Способ измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами

Способ измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ СДВИГА ФАЗ МЕВДУ ДВУМЯ СИНУСОВДАЛЬНЫМИ СИГНАЛАМИ по авт. св. № 1056072, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения сдвига фаз в широком диапазоне амплитуд, измеряемый сигнал фильтруют так, чтобы его частота лежала в полосе задерживания фильтра, при этом измеряют амплитуду измеряемого сигнала до и после фильтрации, определяют отношение измеренных амплитуд , а затем, изменяя частоту среза фильтра, приводят этот сигнал к выбранному уровню, вновь измеряют амплитуду измеряемого сигнала до и после фильтрации, определяют отношение измеренных амплитуд и по отношению амплитуд измеряемого сигнала до и после фильтрации до и после приведения профильтрованного измеряемого сигнала к выбранному уровню вводят повравку в результат измерения сдвига фаз между опорным и профильтрованным измеряемым сигналами.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (gg)4 G 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbITMA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 я E

/ (61) 1056072 (21) 3593732/24-21 (22) 20.05.83 (46) 23.09.85. Бюл. Р 35 (72) М.С.Головин и С.Ю.Лапунов (53) 621.317.77(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1056072, кл. G 01 R 25/00, 1982. (54)(57) СПОСОБ ИЗИЕНЕНИЯ СДВИГА

ФАЗ ИЕЖДУ ДВУМЯ СИНУСОИДАЛЬНЫМИ СИГНАЛАИИ по авт. св. М- 1056072, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измере.ния сдвига фаз в широком диапазоне амплитуд, измеряемый сигнал фильтруют так, чтобы его частота лежала

„„SU„„) 180806 А в полосе задерживания фильтра, при этом измеряют амплитуду измеряемого сигнала до и после фильтрации, определяют отношение измеренных амплитуд, а затем, изменяя частоту среза фильтра, приводят этот сигнал к выбранному уровню, вновь измеряют амплитуду измеряемого сигнала до и после фильтрации, определяют отношение измеренных амплитуд и по отношению амплитуд измеряемого сигнала до и после фильтрации до и после приведения .профильтрованного измеряемого сигнала к выбранному уровню вводят поиравку в результат измерения сдвига фаз между опорным и профильтрованным измеряемым сигналами.

1 11808

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к области фазовых измерений и может быть использовано для измерения сдвига фаз между двумя синусо- 5 идальными сигналами в широком диапазоне амплитуд входных сигналов с получением результата в виде цифровогс кода, пригодного для ввода в ЭВИ.

Цель изобретения — повышение точности измерения сдвига фаз в широком диапазоне изменений амплитуд входных сигналов, что достигается за счет фильтрации сигнала и введения поправки в результат измерения 15 сдвига фаз между опорным и профильтрованным измеряемым сигналами, которая рассчитывается.по отношению амплитуд измеряемого сигнала до и после фильтрации до и после приведе- 20 ния профильтрованного измеряемого сигнала к выбранному уровню.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2-структур-,25 ная схема блока управления; на фиг. 3 — структурная схема вычислителя.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит два входных зажима 1 и 2, два коммутатора 3 и 4, два формирователя 5 и 6, фаэовращатель 7, устройство 8:выделения вре.менного интервала (УВВИ), генератор 9 импульсов, делитель 10 частоты (ДЧ), 35 ключи 11 и 12, счетчик 13, вычислитель 14, индикатор 15, блок 16 управления (БУ), фильтр 17, дополнительный коммутатор 18, вольтметр 19.

Входной зажим 1 соединен с входом gp формирователя 5 и первым входом коммутатора 3; входной зажим 2 — с первым входом фильтра 17 и первым вхо-. дом дополнительного коммутатора 18.

Выход фильтра 17 связан с вторыми входами коммутаторов 3 и 4 и дополнительного коммутатора 18. Выход коммутатора 4 через формирователь 6 связан с вторым входом УВВИ 8. Выход коммутатора 3 через фазовращатель 7 5р соединен с первым входом .коммутатора 4, выход формирователя 5 подклю" чен к первому входу УВВИ 8 и к треть. ему входу вычислителя. Выход УВВИ 8 через последовательно соединенные ключи 11 и 12 и счетчик 13 нагружен на первый вход вычислителя 14, первый выход которого присоединен

06 к второму входу счетчика 13. Выход генератора 9 соединен с входом ДЧ 10, с вторым входом ключа 11 и вторым входом вычислителя 14. Выход ДЧ 10 связан с вторым входом ключа 12, второй выход вычислителя нагружен на первый вход индикатора 15.. Первый и второй выходы БУ 16 связаны соответственно с коммутаторами 3 и 4, третий выход БУ 16 — с фазовращателем 7, а остальные выходы БУ 16 нагружены соответственно на второй вход индикатора 15, на пятый вход вычислителя 14, на дополнительный коммутатор 18 и второй вход фильтра 17, выход вольтметра 19 подключен к четвертому входу вычислителя 14.

