИЗО 4) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КВАДРАТУРНЫХСТАВЛЯЮЩИХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ(57) Изобретение относится к измерению активных и реактивных составляющих переменных напряжений. Цель изобретения - повышение точности и автоматизация процесса измерения. Сущностьспособа заключается в формированиипервого и второго вспомогательныхсигналов из опорного и квадратурного сигналов путем сдвига последнихвниз и вверх по частоте, суммироваегение относится к измерении реактивных составляющихых напряжений и. может бытьно для измерений .в цепях спревышающими по своему ур активныхпеременнпольэовапомехаци,ню измеряемый сигнал,Целью изобретения являетсяние точности измерения квадрасоставляющих периодических сипри действии шумов и помех, аавтоматизация процесса измере нии вспомогательных сигналов с исследуемым, поочередном перемножении усиленного суммарного сигнала с опорным,квадратурным и вспомогательными сигналами, интегрировании полученныхсигналов, формировании раэностногосигнала которым регулируют значениецентральной частоты до момента равенства последней, и частоты исследуемого сигнала, после чего фиксируютзначения составлякщих исследуемогонапряжения. Способ реализован в устройстве, содержащем источник 1 физического процесса, цифроаналоговыепреобразователи 2-5, интегрирующийаналого-цифровой преобразователь 6,модулятор 7, генератор 8 опорногосигнала, делитель 9 частоты, счетчик10 импульсов, регистраторы 11 и 12квадратурных составляющих, квадратурный фазовращатель 13, блоки 14 и 15сдвига частоты, датчик 16 физическойвеличины, суммагор 17, избирательныйусилитель 18, синхронный детектор 19коммутатор 20, дисплей 21, микроЭВМ22, общая шина 23. 1 ил. На чертеже приведена схема устройства для осуществления способа.Сущность способа заключается в слеследующем.Под воздействием сигнала развертки Ц(с) с периодом Тнно изменяют3, параметр х(Ц) физического процесса, определяющий ха отекания гроразличн ы1525599 относительно быстрые изменения параметра х относительно периода разверт 2ки ( я 7. в -), С помощью датчикаа Тпреобразуют исследуемый параметр у(х) процесса в модулированный электрический сигнал, который используют для измерения квадратурных составляющих и, анализа динамики исследуемого процес- (О са. Под воздействием развертки амплитуда и фаза выходного сигнала датчика меняются во времени, неся информацию об исследуемом динамическом процессе.Выходной периодический сигнал дат чика в смеси с шумом где Б,(с) - изменение амплитуды сигнала,(с) - шумовая составляющая,имеющая бесконечный спектр; 25т.е. ДЯ - с)о,усиливают в выбранной полосе частотЬЯ с центральной частотой И = И,Полосу частот ЬЦ выбирают исходя иэскорости изменения амплитуды и фазыпериодического сигнала (1), т,е.от значений(4) 55 У= , - 0,5 д),(12) Ц,(с) = ПЫЫ,с+Ц)(с)1+ (с), (1) Для измерения квадратурных составляющих формируют опорный и квадратурный сигналы: с частотой Я 1, равной частоте периодического сигнала (1),Затем Формируют первый и второй вспомогательные сигналы. Первый вспомогательный сигнал Формируют путемсдвига опорного сигнала (2) вниз по частоте на значение, равное половине выбранной полосы частот, т.е. на В результате получают первый вспомогательный сигнал Ц(с)0 сов(Я,-0,56 У)с, (5) Второй вспомогательный сигнал формируют путем сдвига квадратурного сиг" нала (3) вверх по частоте на то ае значение 0,5 Ьц, т.е. на у е Я, + 05 ЬЯ(6) В результате получают второй вспомогательный сигнал.Ц (с) Ц вЫ(Я,+0,5 Ьсд) е,Выбирают амплитуды первого и второго вспомогательных сигналов (5) и (7) одинаковыми, т.еСуммируют первый и второй вспомогательные сигналы (5) и (7) с исслвдуе" мым периодическим сигналом (1). В результате получают суммарный сигнал Ц 6(с) Ц,(с) + Ц(е)+Ц(с) (8)) который усиливают в выбранной полосечастот ДУ = (Яо+0,5 ЬЯ)-(У 0-0,5 Ьсв 1),Епагодаря избирательному усилению, сигнала (8) в полосе частот иэ шумоввыделяют сигнал ц (с)-ц (с)+ц (с)и(с) Ц (с) =К, Ц, И) =К, П(е) сов Ц, И)+ ЦЕ) =1 сР сов(Ц с+Ц 7) =1 с Ц50 сов (Я;0,55 С 0)с+с)с Ц(0(") з",п,сов(%+Ю "з".