Способ измерения сдвига фаз

Способ измерения сдвига фаз

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к способам электроизмерений и может быть использовано при измерениях среднего значения сдвига фаз в условиях высокого уровня флуктуационных помех. Для повышения достоверности и точности измерения сдвига фаз при больших флуктуациях фазы входного сигнала измеряют и делят период опорного сигнала на К равных частей, формируют стробы, соответствующие каждой I-й части периода опорного сигнала, преобразуют сдвиг фаз в фазовый интервал времени, фиксируют совпадение конца фазового интервала времени с тем или иным по номеру стробом в течение заданного постоянного измерительного интервала, подсчитывают в каждом I-м стробе число упомянутых совпадений, полученную последовательность чисел совпадений подвергают дискретному преобразованию Фурье (ДПФ) и определяют сдвиг фаз как отношение синусной составляющей первой гармоники ДПФ к ее косинусной составляющей. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИО ЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1

„,SU„„1-553921 (51)5 G 01 R 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbtTHRM

ПРИ fHHT СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф

1 (21) 4477167/24-21 (22) 06.07.88 (46) 30.03.90. Бюл. У 12 (71) Омский институт инженеров железнодорожного транспорта (72) В.В.Петров (53). 621.317.772(088.8)" (56) Смирнов П.Т.Цифровые фаэометры.

Л.: Энергия, 1974, с. 32, рис. 13.

f (54) СПОСОБ И МЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ (57) Изобретение относится к способам электроизмерений и может быть использовано при измерениях среднего значения сдвига фаэ в условиях высокого уровня флюктуационных помех. Для IIoвышения достоверности и точности измерения сдвига фаз при. больших флюкИзобретение относится к измеритель ной технике, в частности для измере« ния разнос ги фаз между двумя сигналами одинаковой частоты.

Цель изобретения — повышение достоверности и точности измерения при больших флюктуациях фаз сигналов от» носительно среднего значения.

На фиг. 1 представлены диаграюы, поясняющие сущность способа; на фиг. 2 — структурная схема устройства, реализующего способ.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения: а - зависимость плотности вероятности распределения разности фаз входных сигналов (Р„) от мгновенных значений разности фаз между входным и опорнь м сигналами (х); б - пере2 туациях фазы входного сигнала измеряют и делят период опорного сигнала на

К равных частей, формируют стробы, соответствующие каждой i-й части периода опорного сигнала, преобразуют сдвиг фаз в фазовый интервал времени, фиксируют совпадение конца фазового интервала времени с тем или иным по номеру стробом в течение заданного постоянного измерительного интервала, подсчитывают в каждом i-м стробе число упомянутых совпадений, полученную последовательность чисел совпадений подвергают дискретному. преобразованию

Фурье (ДПФ) и определяют сдвиг фаз как отношение синусной составляющей первой гармоники ДПФ к ее косинусной составляющей. 2 ил.,1 табл. даточная характеристика преобразователя фазовый сдвиг — интервал времени; в — передаточная характеристика анализатора распределения; г — число попаданий (Р ) в дискретные интерваI лы (стробы) К;; д — постоянная составляющая (С ), определенная после дискретного преобразования Фурье (ДПФ); е — синусная составляющая (Сэ) первой гармоники, ж — косинусная составляющая (С ) первой гармоники.

Сущность способа состоит в следующем.

За каждый период опорного сигнала осуществляется преобразование фазового сдвига в интервал времени в диапазоне 180, что искажает функцию рас-. пределения плотности вероятности ре1553921

К-1 о Р о К с--1 =о

К-1 — з п() 9

К 1 0 > К

1 Т

Х Р. соз(-- — .) Сс1 =

Сь

y„= arcing Сп1

С2 }С2 е

S сi °.«А1 !

C где С,С, С с — постоянная составляющая и коэффициенты дискретного преобразования Фурье (ДПФ)

К вЂ” число дискретных интервалов (стробов), на которые разбит период ального процесса Г.„HpH больших 3HR чениях флюктуаций фазы входного сигнала (см. Фиг. 1) .

В процессе флюктуации фазы входного сигнала значения фазы в интервале

7! (у„(— и накладываются на значения, лежащие например, в интервале

- 6 < q„(fià . Наложение значений объясняется разрывностью характеристики преобразователя в фазовый интервал . (см. Фиг. 1, б) . В результате функция распределения на выходе фазового пре образователя существенно отличается от функции распределения плотности ,вероятности на входе этого преобразователя.

