устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов
Классы МПК: | G01R25/00 Устройства для измерения фазового угла между напряжениями или токами |
Патентообладатель(и): | Келехсаев Борис Георгиевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-02-03 публикация патента:
09.08.1995 |
Применение: изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов одинаковой частоты, при определении знака разности фаз и определении квадрантов измерения, т.е. идентификации
или
и предназначено для преимущественного использования в инфранизкочастотном диапазоне, при этом амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах. Сущность изобретения: устройство содержит блок 1 деления, формирователь 2 импульсов, первый 3 и второй 4 блоки выборки и хранения, блок 5 сравнения, компаратор 6, первую и вторую входные шины, первую и вторую выходные шины с соответствующими связями. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041471/2041471t.gif)
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041471/2041471-2t.gif)
Формула изобретения
1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ ФАЗ ДВУХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, содержащее формирователь импульсов, вход которого соединен с одним из входов устройства, компаратор и блок сравнения, подключенный к первому выходу устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два блока выборки и хранения и блок деления, причем два входа блока деления один для сигнала-делимого, другой для сигнала-делителя подключены к двум входам устройства, выход блока деления соединен с первыми входами первого и второго блоков выборки и хранения, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока сравнения соответственно, первый выход формирователя импульсов соединен с вторым, управляющим, входом первого блока выборки и хранения, второй выход формирователя импульсов с вторым управляющим, входом второго блока выборки и хранения, выход последнего соединен с входом компаратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь импульсов содержит последовательно соединенные фазовращатель, первый компаратор и логический элемент И НЕ, а также второй компаратор, выход которого соединен с входом фазовращателя и подключен к входу формирователя импульсов, выход второго компаратора подключен к первому выходу формирователя импульсов и второму входу логического элемента И НЕ, выход последнего соединен с вторым выходом формирователя импульсов.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов напряжения или тока одинаковой частоты, при определении знака разности фаз Fo и определении квадрантов измерения, то есть идентификацииFo| < 90о или 90о <F| < 180о, и предназначено для преимущественного использования в инфранизкочастотном диапазоне, при этом амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и меняться в широких пределах. Известны различные устройства определения сдвига фаз Fo, которые позволяют определять квадранты измеренияFo| < 90о или 90о <F| <180, а также определять и знак разности фаз [1-3]Такие устройства характеризуются значительной сложностью из-за большого количества вспомогательных устройств и элементов, использующихся для формирования дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнения временных интервалов, определения коэффициентов модуляции, корреляции и осуществления других довольно сложных функциональных преобразований. Кроме громоздкости таких устройств, у них возникают погрешности в определении знака разности фаз при малых фазовых сдвигах, а также кратных 90о, особенно при малой амплитуде хотя бы одного из сигналов, частота которых лежит в инфранизкочастотном диапазоне. В указанных условиях погрешность определения знака разности фаз становится значительной из-за того, что на инфранизких частотах существенно уменьшается скорость изменения сигналов и время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, при этом длительности формируемых дополнительных импульсов имеют значительный разброс, что в целом увеличивает погрешность определения знака разности фаз и квадранта измерения. Известно устройство для определения соотношения фаз, содержащее основные и дополнительные формирователи, два триггера и логические элементы И-НЕ [4]
Устройство характеризуется недостаточной точностью измерения разности фаз при малых амплитудах сигналов в инфранизкочастотном диапазоне при значениях сдвигов фаз близких и кратных 90о, кроме этого нельзя определить квадранты значений фазовых сдвигов. Наиболее близким техническим решением к заявляемому по большему количеству сходных существенных признаков является устройство для определения соотношения фаз между сигналами, содержащее три формирователя импульсов, один из которых является компаратором, подключенных к трем входам устройства, два из которых сигнальные, а третий опорный, счетчик импульсов, генератор, регистры и блок сравнения, подключенный к выходу устройства [5]
