Способ измерения сдвига фаз

Способ измерения сдвига фаз

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к способам измерения разности фаз двух сигналов одинаковой частоты. Целью изобретения является повышение точности измерения при больших флуктуациях фаз сигналов относительно среднего значения. Способ расширяет сферу возможного применения фазоизмерителей, особенно в условиях больших помех, что повышает его экономическую эффективность. Способ может быть реализован на основе микропроцессорной техники. В описании изобретения приведен пример реализации способа в устройстве, содержащем генератор 1 импульсов, преобразователь 2 фазовый сдвиг-интервал времени - код, счетчик 3 периода входного сигнала за время измерения, делитель 4 частоты, анализатор 5 распределения, множительное устройство 6, генератор 7 управляющих сигналов, логический блок 8 и индикаторное устройство 9. 3 ил.

А1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

С ОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСГ1У БЛИН

„ SU„„1555391 7 (51)5 С 01 R 25 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

М АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4122271/24-21 (22) 23 ° 09.86 (46) 30.03.90. Бюл. 9 12 (71) Омский институт инженеров железнодорожного транспорта (72) В.В.Петров (53) 621.317(088.8) (56) Иванова В.Н., Калинина В.И. и др. Математическая статистика—

2-е изд., перераб. и доп. - М.:Высшая школа, 1981.

Смирнов П.Т.Цифровые фазометры.

Л.: Энергия, 1974, (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ (57) Изобретение относится к способам измерения разности фаз двух сиг" налов одинаковой частоты. Целью изобретения, является повьппение точности

2 измерения при больших флуктуациях фаз сигналов относительно среднего значения. Способ расширяет сферу возможного применения фаэоизмерителей, особенно в условиях больших помех, что повышает его экономическую эффективность. Способ может быть реализован на основе микропроцессорной техники. В описании изобретения приведен пример реализации способа в устройстве, содержащем генератор 1 импульсов, преобразователь 2 фазовый сдвиг-интервал времени — код, счетчик 3 периода входного сигнала эа время измерения, делитель 4 частоты, анализатор

5 распределения, множительное устройство 6, генератор 7 управляющих сигна- ® лов, логический блок 8 и индикаторное устройство 9. 3 ил.

1553917

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению разности фаз между двумя сигналами одинаковой частоты.

Цель изобретения — повьппение точ5 ности измерения при больших флюктуациях фаэ сигналов относительного среднего значения.

На фиг. 1 представлена диаграмма, поясняющая сущность предложенного способа; на фиг. 2 — зависимость погрешности способа-прототипа от величины флюктуации и среднего значения сдвига фаз входи.(х сигналов; на фиг. 3 — структурная схема устройства, реализующего предлагаемьп способ. На фиг. 1 приняты следующие обозначения: х — мгновенные значения разности фаз между входными сигналами; 20

m „- математическое ожидание (среднее значение) сдвига фаз. между входными сигналами, которое необходимо измерить:, modx — наиболее вероятное значение сдвига фаэ между сигналами, 25 которое при нормальном (симметричном) законе распределения совпадает с т„; Р(х) — вероятность сдвига фаэ, равного х; у — процесс после преобразования ФИК; mody — наиболее вероятное значение процесса после преобразования фазовый сдвиг — интервал времени - код (ФИК); Р(у) — вероятность того, что процесс после преобразования ФИК примет значение у; m — математическое ожидание (среднее значение) процесса после преобразования

ФИК.

Сущность предложенного способа состоит в следующем.

За каждый период входных сигналов осуществляется преобразование ФИК в диапазоне «+180, что искажает функцию плотности вероятности реального процесса Р(х) при больших значениях 45 флюктуаций фаз сигналов (см. фиг. 1) .

Плотность вероятности после такого преобразования можно описать выраже.— нием

Р(у) =,Е Р»(у+2п:) ), (1)

50 где х,. =y+2fi — уравнение i-й ветви зависимости у(х) — целая часть частного х/2 I);

Р(х) — плотность вероятности процесса флюктуации ра3ностн фаз сигналol3 при наложении на них случайной помехи, рас, пределенной по нормальному закону (к- rn„) + (2) Р(х} = — — — е

)(2 К6 где 6, — среднеквадратичное отклонение (СКО) процесса флюктуации разности фаз.