БУ 16 (фиг. 2) содержит кварцевый генератор 20, который через последовательно соединенные делитель 21 частоты, первый переключатель 22 нагружен на вход первого кольцевого делителя 23 (КД-1), К-й выход которого через переключатель 24 соединен со входом второго кольцевого делителя 25 (КД-2) .

Выходы КД-1 23 с первого по К-й, а также выходы КД-2 25 с первого по седьмой нагружены на дешифратор 26 (ДШ), выходы которого подсоединены к выходам (с первого IIQ седьмой)

БУ 16.

Вычислитель 14 (фиг. 3) содержит устройства счетно-регистрирующие (УСР-1) 27, (УСР-2) 28, программируемое запоминающее устройство 29 (ПЗУ), мультиплексор 30, устройство 3 1 арифметическое (УА) и ключ 32 (КС). Причем первый, второй, третий входы вычислителя 14 связаны соответственно с третьим, вторым и первым входами

УСР-i 27. Кроме того, первый вход

УСР-1 27 подключен к четвертому входу блока ПЗУ 29, а четвертый вход УСР-1 27 связан с первым выкодом мультиплексора 30.,Пятый вход УСР-1 27 связан с третьим выходом ПЗУ 29, третьим входом УСР-2 28 и первым выходом вычислителя 14. Первый выход УСР-1 27 нагружен на первый вход, а второй выход УСР-1 27 состыкован с четвертым входом мультиплексора 30. Первый вход УСР-2 28 связан с четвертым входом вычислителя 14, второй вход— с третьим выходом мультиплексора 30, а выход УСР-2 28 нагружен на второй вход мультиплексрра 30. Вход ПЗУ 29 подключен к второму выходу мультиплек1180806

Ром 17, что необходимо для реализации предлагаемого способа. Выходные сигналы при этом снимаются с шестого и седьмого выходов ДШ 2б. При установке переключателей 22 и 24 в положение Щ-1 и КД-2 соединены последовательно, при этом исполБзуются все семь выходов ДШ. Устройство (фиг. 1) при этом осуществляет 1р сначала определение погрешности f (У) по известному способу, а затем погрешности при неравных уровнях входных напряжений.

При реализации предлагаемого способа кольцевой делитель КД-2 25 Аормирует управляющие сигналы, необходимые для переключения коммутаторов 3 и 4, дополнительного коммутатора 18 и фильтра 17. Первый импульс 2р с выхода КД-2 25 устанавливает коммутаторы 3 и 4 в положение П, после чего на первый и второй входы подаются сигналы с амплитудой 0 . Вторым импульсом с КД-2 25 коммутатор 18 25 устанавливается в положение 1, причем информация о величине U с вольто метра 19 поступает на вход вычислителя 14. Третий импульс с выхода КД2 25 устанавливает на выходе фильтра 17 напряжение U . Четвертый импульс переводит коммутатор 18 в положение If и информация о величине U через вольтметр 19 поступает на вычислитель 14. Пятый импульс перево35 дит коммутатор 18 в положение 1, на второй вход подают напряжение U информация о величине которого поступает на вычислитель 14. Шестой импульс устанавливает на выходе фильт- 4р ( ра 17 напряжение U, седьмой переводит ко>чмутатор 18 в положение П, информация о величине U заносится о в вычислитель 14. Восьмой импульс

КД-2 25 поступает одновременно на . 45 индикатор 15 и вычислитель 14, где он дает команду на индикацию результатов измерения с учетом введенных оправок.

При реализации этого способа вычислитель 14 работает следующим образом.