Недостатком устройства является значительное возрастание погрешности измерения при малых амплитудах исследуемых сигналов в инфранизкочастотной области и особенно при значениях разности фаз между ними близких к нулю или кратных 90о, кроме этого нельзя идентифицировать квадранты значений фазовых сдвигов Fo. Целью изобретения является уменьшение погрешности с расширением функциональных возможностей. Это достигается тем, что в устройство, содержащее формирователь импульсов, вход которого соединен с одним из входов устройства, компаратор и блок сравнения, подключенный к первому выходу устройства, дополнительно содержит два блока выборки и хранения и блок деления, причем два входа блока деления один для сигнала-делимого, другой для сигнала-делителя, подключены к двум входам устройства, выход блока деления соединен с первыми входами первого и второго блоков выборки и хранения, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока сравнения соответственно, первый выход формирователя импульсов соединен с вторым, управляющим входом первого блока выборки и хранения, второй выход формирователя импульсов соединен с вторым, управляющим входом второго блока выборки и хранения, выход последнего соединен с входом компаратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства; формирователь импульсов содержит последовательно соединенные фазовращатель, первый компаратор и логический элемент И-НЕ, а также второй компаратор, вход которого соединен с входом фазовращателя и подключен к входу формирователя импульсов, выход второго компаратора подключен к первому выходу формирователя импульсов и второму входу логического элемента И-НЕ, выход последнего соединен со вторым выходом формирователя импульсов. На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 функциональная схема формирователя импульсов; на фиг.3 временные диаграммы, поясняющие формирование управляющих импульсов. Предлагаемое устройство содержит блок 1 деления, формирователь 2 импульсов, первый блок 3 выборки и хранения, второй блок 4 выборки и хранения, блок 5 сравнения и компаратор 6. Два входа блока 1 деления подключены к двум сигнальным входам устройства отмечены сигналами Ux(t), Uy(t) на фиг.1. Вход формирователя 2 импульсов подключен к сигнальному входу устройства, на который поступает сигнал-делитель Uy(t). Выход блока 1 деления подключен к первым входам блоков 3 и 4 выборки и хранения. Выходы блоков 3 и 4 выборки и хранения соединены с первым и вторым входом блока 5 сравнения, соответственно. Первый выход формирователя 2 импульсов соединен с вторым, управляющим входом первого блока 3 выборки и хранения. Второй управляющий вход второго блока 4 выборки и хранения соединен с вторым выходом формирователя 2 импульсов. Вход компаратора 6 подключен к выходу второго блока 4 выборки и хранения. Выходы блока 5 сравнения и компаратора 6 соединены с первым и вторым выходами устройства соответственно. Формирователь импульсов содержит фазовращатель 7, первый и второй компараторы 8 и 9, логический элемент И-НЕ 10. Блоки в формирователе 2 импульсов соединены следующим образом. Формирователь 7, первый компаратор 8 соединены последовательно. Вход формирователя 2 соединен с входами фазовращателя 7 и второго компаратора 9. Выходы первого компаратора 8 и второго компаратора 9 соединены с первым и вторым входами логического элемента И-НЕ 10. Выходы второго компаратора 9 и логического элемента И-НЕ 10 соединены с первым и вторым выходами формирователя 2 импульсов соответственно. Устройство работает следующим образом. Синусоидальные сигналы напряжений Ux(t) и Uy(t) поступают на два входа блока деления 1, к примеру, Ux(t) является сигналом-делимым, а напряжение Uy(t) является сигналом-делителем. При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное представляет собой функцию времени:
f(t) [Asin(wt+F1)]/[Bsin(wt+F2)] (1) где Bsin(wt+F2)
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041107/8800.gif)
А и В амплитуды исследуемых колебаний. Функция f(t) будет периодической прерывной функцией, и по виду напоминать функции тангенсов или котангенсов. В случае F1 > F2, F2 0 выражение (1) можно записать следующим образом для K > 0, 0 < Fo <
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041470/928.gif)
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041470/928.gif)
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041470/928.gif)