Учитывая характер нелинейного преобразования (1) при больших флюктуациях фаэ сигналов, математическое ожидание сдвига фаэ после преобразования ФИК можно определить как

fl дь

m> = ) у7. Px(y+27((i)dy, (3)

j — -бр

Подставляя в это выражение (2) и изменив порядок интегрирования и суммирования, выражение (3) можно представить в следующем виде (У- „+2,() (( ъЬ „

ye " dy. (4) Для нахождения п) производят замену

1 переменной в этом выражении

t = (у-m „+20 i) /6 у = tp„+m„-21(1

dy = a„dt; шх) @)(3 (2 (i+ () m)() )

Тогца

Е(t) = — -е

)

127(нормированная функция распределения вероятности (1

1 ф(,() 2 2п о то окончательно выражение (6) можно записать в виде

Ф в

1

m„= — — — g j (tb„em„-2iii)e 6 dt (6) о(н

Если учесть, что для нормального закона распределения нормированная функция плотности распределения вероятности

1553917. (!4) "E<(g »- ((„)33 °

5 (15) modP(y) = m „ (> ®ê) ъ4 у-mх)e Ъ.к (у- Е„+ifii)к

27)» g ie к, 2и ie x

1-s. где

40 (11) а (у) а,(у) (12) (13) 45 а,(у)m = .Е f(m -2»ii)t.ф - — 3 Ь (d»») Ь 1

Из этого выражения видно, что при больших значениях Ь„ среднее значеННе реального процесса сдвига фаз п»ху которое необходимо измерить, и среднее значение, измеряемое по способупрототипу, m существенно отличаются.

Это и приводйт к значительным погрешностям известных способов в условиях больших флюктуаций без сигналов (фиг °

2). Предложенный способ измерения сдвига фаз в таких условиях имеет более высокую точность.

Учитывая выражения (1) и (2), плотность вероятности процесса после 20 преобразования ФИК

1 6 »

P = — — —, » е к (8)

ГгцЬ „--"

Для определения сдвига фаэ, соответствующего максимальной вероятности, находят производную этой функции (м hl;ial%

aP() 1

CO а „зо

t — -к- - — — — - (у-m„+2iti)e " (9)

"2" х

Представим это выражение в виде суммы составляющих:.

35 — - - = — — — (а (у)+а (у)+а (у)) (10)

dP(v)

dy /—

Мода Р(у) определяется при равенстве нулю выражения (10). Так как решение этого уравнения в аналитическом виде затруднено, покажем, что 50

dP(y) при у

Равенство нулю выражения (11) т.е. а /у = m „= О, может. быть проверено путем прямой подстановки. Сумма а,(у) и а,»(у) равна нулю, так как соответствующие члены рядов (12) и (13) одинаковы по величине и противоположны по знаку а„/у = m„= -à /y=m „

Это подтверждает справедливость равенства

Таким образом, при большой флюктуации фаз сигналов предложенный способ, включающий операции измерения моды процесса после преобразования

ФИК, а не среднего значения, как в прототипе, имеет более высокую точность измерения сдвига фаэ.

Устройство, реализующее предлагаемый способ содержит генератор 1 импульсов, преобразователь 2 фазовый сдвиг — интервал време»»и — код (ПФИК), счетчик 3 периодов входного сигнала за время измерения, делитель

4 частоты, анализатор 5 распределения множительное устройство 6, генератор

7 управляющих сигналов, логический блок 8, индикаторнсе устройство 9.

Информационные входы ПФИК 2 подключены к источникам сигналов, между которыми измеряется сдвиг фаэ, тактовый вход его подключен к выходу генератора 1 импульсов, которь»»» через делитель 4 частоты подключен к входу генератора 7 управляющих сигналов, выход ПФИК 2 через анализатор 5 распределения и логический блок 8 подключен к одному из входов множите)»ьного устройства 6, другой вход последнего через счетчик 3 периодов подключен к выходу одного иэ источников входных сигналов, который также подключен к третьему управляющему входу анализатора 5 распределения, выход множительного устройства 6 подключен к входу ииу»икаторнсг») устройства 9, первый выход генератора 7 управляющих сигналов подключен к управляющим входам счетчика 3 периодов, анализатора 5 распределения, второй выход генератора 7 управляющих сигналов подключен к управляющим входам логического блока 8, и»»дикаторного устройства 9 и вторым упра))ляющим входам счетчика 3 периодов и анализатора 5 распределения.