ов сов Ц,+0,5 ВЯ) СвССа,25, 22 ЧЯ1+Ц 22)(2 коэффициенты усиления усилителя (сцентральной частотой) на частотах Я Я = о), -0,5 ЛУ и Яаи Я( +0,5 ЬЯ соотвегственно,- коэффициент усиления усиЛИтЕЛЯ На ЧаСтОтЕ(6)( Уо= агсСЦ 3- фазовые сдвиги, вносимыеусилителем. 25Поочередно перемножают усиленныйсигнал (9) с опорным (2) и квадратурным (3) сигналами, а результаты перемножения интегрируют в течение врелмени ь . В результате получают напряжения: Ц.Ц,(с)Ц,(с)сс-)2,(2,Ц 2. 21о2 сов(сс) тс),) 2(Ц, - -Ц,(С)Ц (С)ЦС=Ц С Ц 2о2 всо(2)(с) +22,) 2 где Е - коэффициент передачи интегрирующего звена;(1 - вносимый фазовый сдвиг. Напряжения 1) и Б, запоминают. 45Причем время интегрирования (, выбирают из условия подавления низкочастотных составляющих с частотой сдвига 52. = 0,56 Я, возникших при перемножении сигналов Цв(с) и Ца(с) 1 Ы(с) Ц,И) и Ц(с)Ц,(с)1, Ц,(с) и цв(с)(цв(с с биивкиии частота 282 Я, и Яос я( и ц, я) и я соответственно.ПРи использовании в качестве интегрирующего звена фильтра нижних частот частоту среза его АЧХ выбирают равной или несколько меньшей частоты Я . В этом случае переменная составляющая с частотой Я подавляется фильтром нижних частог.В случае использования аналогоцифрового преобразователя (АЦП) интегрирующего типа время интегрирования определяется периодом помехи, которой в рассматриваемом случае является низкочастотное напряжение частоты Я, возникающее в процессе перемножения сигналов с близкими частотами. Поэтому, интегрируя (усредняя) результат перемножения эа время 2 ви О /ЬИ, МОЖНО ПОЛНОСТЬЮ ПОДавить мешающее низкочастотное напряжение частоты Я .Для проверки правильности полученных результатов преобразования усиленных сигналов Ц 8(с), ОЫ и Ц 1 оИ) дополнительно перемножают усиленный суммарный сигнал (9) с первым вспомогательным сигналом (5), а результаты перемножения интегрируют в течениелвремени (, . В результате получают постоянную составляющую2 Ч.Ц,в= ос- Ц (с)Цв(с)2)сщ(2 (2 1 совУ,(15)1о Полученное напряжение (15) запоминают. Затем тот же усиленный суммарный сигнал (9) перемножают с вторым вспомогательным сигналом (7), а результаты перемножения интегрируют также в течение времени 2 . Получают напряжение 2 Мцщ --ц,(с)и,(с)ас-)с,а,ц,ов 2)2,(16)1о где с - вносимый фазовый сдвиг,когорое сравнивают с предыдущим напряжением (15), т.е. решают неравенство Если частота исследуемого периодического сигнала совпадает с центральной частотой усилителя (т.е. И, = Ыо), то коэффициенты усиления (с и 1 сэ первого и второго вспомогательных сигналов (5) и (7) равны между собой, т.е. Кроме того, равны и косинусы вносимыхфазовых сдвигов, т.е.= 1 с к У,соз . авниваемых напрярмируют сиги 40ВНОСИМЫния (27) и фазовые сдвиги.8) сравниваютеляют нераременно формигде . и ЧНапряже между собо ВенстВО О руют сигнал- 1 с созЧ ),(29 сов ( =сов(агс 18 ЯЪ ) соеЧэ= соа(агсСКЩЭ) . 5 Следовательно, сравниваемые напряжения (15) и (16) равны О Это означает, что коэффициент усиления усиливается на частоте О; = Яо становится равным номинальному Ь "М )о а дополнительный фазовый сдвиг становится равным нулю ( ч" = О).15При равенстве сравниваемых напряжений (15) и (16) производят отсчет и регистрацию квадратурных составляющих (13) и (14), которые в указанном случае имеют следующие значения:201 со 1 с 4 Пв(с)созЦ(с) (21) Ц, (С)=1 с,1 с 02(с)з 1 пц(с) так как при Я, = Я, 1 с 4=1 с, (ф = О.Квадратурные напряжения (21) и (22) могут быть использованы для опредеяения амплитуды и фазы исследуемого периодического сигнала по выражениям: где Б = 1/-, При неравенстве жений (15) и (16) Ф е 1 с - коэффициент пропорциональносги,пропорциональный разности сравниваемых напряжений (15) и (16), которымрегулируют значение центральной частоты выбранной полосы частот путем,например, изменения реактивного параметра избирательного усилителя.