Способ определения сдвига фаз

Способ определения сдвига фаз

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИК дц G 01 R 25/00 (21) 4775953/2 1 (22) 02.01.90 (46) 30.01 ° 92. Бюл. 1г 4 (71) Отделение новых физических проблем Института проблем материаловедения AH УССР (72) А.М.Гладкий (53) 621.317.77(088.8) (56) Авторское свидельство СССР

М 573771, кл. G 01 R 25/00, 1974, Авторское свидетельство СССР

1г 842624, кл. G О1 R 25/00, 1979. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СДВИГА ФАЗ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь-. зовано в устройствах для измерения разности фаз, малых фазовых сдвигов, фазовых шумов, в фазовых радиотехнических системах. Цель изобретеИзобретение относится к измерительной технике и может бьть использовано в устройствах для измерения разности фаз и фазовых шумов, в фазовых радиотехнических системах и др, Известен способ измерения фазовых сдвигов, основанный на выделении временного интервала, пропорционального двойному фазовому сдвигу, путем интегрирования гармонических сигналов на одном временном участке, причем интегрирование исследуемого сигнала начинают в любой произвольный момент

F10 отношению к опорному и заканчи„,Я0„„! 708766 А 1

2 ния — повышение точности и=.ìåðåíèé.

Способ определения сдвига фаз, заключающийся в том, что понижают с помощью гетеродинного пресбразования частоту входных сигналов, ограничивают их по амплитуде, выделяют из ограниченных по амплитуде сигналов первые гармоники, которые преобразуют в перисдические последсвательности импульсов синусоидальной формы, формируют суперпозицию импульсных последовательностей, выделяют сигнал и-й гармоники и измеряют его амплитуду, а фазовый сдвиг опрелеляют согласно выражению Ч „ =

11

= arcs in < . АП/и, где 4о - и змеряемый фазовый сдвиг, А - амплитуда сигнала и-й гармони ки; n - номер гармоники. 4 ил. вают в моменты равенства нулю интегрированных значений по каждому из гармонических сигналов.

Преимущества способа заключаются в возможности формирсвания сигнала, пропорционального двсйному сдвигу.

Равенство нулю интегральных значений измеряемых сигналов можно записать е, 2

) 0 51пя =О > j О а п(Сд Р1 О °

t о

Если время интегрирования мень ше длительности периода сигналов, то

tz — tg = 2 Ч/Ы

25 з 170876

К недостаткам способа можно отнести необходимость измерения часто. ты сигналов и низкую точность измерений, обусловленную нестабильностями срабатывания .ключей, формирующих моменты начала и конца инте грирования, погрешностями определения нулевых значений интегралов и частоты сигналов.

Известен способ измере.ния изменения сдвига синусоидальных напряжений, заключающийся в формировании последовательностей прямоугольных импульсов, временной сдвиг между

15 которыми пропорционален измеряемому сдвигу фаз, выделении гармоники пов,торения, расположенной в одной иэ зон максимальной чувствительности к изменению временного сдвига и выпрямлении ее, Формировании суперпози,ции последовательностей прямоуголь-! ных импульсов, выделении и выпрям лении гармоники повторения, обла дающей минимальной чувствительно" стью к изменениям длительности импульсов.

Достоинством способа является возможнс сть формирования сигнала, пропорционального кратному фаэовому. сдвигу.

Недсстатком способа является наличие погрешностей измерений, связанных с преобразованием сигналов в последовательности прямоугольных импульсов с временным сдвигом

35 пропорциональным фазовому сдвигу ., При сложении последовательностей импульсов длительностью v и временной задержкой t согласно формулам, приведенным в книге И.С,Гоноровского "Радистехнические цели и сигналы", Н., Сов.радио, 1966 г,,стр.33.

Найдем, что амплитуды спектральных составляющих суперпозиции определяются .выражениями. I

2Е . n3. (t + а) д = - sin — — -= —-"! T n 2. мостью фронтов и длительностей импульсов суперпозиции. Л при выборе гармоник с меньшей чувствительностью к фазовому сдвигу возрастают погрешности, обусловленные нестабильностями формирования импульсных послеловательностей, Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения сдвига Фаз путем гетероидинного понижения частоты входных сигналов, ограничения их по амплитуде, огре" деления фазового сдвига между этими сигналами с усреднением показаний за временной цикл измерения, выделение из ограничейных по амплитуде сигналов посредством фильтрации первых гармоник этих сигналов, преобразования их гетеродинным ме" тодом в сигналы высокой частоты и отфильтрования до определения фазового сдвига.

Преимущество способа заключается в возможности формирования сигналов, разность фаз между которыми пропорциональна кратному сдвигу Фаз.