Устройство работает следующим образом.

Импульсы высокой частоты от генератора 1 импульсов поступают на вход делителя 4 частоты. С выхода делителя 4 частоты импульсы, период которых

7 15539 17 8 определяет время измерения, поступают па вход генератора 7 управляющих сигналов, формирующего на первом выходе сигнал начального сброса, на втором — сигнал, соответствующий концу измерения.

За время измерения в каждом периоде входных сигналов ПФИК 2 вырабатывает пачки импульсов, число которых, пропорционально мгновенному значению сдвига фаэ. Эти значения сдвига фаз в числоимпульсном коде поступают на нформационный вход анализатора 5 аспределения, который определяет час- 5 готу попадания процесса на выходе

ФИК 2 в дискретные интервалы (кванты) за время измерения формирует гисто грамму плотности вероятности распреде ения.

Логический блок 8 сравнивает межу собой частоты попадания- сдвига фаз в различные KBBHTbi и формирует на выоде адрес кванта, в котором зарегистировано максимальное число попада- 25 ний процесса на выходе ПФИК 2, что является результатом измерения моды процесса.

Полученное значение сдвига фаз, соответствующее максимальной вероятнос- 10 ! ти, умножается в множительном устройстве 6 на число периодов, подсчитанных счетчиком 3 периодов за время измерения, и результат передается на индикаторное устройство 9 °

На первом выходе генератора 7 упавляющих сигналов формируется имульс начальной установки счетчика 3 р ериодов и счетчиков в анализаторе 5 аспределения в нуль. На. втором вы- 40 ходе вырабатывается импульс конца из,мерения, который останавливает счетчик 3 периодов, разрешает передачу измеренного значения моды с выхода логического блока 8 на вход множи- 45 тельного устройства 6 и переписывает результат измерения сдвига фаз в регистр индикаторного устройства 9.

Погрешность известных способов измерения (7) в предложенном способе отсутствует. Это выгодно отличает предлагаемый способ измерения от известных, так как имеет повышенную точность при больших флюктуациях фаз сигналов.

Реализация предлагаемого способа расширяет сферу возможного применения фазоизмерителей, особенно в условиях больших помех, что обеспечивает его экономическую эффективность. Кроме того, предложенный способ просто реализуется на- основе микропроцессорной техники. Особенно удобно микропроцессору отдать функции логического блока и множительного устройства, хотя аппаратурная реализация этих блоков позволяет получить более высокое быстродействие.

Предложенный способ бып реализован в фазоизмерительной системе, включающей микроЭВИ, которая была использована для измерения сдвига фаз высших гармоник в тяговых сетях переменного тока, имекнцих нелинейную нагрузку.

Эта фаэоиэмерительная система сохраняла работоспособность и точность измерений в пределах 1 при резких флюк. туациях фаз сигналов, при которых циф. ровой фазометр, реализованный по способу-прототипу бып уже неработоспособным. Так, при „= 60 и m „ = 60о его погрешность составляет 8о а о

1 при С„=80 и m „= 60 превышает 20

Такая большая величина погрешности отражается в неоднозначности показаний серийного прибора при последовательных измерениях одного и того же среднего значения сдвига фаз и свидетельствует о его неработоспособности в таких условиях. Это подтверждает экономическую эффективность внедрения предлагаемого способа измерения сдвига фаз.

Формула изобретения

Способ измерения сдвига фаз, заключающийся в том, что в каждом периоде .в течение постоянного времени измерения, значительно превышающего период входных сигналов, осуществляют преобразование фазовый сдвиг — интервал времени — код, причем коэффициент преобразования и время измерения выбирают такими„ чтобы результат измерения сдвига фаз бып представлен непосредственно в градусах, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при больших флюктуациях фаз сигналов, за время измерения подсчитывают число периодов входного сигнала и измеряют моду процесса, полученного пос" ле преобразования фазовый сдвигинтервал времени — код, а результат измерения получают в виде произведения моды процесса на подсчитанное: число периодов.. 1553917

pm У (mom)

am« град.

И тх грай

Составитель Л.Воронина

Редактор Л.Пчолинская Техред Jl.Ñåðäþêîâà Корректор Н.Ревская

Заказ 454 Тираж 543 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета во изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101