Знак раэностного напряжения определяется соотношением коэффициентов усиления 1 с и 1 с на частотах у и цсоответственно. Поэгому регулирующеевоздействие сигнала (25) при любомзнаке расстройки направлено на сближение центральной частоты усилителя с частотой исследуемого периодического сигнала (Р,- Я)Допустим, что в результате регулирования сигналом (25) значение центрапьной частоты Я,изменяется. Эта приводит к изменению относительных расстроек % 7 и Ъэ избирательного усилителя, а следовательно, и коэффициентов усиления Е 14 и М составляющих суммарного сигнала (8) до значения Ъ , Ъ и 1 с 1 с и 1 с соответственно. В результате избиратель. ного усиления сигнала (8) получают, суммарный усиленный сигнал 8 12 И 4+"Эцв=М) М) М ) Повторно перемножают усиленный суммарный сигнал (26) с первым и вторым вспомогательным сигналами поочередно, затем интегрируют в течение времени с и запоминают полученные напряжения Б =, П 4 а (с) Б 4(с) сс1о1 с 1 с П созЦ г 4=(Пы)иэ ) =4 з 1)о 04 асоз 1 а пропорциональный разности сравниваемых напряжений (27) и (28).Регулируют значение центральной частоты новым значением раэностного сигнала (29) во второй такт подстройки. Проводят необходимое количество тактов подстройки до момента равенства сравниваемых постоянных напряжений Это достигается при Я, = Я т.е. присовпадении частоты измеряемого сигнала с центральной частотой избирательного усилигеля.Причем фактическое число тактовподстроики устанавливают в зависимос 5ти от допустимого неравенства значенийцентральной частоты и частоты исследуемого сигнала. Искомое значениеквадратурных составляющих получают10после перемножения усиленного суммарного сигнала (26) с опорным (2) иквадратурным (3) сигналами и выделенияих постоянных составляющих. При Я1ф оЯ 1 с,=1 с, С = 0 квадратурные составляющие описываются выражениями(21) и (22).Устройство для осуществления способа измерения квадратурных составляющих исследуемого физического процесса содержит источник 1 физического процесса, первый - четвертый цифроаналоговые преобразователи 2-5, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь 6, модулятор 7, генератор 8 25опорного сигнала, делитель 9 частоты,счетчик 10 импульсов, первый 11 ивторой 12 регистраторы квадратурныхсоставляющих, квадратурный фазовращатель 13, первый 14 и второй 15 блоки 30сдвига частоты, датчик 16 физическойвеличины, сумматор 17, избирательныйусилитель 18, синхронный детектор 19,коммутатор 20, дисплей 21, микроЭВМ22, общую шину 23,35Источник 1 физического процессаподключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя 2 через модулятор 7. Управляющий вход модулятора 7 соединен с выходом генератора 8 40опорного сигнала, к которому подключен и квадратурный фазовращатель 13.Выход источника 1 физического процесса соединен с последовательно соединенными датчиком 16 физической вели чины, избирательным усилителем 18,синхронным детектором 19 и интегрирующим аналого-цифровым преобразователем 6,Выход интегрирующего аналого-цифро вого преобразователя 6 подключен кмикроЭВМ 22.через общую шину 23, скоторой соединены входы дисплея 21,второго 3, третьего 4 и четвертого5 цифроаналоговых преобразователей.Выходы второго 3 и третьего 4 цифроаналоговых преобразователей подключены соответственно к вторым входампервого 11 и второго 12 регистраторов квадратурных составляющих, первые входы которых соединены с выходами первого цифроаналогового преобразователя 2,Выход генератора 8 опорного сигнала через делитель 9 частоты соединен с первыми входами блоков 14 и 15 сдвига частоты и входом счетчика 10 импульсов. К выходу счетчика 10 импульсов подключены входы первого цифроаналогового преобразователя 2.Вторые входы первого и второго блоков 14 и 15 сдвига частоты соединены с первым и вторым входами коммутатора 20, выходами генератора 8 опорного сигнала и квадратурного фазовращателя 13 соответственно.Выходы первого 14 и второго 15 блоков сдвига частоты соединены с третьим и четвертым входами коммутатора 20, вторым и третьим входами сумматора 17 соответственно. Первый вход сумматора 17 подключен к выходу датчика 16 физической величины, выход соединен с входом избирательного усилителя 18. Управляющий вход усилителя 18 подключен к выходу четвертого цифроаналогового преобразователя 5, а выход коммутатора 20 соединен с управляющим входом синхронного детектора 19.