f(t) K[cosFo + sinFoctg(2
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041470/928.gif)
Fo разность фаз между исследуемыми колебаниями. А в случае F2 > F1, F1 0 можно записать для K > 0,
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041470/928.gif)
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041470/928.gif)
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041470/928.gif)
f(t) K{1/[cosFo + sinFo ctg(2
![устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов, патент № 2041471](/images/patents/431/2041470/928.gif)
Для выражений (2) и (3) в моменты времени, когда вторые слагаемые обращаются в ноль, что имеет место на середине рассматриваемого полупериода сигнала-делителя, по знаку функции f(t) легко определять квадранты значений фазового сдвига Fo: Fo| < 90о при положительном значении f(t);
90о <Fo|< 180о при отрицательном значении f(t). Следовательно, частное от деления двух гармонических сигналов Ux(t) и Uy(t) будет представлять собой периодическую, прерывную функцию, изменяющуюся по закону, близкому к "тангенсу" или "котангенсу", и в зависимости от знака разности фаз исходных сигналов будет представлять собой либо убывающую функцию на каждом полупериоде Т сигнала-делителя Uy(t) для положительной разности фаз, либо возрастающую функцию для отрицательной разности фаз. Приближенность зависимостей обусловлена тем, что в начале и конце каждого полупериода функция сигнала-частного будет иметь не бесконечные, а некоторые конечные значения С1 и С2. Сигнал-частное, напряжение U1 поступает на входы первого и второго блоков 3 и 4 выборки, хранения, которые управляются сигналами напряжения U2-1 и U2-2 с первого и второго выходов формирователя 2 импульсов соответственно, поступающими в определенной временной последовательности. На вход формирователя 2, а следовательно, на вход фазовращателя 7 поступает входное напряжение сигнала-делителя Uy(t). На выходе этого фазовращателя получают синусоидальное напряжение U7, сдвинутое по фазе относительно входного на 90о. Это напряжение U7 поступает на вход первого компаратора 8, на выходе которого получают прямоугольные импульсы напряжения U8, представленные на фиг. 3а. Второй компаратор 9 формирует из входного напряжения сигнала-делителя импульсы первого выходного напряжения U2-1, представленные на фиг.3б. Эти импульсы напряжений U8 и U2-1 поступают на логический элемент И-НЕ, на выходе которого получают импульсы второго выходного напряжения U2-2, представленные на фиг.3в. Прямоугольные импульсы логической единицы первого выходного напряжения U2-1 длительностью в половину периода входного синусоидального сигнала имеют передний фронт, соответствующий началу рассматриваемого положительного полупериода, а начало импульса логического нуля второго выходного напряжения U2-2 соответствует середине того же полупериода сигнала-делителя. Сигнал напряжения U2-1 поступает на второй, управляющий вход первого блока 3 выборки и хранения, и по сигналу логической единицы переводит блок 3 выборки и хранения в режим хранения. На его выходе устанавливается напряжение U3, равное напряжению U1 сигнала-частного, которое она имела в начале рассматриваемого полупериода сигнала-делителя. Это напряжение U3=C1 хранится до конца рассматриваемого интервала времени (фиг.3). Сигнал напряжения U2-2 со второго выхода формирователя импульсов 2 поступает на второй, управляющий вход второго блока 4 выборки и хранения. Сигнал импульса логического нуля этого напряжения U2-2 в момент времени достижения сигналом-делителем своего максимума переводит второй блок 4 выборки и хранения в режим "хранение" фиг.3,в. В это время на выходе первого блока 3 выборки и хранения получают напряжение U3, которое соответствует экстремальному значению напряжения U1 в начале рассматриваемого полупериода сигнала-делителя. Таким образом, в течение времени, соответствующего второй половине рассматриваемого полупериода сигнала-делителя, на первый вход блока сравнения 5 поступает напряжение U3, соответствующее напряжению U1=C1 в начале рассматриваемого полупериода сигнала-делителя, а на второй вход блока сравнения 5 поступает напряжение U4, соответствующее напряжению U1=C2 в середине этого полупериода. Если, к примеру напряжение С1>C2, что соответствует убывающей функции сигнала-частного напряжению U1, следовательно, при положительном знаке разности фаз между сигналом-делимым и сигналом-делителя, то в интервале второй половины рассматриваемого полупериода получают первое выходное напряжение U5=Uвых1 в виде импульса логической единицы. Если С1 < C2, что соответствует возрастающей функции при отрицательном знаке разности фаз между сигналом-делимым и сигналом-делителя, то в интервале второй половины рассматриваемого полупериода получают первое выходное напряжение U5 Uвых1 в виде импульса логического нуля. По сигналам напряжения U2-1, соответствующего логического нуля, и напряжения U2-2, соответствующего импульсу логической единицы, происходит перевод первого и второго блоков 3 и 4 выборки и хранения в режим выборки, после чего цикл измерений повторяется. В момент времени, соответствующего сигналу логического нуля управляющего напряжения U2-2, компаратор 6 формирует второе выходное напряжение устройства U6 Uвых2, которое соответствует знаку напряжения U4, т.