Импульсы с выхода счетчика 13 в количестве, пропорциональном фазовому сдвигу t поступают на третий вход УСР-1 27, на его же первый вход поступают сигналы с выходов формирователя 5, модулирующие по амплитуде сигналы, проходящие на второй вход

УСР-1 от генератора 9, Количество импульсов пропорционально периоду сигнала t ; Из последовательности модулированных импульсов в УСР-1 форьируется базовое время t, необходимое для работы ПЗУ 29. Информация о величинах t< t r.оразрядно под действием управляющих импульсов с первого выхода мультиплексора 30 поступает для дальнейшей обработки в мультиплексор 30. Импульс, соответствующий t<„, поступает на первый вход блока ПЗУ 29, где осуществляется временная привязка этого импульса и сигналов с выхода Аормирователя 5.

В блоке ПЗУ 29 на основании

Ео(Э и двух периодов сигнала формирователя формируется измерительное время работы устройства. По истечении t ôoðìèðóåòñÿ импульс "Сброс". поступающий на УСР-1 27, УСР-2 28 и счетчик 13. ИнАормация о величинах напряжений поступает на вход

УСР-2 28 с вольтметра 19. Под действием управляющих-импульсов третьего с выхода мультиплексора 30 информация с УСР-2 28 также поразрядно поступает на дальнейшую обработку в мультиплексор 30. Импульсы "подсвета" с микропроцессора, расположенного в УА 31, поступают на второй вход ПЗУ 29 и первый вход КС 32. Эти импульсы участвуют в Аормировании управляющих сигналов, поступающих на мультиплексор 30 (первый вход). Информация о t, С и U, U и UI„после. обработкй в мультиплексоре 30 поступает на третий вход ПЗУ 29, где формируются сигналы, поступающие через трансляторы уровней УА 31 на микропроцессор. В мультиплексоре 30 формируются также управляющие сигналы, необходимые для перемещения информации в УСР-1 и УСР-2. Информация о целой части результата деления и на t, осуществляемого в УА 31, поступает на третий вход мультиплексора, где подвергается обработке совместно с инАормацней о величинах напряжений, й(, н t При наличии управляющего импульса на втором входе

КС 32 информация о велйчине Аазового сдвига с учетом поправки поступает на индикатор 15, где и заканчивается цикл обработки измерительной информации.

3 1180 сора 30, первый вход которого связан с первым выходом ПЗУ 29, его второй выход нагружен на второй вход УА 31.

Четвертый выход мультиплексора 30 нагружен на первый вход УА 31, его же второй выход нагружен на третий вход мультиплексора 30.. Второй вход КС 32 связан с пятым входом вычислителя 14, а выход КС 32 нагрукен на второй выход вычислителя 14. 10

Предлагаемый. способ реализуется следующим образом.

Опорный сигнал поступает на входной зажим 1, а измеряемый — на зажим 2.Для исключения постоянныхсисте- 15

Ф матических погрешностей производят калибровку устройства, для чего опорный сигнал подают на зажимы 1 и 2 одно" временно. БУ 16 переводит дополнительный коммутатор 18 в положение II, g0 при котором вход вольтметра 19 соединен с выходом. фильтра 17. БУ 16 изменяет частоту среза фильтра 17 таким образом, что его выходное напряжение

I I равно U Выбранный уровень 0р опре- 25 деляется соотношением

Ом

U ь где Z„ ьтра „

Z1 измене-З0

oro

U амплимакс а.

Например, 35 (20 дБ), ый постояннь н

0,01 В. 3 тся вольтметр е БУ16 коммутато 40 ние 1 и в ходное напря ение которого ислителя 14, ошение ампли и HcL 45 выходе A осле этого про эового сдвига ме выходным си ного акс (1)

Z2 начальное затухание Фил динамический диапазон ния амплитуды измеряем сигнала; максимальное значение туды измеряемого сигнал для U =10 В Z 10

Z>=40 (40 дБ), выбрани я уровень сигнала раве начение Uo контролируе

I ом 19. Затем по команд р 18 переводится в пол ольтметр 19 измеряет в жение Фильтра Ор, энач заносится в память выч который определяет отн туды сигналов на входе ильтра 17 (K„=Uo/Uo). П изводится измерение фа жду опорным сигналом и гналом фильтра 17, рав

Ч„= 9 + V„, где 1Ф вЂ” фазовый сдвиг, вносимый фильтром 17; — паразитный Фазовый сдвиг и в цепяхформирователей 5и 6. 55

Значение заносится в память

1 вычислителя 14 и в дальнейшем вычитается из результатов измерения.