Устройство работает следующим образом.Под воздействием развертывающего во времени сигнала Ц (с) пилообразной формы (сигнала развертки) с периодом Т монотонно изменяют параметр х(Щ физического процесса, протекающего в источнике 1 физического процесса. Параметр х(Ц) определяет характер протекания физического процесса в различные моменты времени.Формирование сигнала развертки осуществляется путем деления на и частоты выходного сигнала генератора 8 опорного сигнала и заполнения емкости счетчика 10 импульсов. Емкость ММ) счетчика 10 импульсов выбирается такой, чтобы обеспечивалось формирование с помощью цифроаналогового преобразователя 2, подключенного к выходам счетчика 1 О, пилообразного сигнала развертки длительностьют = И/И/и) Г.д Опорным сигналом частоты Г И модулируют развертываемый пар аме грх(1 О физического процесса, вызываяотносительно быстрые изменения параметра х относительно периода развертки 5 С помощью датчика 16 физической величины преобразуют исследуемый пара 10метр у(х) физического процесса и модулированный электрический сигнал (1),который используется для анализа динамики исследуемого физического процесса. Под воздействием развертки ампли 15туда и фаза выходного сигнала (1) датчика 16 физической величины меняютсяво времени, неся информацию об исследуемом процессе.Выходной сигнал (1) датчика 16 физической величины поступает на первыйвход сумматора 17, где суммируется спервым и вторым вспомогательными сигналами (5) и (7) с равными амплитУдами, поступающими на второй и третийвходы сумматора 17. Первый вспомогательный сигнал (5) с частотой Г/иформируется в блоке 14 сдвига частотыпутем сдвига опорного сигнала (2) счастотой Е = Ю,/2 й вниз по частотена значение Г/и. Сигнал с частотойГ/и формируется делителем 9 частотыопорного генератора 1 и поступает напервый вход блока 14 сдвига частоты,а опорный сигнал (2) поступает навторой вход блока 14,Второй вспомогательный сигнал (7)с частотой Г+й/и формируется в блоке15 сдвига частоты путем сдвига квад 40ратурного сигнала (3) с частотой Г= У, /2 Т вверх по частоте на значение2/и. Сигнал с частотой Г/и поступаетна первый вход блока 15 сдвига частоты с выхода делителя 9 частоты. Квадратурный сигнал (3) поступает на второй вход блока 15 сдвига частоты свыхода квадратурного фазовращателя13.Коэффициен деления и делителя 9частоты выбирается таким, чтобы частота Е/и выходного сигнала делителя9 частоты примерно равнялась полосепропускания управляемого избирательного усилителя 18,55Суммарный сигнал (8), содержащийгармонические составляющие с частотами Г, Г-Г/и и Г+Г/и, усиливаетсяизбирательным усилителем 18 и поступает на сигнальный вход синхронного детектора 19. На управляющий вход синхронного детектора 19 через четырехканальный коммутатор 20 поочередно поступают сигналы с выходов генератора 8 опорного сигнала, квадратурного фазовращателя 13, и блоков 1.4 и 15 сдвига частоты. Последние два сигнала поочередно перемножаются с усиленным суммарным сигналом (с помощью синхронного детектора 19), затем усредняются и преобразуются в код с помощью интегрирующего аналогоцифрового преобразователя 16. Выходной код последнего через общую шину 23 поступает в оперативную память микроЭВМ 22. По программе, записанной в постоянном запоминающем устройстве микроЭВМ 22, сравниваются между собой постоянные напряжения (15) и (16), представленные ввиде кодов соответствующих чисел. Одновременно в микроЭВМ 22 формируется разностный код, который с помощью четвертого цифроаналогового преобразователя 5 преобразуется в управляющий сигнал, изменяющий центральную частоту полосы пропускания избирательного усилителя 18, изменяя его реактивный параметр. Поочередное перемножение сигналов обеспечивается коммутатором 20, управляемым по командам, формируемым микроЭВМ 22 и поступающим через общую шину 23 на его управляющие входы.После завершения настройки усилителя 18 на частоту генератора 8 опорной частоты по программе с микроЭВМ осуществляется поочередное перемножение усиленного избирательным усилителем 18 суммарного сигнала с опорным сигнапом (2) генератора и квадратурным сигналом (3) фазовращателя 13.