е. знаку напряжения U1, которое оно имеет в момент времени, соответствующий середине рассматриваемого полупериода сигнала-делителя. Следовательно, по знаку последовательности импульсов напряжения U6 в интервале второй половины рассматриваемого полупериода судят о значении квадрантов значений разности фаз Fo, к примеру, при положительном значении напряжения U4 определяютFo| < 90о, а при отрицательном значении U4 определяют квадранты значений фазового сдвига Fo, как 90o <F|< 180о. Таким образом, при положительном знаке разности фаз, когда Ux(t) опережает Uy(t), на первом выходе устройства в интервале второй половины рассматриваемого полупериода сигнала-делителя будет последовательность положительных импульсов напряжения U5, как в приведенном примере. При отрицательном знаке разности фаз, т.е. когда Uy(t) опережает Ux(t), выходной сигнал во второй половине рассматриваемого полупериода с первого выхода будет иметь вид отрицательных импульсов напряжения U5. При значениях фазового сдвига Fo между сигналом-делимого и сигнала-делителя, удовлетворяющих условиюFo| < 90о, получают для этого же временного интервала последовательность положительных импульсов напряжения U6 на втором выходе устройства, а при выполнении условия 90о <F| <180, получают последовательность импульсов отрицательной полярности. Таким образом, о знаке разности фаз между исследуемыми сигналами и о квадрантах значений фазового сдвига Fo, судят по полярности последовательности импульсов в одном и том же временном интервале рассматриваемого полупериода сигнала-делителя с первого и второго выходов устройства. Получаемая таким образом информация нужна, к примеру, в цифровых устройствах измерения фазы, и тогда полученные последовательности преобразуют в управляющие импульсы для общей цифровой измерительной схемы. Если эта информация необходима при самостоятельной регистрации, то в этом случае сигналы напряжений со второго выхода формирователя импульсов 2 используют для блокировки выходных каскадов блоков 5 сравнения и компаратора 6 (на схеме устройства не показаны). Тогда полярность последовательности выходных импульсов определяют, например, с помощью индикатора с разнополярным выходным сигналом или используют как логические управляющие импульсы. Заявляемое устройство выполнено на стандартных элементах: блок деления 1 выполнен четырехквадрантным [6a] так как на него поступают сигналы разной полярности и изменяющиеся во времени. Формирователь импульсов 2 может быть построен разными способами, к примеру, фазовращатель 7 аналогично приведенному в [6б] компараторы 8 и 9 приведены в [6в] Логический элемент в виде микросхемы серии 564. Блоки 3 и 4 выборки и хранения представлены в [6г] Блок сравнения выполнен на дифференциальном усилителе, аналогично [6д] Компаратор 6 приведен в [6в]
Заявляемое устройство позволяет определять квадрант значений фазового сдвига Fo и знак разности фаз с высокой разрешательной способностью, где другие устройства работают со значительной погрешностью, а именно в инфранизкочастотной области и при значениях сдвигов фаз, близких или кратных 90о. При этом к точностным характеристикам блоков устройства не предъявляются высокие требования, так как точность определения заложена в способе, которое реализует устройство. При испытании устройства с помощью задающего генератора синусоидальных колебаний низкой частоты и моделирования на персональном компьютере анализ напряжений на выходе блока деления показал, что даже при частотах 0,2 Гц и абсолютном значении разности фаз 0,1о значения С1 и С2 частей сигнала на выходе блока деления отличались между собой не менее, чем на 20% и легко различались. Известное устройство современный цифровой фазометр типа Ф2-34 позволяет определять кроме сдвига фаз и знак разности фазы, но гарантирует сохранение точности измерений до значения сдвига фазыFo| 0,2 o на частоте не ниже 1 Гц.
Класс G01R25/00 Устройства для измерения фазового угла между напряжениями или токами