Если учесть, что в диапазоне, — Н < Ч „-с < 7 характеристика фазового преобразователя линейка, а шаг квантования анализатора распределения (К,) постоянный, то максимальное зна, 4ение Р будет совпадать с математи: ческим ожиданием фазы входного сигнала (см. фиг. i,а,б,в,r). Это легко

Показывается аналитически при нормальном законе распределения плотности вероятности сдвига фазы входного сигнала .

Дискретное преобразование Фурье озволяет определить синусную и косивусную составляющие первой гармоники олученной дискретной функции распрееления плотности вероятности P. npu

1 аэбиении сдвига фаз на К . стробов

1 35 см. Фиг. 1 д,е,ж), т.е.

= 0;

359, остальных

1200 при

1200 при

1?00 при

0 при

В этом случае результат измерения в известных Фазометрах с постоянным временем измерения, вселяющих среднее значение сдвига фаз:

М, =, Р; / 7 Р,.

f o

1200 0+1200 .1+1200 359

1200+1200+1200 опорного сигнала или диапазон измерения сдвига фаз;

Т вЂ” период опорного сигнала;

Р. — число попаданий в i-й

1 строб полученных после преобразования фазовых интер валов; у, А - фаза и амплитуда первой гармоники ДПФ, - коэффициент, характеризующий достоверность результата измерения сдвига фаз.

По полученным составляющим С и

$1

С „, используя выражение (4), определяют фазу первой гармоники, которая совпадает с математическим ожиданием сдвига фаз реального процесса.

Рассмотрим применение способа на конкретных примерах.

Допустим, что за время измерения произведено 3600 преобразований в фазовый интервал, диапазон (Т) изме-. рения сдвига Фаз 0-360 разбит на

360 стробов, т.е. к-

;ЕР; =3600, К=360, -0 а сдвиг фаэ между входными сигналами равен нулю.

Результаты расчетов показывают, что при отсутствии шумов способ изме рения дает точный результат при коэффициенте его досповерности равном единице.

Рассмотрим случай, когда на такой сигнал наложен шум такой интенсивности, что значения после преобразования в фазовый интервал попадут в равном количестве не только в нулевой, но и в соседние интервалы-стробы (фиг. 2б)„ т.е.

5 1553921

В соответствии с данным способом находят коэффициенты преобразования

Фурье:

СКО, град.

Средняя фаза, град

40 60 80

0,72

0,72

23

0,72

0,93

22

0,93

43

0,92

0,8

0,5

1,6

0,5

0 5

С = — —,> P. = — — (1200+1200+1200)

1 1 о K (=о 360

= - — (1200. sin(0 )+1200 здп(1 ) +

360

+ 1200.sin(359 )j = О, 1 к1 Т

С = P cos(— -i)

С1= К вЂ” — (1200.cos(C )+1200.cos(1 )+

1 о Р

360

+1200 cos(359 ) ) = 9,998.

Используя полученные значения Со, 25

С, Сс находят фазу сигнала и коэффиС1 циент достоверности полученного результата: с = arctg - О, 1

cñъ

У (Sg) +(С1) Существенное повышение точности измерения сигнала с помощью данного способа измерения сдвига фаэ, включающего операции ДПФ после подсчета числа попаданий в установленные стробы, еще в большей мере проявляется при 40 больших флюктуациях фазы входного сигнала. Экспериментальная проверка показала, что дальнейшее увеличение среднего квадратического отклонения фазы входного сигнала приводит к 45 уменьшению коэффициента удостоверности результата измерения.

В таблице даны погрешности измерения сдвига фаэ высоких гармоник в тяговых сетях переменного тока в диапазоне 180 с помощью цифрового фаэометра, реализующего способ-прототип (верхняя циФра в граФе), и измерительной системы, реализующей данный способ (нижняя цифра). Значение среднего квадратического отклонения (СКО), средней фазы и погрешности измерения даны в градусах.