Однако способу присуща недостаточная точность измерений, обусловленная погрешностями, возникающими за счет комбинацис нных помеховых составляющих.

При гетеродинном повышении час" ,тоты оЗО -<Лр = cO возникает большое количество нежелательных продуктов преобразования, спектральный состав которых определяется видом вольтамперной характеристики смесительного диода и выбором частот Мои LDLL.

Наибольший вклад в погрешность измерений вносят составляющие вида

)>m(0>+ пЫ I= <дс, совпадающие по частоте с частотой выделяемого сигнала сдс, и не поддающиеся отфильтровке. Это, прежде всего, составляющая, возникающая в результате взаимодействия второй гармоники гетеродина с разностной частотой:

4Е . п2 (ь — сз )

А ==- sin

"2 З.п 2

При t л L более чувствительными к

3 фазовому сдвигу будут составляющие

A а при t О - составляющие AnÄ

il2

При выделении в процессе измерений гармоник с максимальной чувствительностью к изменениям Фазового сдвига возникают погрешности измерений, обусловленные соизмери203,+ +p = 2сд + (43o - г) = сЕе амплитула может составлять (10)+(-15) 4 °

Расчет, выполненный по известному методу показывает, что помеха с такой амплитудой и случайной фазой вызывает среднеквадратическую погрешность измерения разности фаз

13+7

8766!

Наряду с этим при выполнении измерений в диапазоне частот возникают также помеховые составляющие по частоте М7 за счет преобразования внизвысших гармоник mQ< и п сдг, Кроме того, прототипу свойственны погрешности, обусловленные нежелательными составляющими на часто- тах несущей 64 и нижней боковой которые в лучшем случае могут быть подавлены в смесителе на (-15)+

+(-20) дБ и требуют дополнительной отфильтровки, а также погрешности, обусловленные шумами дополнительного. гетеродина.

К недостаткам способа следует отнести также сложность аппаратуры, обусловленную необходимостью использования.второго гетеродина и ВЧ фильт ров помех.

Цель изобретения - повышение точности измерения сдвига фаз путем исключения погрешностей, обусловленных комбинационными помеховыми ссставляющими, возникающими при. гетеродинном повышении частоты сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения сдвига фаз путем гетеродинного понижения частоты входных сигналов, ограничения их по амплитуде, выделения посред ством фильтрации первых гармс:ник этих сигналов, вводят следующие операции: первые гармоники ограниченных по амплитуде сигналов преобразуют в периодические последовательности импульсов синусоидальной формы, полученные импульсные последовательности складывают „ отфильтровывают гармонику высокой частоты, измеряют амплитуду гармоники высокой частоты, пропорциональную кратному Фазовому сдвигу.

Благодаря преобразованию гармонических сигналов в периодические последовательности импульсов синусоидальной формы и сложению этих последовательностей образуются высшие гармоники, амплитуда которых пропорциональна фазовому сдвигу,. кратному из- ° меряемому.

Это позволяет исключить погрешность измерений сдвига фаз, свойственные прстотипу, возникающие при гетеродинном повышении частоты сигналов.

На фиг.! изображена функциональная схема устройства, реализую" щего предлагаемый способ, на

Фиг. 2 - осциллограмма сигнала, пре",, обра зова нного в пе риоди чес кую последовательност ь импульсов синусоидал ь" ной формы, на Фиг. За,б - суперпозиция импульсных. последовательностей синоусоидальной формы, на фиг.4спектр импульсной последовательности синусоидальной формы. В центресоставляющая на частоте гетеродина индикатора, вправо и влево от неесоставляющие на частотах сй, 2Ы, ЗсО соответственно р -Mo = 60o, g q o = 1!О

Способ определения сдвига фаз заключается в гетеродинном понижении частоты входных сигналов, ограничений их по амплитуде, выделении первых гармоник ограниченных по амплитуде сигналов, преобразовании их е периодические последовательности импульсов синусоидальной Формы, сложении этих последовательностей импульсов, отфильтровании гармоники высокой частоты и измерении ее амплитуды, Способ может быть реализован, например,. с помощью устройства, блок.схема которого изображена на фиг. 1.

Устройство состоит из гетеродина

3,смесителей 1, 2 фильтров 4 и 5, амплитудных ограничителей 6 и 7, Фильтров 8 и 9, преобразователей 10 и 11, сумматора 12, индикатора !3, Устройство содержит две цепочки последовательно соединенных смесителей и

2, подключенных вторыми входами к общему выходу гетеродина 3, фильтров

4 и 5, амплитудных ограничителей 6 и 7, фильтров 8 и 9, преобразователей 10 и 11, а также сумматор 12 и индикатор 13. При этом первые вхо" ды смесителей 1 и 2 первой и второй цепочек соответственно являются входами устройства, выход преобразователя 10 первой цепочки подключен к первому входу, а выход преобразователя 11 второй цепочки псдключен ко второму входу сумматора 12, подключенному к индикатору 13.