806 4

После окончания калибровки измеряемый сигнал подают на входной за- . жим 2. БУ 16 переводит коммутатор 19 в положение II и, изменяя частоту среза фильтра 1.7, устанавливает его выходной сигнал, равный Uo, что контролируется вольтметром 19. Затем коммутатор 18 переводится в положение 1 и измеряется амплитуда измеряе- мого сигнала, значение которой заносится в память вычислителя 14. Вычислитель 14 определяет отношение амплитуд К =U /U После этого производится измерение фазового сдвига между опорным сигналом и выходным сигналом фильтра 17, равного где ьч — Фазовый сдвиг, вносимый фильтром 17, при измерении коэффициента передачи от К до К, (щ — измеряемый Фазовый сдвиг изм между опорным и измеряемым сигналами.

Значение, хранящееся в памяти

1 э вычислителя 14, определяемое соотношение (3), вычитается из результатов измерений (4). Значение дЧ Ф определяется вычислителем 14 по Формуле

d Y =arccos К -arccos К (4)

Ф 1 и вычитается иэ результатов измерений, В результате индикатор 15 индицирует значение „, соответствующее Фазовому сдвигу между измеряемым и опорным сигналами, и не содержит амплитудно-фазовой погрешности.

При реализации предлагаемого способа измерения БУ 16 работает следующим образом.

Импульсы с выхода делителя частоты 21 с частотой 0,05 Гц поступают на переключатель 22. Такое значение выходной частоты выбрано с той целью, что за соответствующий ему интервал времени (20 с) устройство, реализующее предлагаемый способ, осуществит 5-6 измерений значений фазового сдвига. Выбор режима работы БУ 16 осуществляется с помощью переключателей 22 и 24. При установке переключателя 22 в положение 1, а переключателя 24 в положение П осуществляется известный способ, при этом используются пять выходов дешифратора 26. При установке обоих переключателей в положение II (Фиг.4) работает только КД-2, осуществляя управление коммутатором 18 и Фильт7 11808

Для изменения амплитуды измеряемого сигнала используется аналоговый фильтр, являющийся. минимально-фазовым четырехполюсником, имеющим однозначную зависимость между коэффициентом передачи К и вносимым фазовым сдвигом при изменении частоты либо значения величины одного из его элементов. При значениях коэффициента передачи К(0,03 зависимость вносимо- 1О

ro фазового сдвига от коэффициента передачи определяется соотношением

К= соэ Y . (5)

Точность равенства (5) увеличивается 1S при уменьшении коэффициента передачи

RC-фильтра. В пределах полосы прозрачности при изменении коэффициента передачи фильтра от 1 до 0,7 фазовый о сдвиг меняется от 0 до 45 . В преде- go лах полосы задерживания при изменении коэффициента передачи от 0,01 до 0 001 фазовый сдвиг изменяется от 89,42 до 89,942 о(на 0,522 ); при изменении коэффициента передачи от 2S

0,001 до 0,0001 фазовый сдвиг изменяется от 89,942 до 89,994 (на

0,052 ), т.е. изменения фазового сдвига в данном случае пренебрежиОб 8 тельно малы. Этот Жакт используется для изменения амплитуды измеряемого сигнала. Для того, чтобы не вводить очень больших затуханий, целесообразно, используя соотношение (5), вводить поправки к измеренному значению фазового сдвига, измеряя коэф-фициент передачи К. При значениях К, близких к 1, т.е. в полосе прозрачности, для достижения точности измерения фазовых сдвигов + 0,05 » 0,01 необходимо определение К с погрешностью не хуже 0 ° 005X. Достижение такой высокой точности в широкой полосе частот технически сложная задача. Однако при К40 1 для достижения указанной точности измерения поправок необходимо измерение коэффициента передачи с погрешностью передачи 0,5 — 17, что легко реализуется практически. Поправки к измеренному значению фазовых сдвигов определяются соотношением (4), используя измеренные значения К и К . Как показали экспериментальйые.исследования, точность измерения фазовых сдвигов в диапазоне амплитуд 20-40 дБ составляет 0,005 - 0,01 в широком диапазоне частот.

1180806 фиг. 2

Фиг. Ю

Составитель В.Шубин

Редактор АЛишкина Техред М.Кузьма Корректор М.Максимишинец

Заказ 5916/43 .Тираж 747 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Фипиал ППП "Патент", r.Óêãîðîä, ул.Проектная, 4