Как видим, погрешность данного способа практически не зависит от средней фазы и СКО фазы входного сигнала.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг. 2) содержит гейератор 1 импульсов, преобразователь 2

Фазовый сдвиг — интервал времени— код (ПФИК), преобразователь 3 период код (ППК), делитель 4 частоты, анализатор 5 распределения, блок 6 деления на константу, формирователь 7 управляющих сигналов (ФУС), преобразователь 8 Фурье, блок 9 деления и два индикаторных блока 10 и 11.

Первый информационный вход ПФИК

2 подключен к источнику исследуемого сигнала, второй информационный вход— к источнику опорного сигнала, тактовый вход — к выходу генератора 1 импульсов, который через делитель 4 частоты подключен к входу формирователя 7 управляющих сигналов, выход

ПФИК 2 через анализатор 5 распределения и преобразователь 8 Фурье подклю=. чен к информационному входу первого индикаторного блока 10, другие два выхода преобразователя 8 Фурье через блок 9 деления подключены к информационному входу второго индикаторного блока 11, информационный вход ППК 3 подключен к источнику опорного сигнала, другой вход — к выходу генератора

1 импульсов, выход через блок 6 деления на константу подключен к первому управляющему входу анализатора 5 распределения, второй управляющий вход последнего подключен к первому выходу формирователя 7 управляющих сигналов, второй выход которого подключен к управляющему входу преобразователя 8 Фурье, третий выход формирователя 7 управляющих сигналов подключен ко вторым входам индикаторных блоков 10 и 11.

1553921

У стройство работает следующим образом.

Импульсы высокой частоты от генера тора 1 импульсов поступают на вход де лителя 4 частоты. С выхода делителя

4 частоты импульсы, период которых определяет время измерения, поступают

Йа вход (ФУС) 7, вырабатывающего на первом выходе сигнал, управляющий дли-10 тельностью цикла измерения, который поступает на второй управляющий вход нализатора 5 распределения. С второ1 r о выхода ФУС 7 сигнал запуска поступает на управляющий вход преобразователя 8 Фурье, а с третьего выхода

ФУС 7 сигналы управления записью ре зультата в регистры иццикаторных бло ков 10 и 11 поступают на. соответствующие входы управления. 20

За время измерения в каждом пери >де входного и опорного сигналов

ФИК 2 в диапазоне измерения сдвига фаз вырабатывает кодовые. комбинации, пропорциональные мгновенному значе- 25 иию сдвига фаз. Эти значения сдвига фаз поступают на информационный вхоц анализатора 5 распределения, который подсчитывает число попаданий полученных кодов в соответствующие дис- g0 кретные интервалы. При этом размер каждого интервала устанавливается деением кода на выходе преобразоватея 3 с помощью блока 6 деления на кон станту К, задающую число каналов ана изатора 5 распределения:, причем его выходные коды, соответствукицие гистограмме распределения функции плот ности вероятности сдвига фаз в диапа зоне измерения, представляют число вую последовательность, которая под вергается дискретному преобразованию . Фурье преобразователем 8. Код фазы первой гармоники с первого выхода преобразователя 8 передается в первый индикаторный блок и является результатом измерения. В блоке 9 деления определяется отношение амплитуды первой гармоники к величине постоянной составляющей, которое передается на второй индикаторный блок сравнением которого с единицей оценивается достоверность полученного результата. Чем ближе частное к единице„ тем более достоверен результат измерения сдвига фаз.

Формула изобретения

Способ измерения сдвига фаз, основанный на преобразовании сдвига фаз между опорным и измерительным сигналами в фазовый интервал времени и накоплении результатов измерения в течение постоянного измерительного времени, значительно превьш ающего период опорного сигнала, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения достоверности измерений в условиях больших флуктуационных помех, делят период опорного сигнала на К равных частей, формируют соответствующие каждой i-й части периода стробы, фиксируют совпадение конца фазового интервала времени с тем или иным по номеру стробом в течение постоянного измерительного времени, подсчитывают в каждом

i-м стробе число упомянутых совпадений, полученную последовательность числа совпадений подвергают дискретному преобразованию Фурье и определяют сдвиг фаз, как отношение синусной составляющей первой гармоники дискретного преобразования Фурье к ее косинусной составляющей.

1553921

Составитель Ю.Макаревич

Редактор Л.Пчолинская Техред Л.Сердюкова Корректор Н.Ревская

Заказ 454 Тиржк 543 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета ко изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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