Смесители 1 и 2 предназначены для гетеродинного преобразования вниз частоты измеряемых сигналсв. Для этой .цели могут использоваться балансный микрополосковый смеситель или смесители других типов.

Гетеродин 3 используется в качестве источника сигнала, подаваемОго

1708766 при 0 -Qt -2,, U s in ) t, при - Q3t 6Т

Т

2 на смесители 1 и 2 для транспортирования частоты измеряемых сигналов на промежуточную частоту.

Здесь целесообразно применять ав5 тогенераторы на диодах Ганна „или транзисторные а втогенераторы, перестраиваемы» варакторами или сферами ЖИГ.

В большинстве случаев можно пользоваться стандартными генераторами типа Г4-83, Г4-80 и др, Для отфильтрования измеряемых сигналов, преобразованных на промежуточную частоту используются фильтры 4 и 5,, выполненные в виде LC-Филь т-!5 ров или активных RC-фильтров, печат-, ные гребенчатые фильтры и фильтры других типов.

Амплитудные ограничители 6 и 7 предназначены для уравнивания амплитуд и исключения влияния амплитудных шумов измеряемых сигналов на точность измерения. Схемы и режимы работы транзисторных амплитудных ограничителей и ограничителей других типов изв стны, помощью Фильтров Я и 9 р выпол ненных аналогично Фильтрам 4 и 5, отфильтровываются измеряемые сигналы после амплитудного ограничения. 30

Преобразователи 10 и 11 предназначены для преобразования измеряемых гармонических сигналов в периодические последовательности импульсов синусоидальной Формы с длительностью, равной половине периода, и частотой повторения, равной частоте измеряемых сигналов. Для этой цели могут применяться диодные ограничители, выполненные по последовательным или парал- g0 лельным схемам с нулевым порогом ограничения или усилители-ограничители, работающие с углом отсечки 90

О (режим В).

Преобразователь 10 первой цепочки 45 выполняют в виде ограничителя снизу, а преобразователь 11 второй цепочки в вире ограничителя сверху. В этом

1 гслучае нулевому сдвигу фаз соответствует нулевой сигнал на выходе индикатора

Для исключения искажений формы выходных импульсов необходимо, чтобы постоянная времени преобразователя была много меньше периода сигнала.

Сумматор 12 используется для пре- 5g образования сформированных преобра- зователями 10, 11 импульсных последовательностей в суперпозицию импульсных послеровательностей. Здесь, необходимо применить двухканальный широкополосный полосковый сумматор мощности или широкополосный сумматор другого типа.

Индикатор 13 применяется для измерения и индикации сдвига фаз, и-мерения и индикации пропорциональных кратному фазовому сдвигу амплитуд спектральных составляющих суперпозиции импульсных последовательностей, сформирое1анных сумматором 12, Здесь целесообразно использовать стандартный анализатор спектра (типа СКЧ-56, СКЧ-59 или др.), прокалиброванный непосредственно в градусах, или цифровой вольтметр (например, В7-18) с полосовым йильтром на входе аналогичным по конструкции фильтрам 4 и 5, однако настроенным на одну из высших Гармоник промежуточной частоты. Калибровка индикатора может быть осуществлена, например, с помощью калиброванного Фазовращателя.

Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения сдвига фаз, работает следующим образом, Измеряемые сигналы, поступающие на входы устройства, пс еобразуют с помощью смесителей 1 и 2, гетеродина и фильтров 4 и 5 в сигналы промежуточной частоты с фазовым сдвигом, равным Фаэовому сдвигу Чо измеряемых сигналов. Сигналы промежуточной частоты проходят вначале через ( амплитудные ограничители 6 и 7 с .равными порогами ограничения, а затем чер з фильтры 8 и 9. Выделеq1

1ные фильтрами 8 и 9 сигналы проме/ жуточной частоты равной амплитуды подают на входы преобразователей

10 и ll. Преобразователь 10 путем ограничения снизу осуществляет преобразование гармонического сигнала в периодическую последовательность импульсов, синусоидальной формы положительной полярности с длительностью, равной половине периода, и частотой повторения, равной частоте сигналов промежуточной частоты.1708766

2 Tl. где Т сд

Осцйллограмма преобразователя t фиг.2. Сигнал (1) в виде ряда

Uo(r3 t)