Выходные сигналы синхронного детектора 19 усредняются и преобразуются в код с помощью интегрирующего аналогоцифрового преобразователя 6, затем через общую шину 23 поочередно поступают на входы цифроаналоговых преобразователей 3 и 4 соответственно, а также в оперативную память микроЭВМ 22, С помощью цифроаналоговых преобразователей 3 и 4 осуществ"- ляется преобразование цифровых кодов в аналоговые сигналы (21) и (22) соответственно. Сигналы (21) и (22) с выходов цифроаналоговых преобразователей 3 и 4 поступают на вторые входы первого 11 и второго 12 регистра 14152559913торов квадратурных составляющих соответственно.При необходимости регистрации амплитуды и фазы исследуемого физичес,кого процесса, т.е. из текущих значений, с помощью микроЭВИ 22 осуществляется обработка кодов чисел, записанных в оперативную память, по алгоритмам (23) и .(24).Для этого в память микроЭВМ 22 в виде констант предварительно вводят значения коэффициента 1 настроенноого измерительнрго усилителя 18 и коэффициента к 4 аналого-цифрового преобразователя 6. Результаты вычислений индицируются на экране дисплея 21 с заданной дискретностью во времени.Применение изобретения позволяет повысить разрешающую способность и достоверность измерения квадратурных составляющих исследуемого физического процесса, развертываемого во времени. При этом уровень измеряемых квадратурньм составляющих может быть соизмерим или даже меньшим уровня шумов и наводок объекта.Исключение операции периодической настройки избирательного усилителя на частоту модуляции развертываемого параметра физического процесса позволяет полностью автоматизировать процесс измерения и уменьшить затраты на дополнительный контроль работы избирательной системы.Формула изобретенияСпособ измерения квадратурных составляющих периодических сигналов, заключающийся в усилении исследуемого сигнала в выбранной полосе частот, в поочередном перемножении усиленного сигнала с опорным и квадратурным сигналами, интегрировании полученных сигналов, запоминании постоянных составляющих, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точностиизмерения, формйруют первый вспомогательный сигнал путем сдвига опорногосигнала вниз по частоте на значение,равное половине выбранной полосычастот, формируют второй вспомгательный сигнал путем сдвига квадратурно го сигнала вверх по частоте на то жезначение, суммируют первый и второйвспомогательные сигналы с исследуемым, усиливают суммарный сигнал ввыбранной полосе частот, допопиитель но перемножают усиленный. суммарныйсигнал с первым вспомогательным сигналом, полученную постоянную составляющую запоминают, затем тот же усиленный суммарный сигнал перемножаютс вторым вспомогательным сигналом иполученное напряжение сравнивают спредыдущим, при их равенстве производят отсчет и регистрацию квадратурныхсоставляющих, при неравенстве сравни ваемых напряжений формируют сигнал,пропорциональный разности сравниваемых напряжений, которым регулируютзначение центральной частоты выбранной полосы частот, повторно перемно жают усиленный суммарный сигнал спервым и вторым вспомогательным сигналами поочередно, сравнивают полученные напряжения, регулируют значениецентральной частоты новым значениемразностного сигнала во второй тактподстройки, проводят необходимое количество тактов подстройки до моментараненства сравниваемых напряжений,причем фактическое число тактов под стройки устанавливают в зависимости отот допустимого неравенства значенийцентральной частоты и частоты исследуемого сигнала, а отсчет искомогозначения квадратурньм составляющих 45 производят после перемножения усиленного суммарного сигнала с опорным1525599 Цилле ек ГКНТ СССР здательский комбинат "Патент", г. Ужгород,гарина, 1 Прои ве Составитель А.ЗаборРедактор Л.Веселовская Техред Л.Сердюкова ака з 7 218/40 Тираж 573 Под НИИПИ Государственного комитета по изобретениям113035, Москва, Ж, Раушская н сное открытн д, 4/