А

+ (А соя(Йй

ni где А, Вп А выходного сигнала

О приведена на можно представить

+ Впзiп пй? t), коэффициенты ряда

Фурье. с

-U; sin {Qt +No) ю U; (ut) -U; sin (iät +Vq) фурье - разложение сигнала (3) аналогично (2) запишется

1 1 . U; (а ) = U, - - + — sin (Qt + 9<>) + ! 7 2 г)

+ < — — — — — cos(2aQt + 2) (4) (2n) -1

С выходов преобразователей 10, 11 сигналы вида (1) и (3) поступают на первый и второй входы соответственно сумматора l2, где преобразуются в суперпозицию импульсных последовательностей. Как следует из (2) и (4) сигнал на выходе сумматора 12 при

Бр = Ui имеет вид

U(gt) = — (sinQt + sin(t3 t +4,)1+

+ — — — — cos(2nQt +гпоо)

ó y(гп} -1 — cos2n63tj (5), После несложных преобразований выражение (5) запишется

4о ц -U(Qt) = U icos — sin(t+ - ) +

2 2

4 1

+ .- l — — — - s in и, s in (2ncDt -n Äj (2n}e — (6)

Из выражения (6) следует, что спектр выходного сигнала сумматора 12 определяется фазовым сдвигом 44. Так, при 4 = О, Б((дс) = inst, а при в= 1T U(Qt) = О. В остальны х случаях в спектре суперпозиции содержатся первая и высшие гармоники, амплитуды которых пропорциональны

После вычислений коэффициентов получим: !!о (+t) Uo {у- + s 1003t

1 1

5 2 1

7 (2 у — cns ?n67t) (2) где n = 1,2...

Сигнал с фазовым сдвигом !Д, поступающий на преобразователь 11, путем ограничения сверху преобразуется в периодическую последователь-, ность импульсов синусоидальной формы отрицательной полярности при О< 07t g» (3) при Чц

Т

Ч о

cos - и sin п, соответственно.

Форма выходных сигналов сумматора 12 для ф = 60 и ч" = 11О приведена на фиг.30 осциллограммы а, б соответственно. Легко видеть также, что если амплитуды сигналов (1) и (3) отличаются, то в спектре суперпозиции (6) возникает постоянная составляющая (!! — U;)/У, которая может быть использована в цепи обратной связи для управления порагом ограничения одного из амплитудных ограничителей 6 и 7 и точного уравниеания амплитуд измерительных сигналов.

С выхода сумматора 12 сигнал (6) поступает в индикатор 13, который осуществляет измерения амплитуды одной из высших гармоник. Спектры сигналов, соответствующие фазовым сдвигам Ц = 60 и 4 = 1100 приведены на фиг.4а, б соответственно. Номер измеряемой высшей гармоники определяется исходя из требований, предьявляемых к чувствительности и точно" сти измерений устройства. Разность фаз о отсчитывается по шкале ин-дикатора, проградуированной (при калибровке) непосредственно в градусах.

Преобразование измеряемых сигналов в суперпозицию разнополярных импульсных последовательностей синусоидальной формы обеспечивает формирование сигналов, пропорциональных кратному фазовому сдвигу, без исполь1708766

12 сования гетеродинного повышения частоты сигналов.

Это позволяет, по сравнению с псототипом исключить погрешности измере5 ний 5 7-13, обусловленные прмехо.выми комбинационными составляющими, и обеспечивает значительное повышение точности измерений.

Кроме того, обеспечивается суще- 1g ственное упрощение устройств, реализующих предложенный способ за счет исключения второго гетеродина и сложных ВЧ фильтров помех, а также уменьшение веса и габаритов устройств. 15

Формула и з о б р е т е н и я

Способ определения сдвига фаз,, заключающийся в том, что понижают с помощью гетеродинного преобразования чрСтоту входных сигналов, ограничивают их по амплитуде и выделяют hepвые гармоники ограниченных по амплитуде сигналов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности определения сдвига фаз, первые гармоники ограниченных по ампли" туде сигналов преобразуют в периодические последовательности импульсов синусоидальной формы, формируют суперпозицию импульсных последовательностей, выделяют сигнал и-й гармоники и измеряют его амплитуду, а фазовый сдвиг определяют согласно выражению Ц= (arcsin 1I/4 Ап):п / где n — номер гармоники, .

А q - амплитуда и-й гармоники, - измеряемый фазовый. сдвиг.

17О8166

Составитель А. Гладкий ,Редактор А.Долинич ТехредП.Сердюкова КорректоР М.Самборская

Заказ 399 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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