Способ определения сдвига фаз

 

Изобретение относится к радио-, измерительной техршке. Может быть использовано для измерения сдвига фаз зашумленных электрических сигналов в широком диапазоне частот и амплитуд с высокой точностью. Цель изобретения - повышение точности измерения . Предлагаемый способ заключается в следующем. Измеряемый сиг нал ограничивают и затем раздельно перемножают с каждой из выделенных квадратурных составляющих опорного сигнала. Результаты данных произведений накапливают. Цель достигается за счет последовательного усиления и ослабления измеряемого сигнала перед ограничением и определения отношения разности результатов накопления по косинусной составляющей опорного сигнала к разности результатов накопления по синусной составляющей. Устройство, реализующее данный способ , содержит аттенюатор 1, усилители 2 и 6, перемножители 4 и 9, ограничители 3 и 7, преобразователи интервал времени - код 5 и 10, фазосдвигающий блок 8, генератор 11 последовательности импульсов и вычислитель 12. Точность измерения повьшается за счет исключения фазоамплитудной погрешности, вносимой перемножителями . 4 ил. Ф

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„! 285398 А 1 (51) 4 G 01 R 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3899924/24-21 (22} 27.05.85 (46) 23.01.87.Бюл. 11 3 (71) Научно-производственное объединвние "Сибцветметавтоматика" (72) П.А.Лопардин (53) 621.317.77 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 123617, кл. G 01 R 25/00, 1961.

Авторское свидетельство СССР

У 928247, кл. С 01 В. 25/00, 1978. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СДВИГА ФАЗ (57) Изобретение относится к радио-. измерительной технике. Может быть использовано для измерения сдвига фаз зашумленных электрических сигналов в широком диапазоне частот и амплитуд с высокой точностью. Цель изобретения — повышение точности измерения. Предлагаемый способ заключается в следующем. Измеряемый сигнал ограничивают и затем раздельно перемножают с каждой из выделенных квадратурных составляющих опорного сигнала. Результаты данных произведений накапливают, Цель достигается за счет последовательного усиления и ослабления измеряемого сигнала перед ограничением и определения отношения разности результатов накопления по косинусной составляющей опорного сигнала к разности результатов накопления по синусной составляющей.

Устройство, реализующее данный способ, содержит аттенюатор 1, усилители 2 и 6, перемножители 4 и 9, ограничители 3 и 7, преобразователи интервал времени — код 5 и 10, фазосдвигающий блок 8, генератор 11 последовательности импульсов и вычислитель 12. Точность измерения повышается эа счет исключения фаэоамплитудной погрешности, вносимой перемножителями. 4 ил.

1285398

Изобретение относится к радиоиэмерительной технике и может быть использовано для измерения сдвига фаэ зашумленных электрических сигналов в широком диапазоне частот и амплитуд 5 с высокой точностью., Цель изобретения — повышение точности измерения.

Указанная цель достигается путем

10 исключения фазоамплитудной погрешно сти, вносимой перемножителями. Инструментальная погрешность операции перемножения образуется за счет различного времени срабатывания логичес15 кого перемножителя по переднему и заднему фронту сигнала. Абсолютная величина этой погрешности зависит от быстродействия логического перемножителя.

На фиг.1 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие возникновение. погрешности перемножителя; на фиг.2 - реальные и идеальные фаэовые характеристики перемножителей; на 25 фиг. 3 — структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 4 — временные диаграммы выходных сигналов генератора последовательностей импульсов. 30

Устройство (фиг. 3) содержит аттенюатор 1, первый усилитель 2, первый ограничитель 3, первый перемножитель 4, первый преобразователь 5 интервал времени - код, второй усили-35 тель б, второй ограничитель 7, фазосдвигающий блок 8, второй перемножитель 9, второй преобразователь 10 интервал времени — код, генератор 11 последовательности импульсов, вычис- 4р литель 12, причем выход аттенюатора

1 соединен последовательно с первым усилителем 2 и ограничителем 3, выход первого ограничителя 3 соединен с первыми входами первого 4 и второ- 45

ro 9 перемножителей выход второй последовательной цепочки, состоящей из усилителя б и ограничителя 7,соединенного с вторым входом перемножиЪ теля 4 и входом фазосдвигающего бло- 50 ка 8, выход которого соединен с входом перемножителя 9, выходы первого

4 и второго 9 перемножителей соединены соответственно с первыми входами преобразователей 5 и 10 интервал времени — код, два выхода генерато" ра последовательностей импульсов соединены с двумя вхбдами управления преобразователей 5 и 10 интервал времени — код, третий выход генератора 11 последовательности импульсов соединен с входом управления аттенюатора 1, четвертый выход генератора

11 последовательности импульсов соединен с первым входом вычислителя 12, второй и третий входы которого соединены с выходами преобразователей 5 и 10 интервал времени — код.

Способ осуществляют следующим образом.

Измеряемый сигнал подают на вход аттенюатора 1, который в исходном состоянии имеет нулевое затухание.

Это исходное состояние задают при помощи генератора 11 последовательности импульсов, работа которого описывается временными диаграммами, представленными на фиг,4. Так, на диаграмме IV сигналу с нулевым уровнем соответствует нулевое затухание аттенюатора, а сигналу с уровнем

"1" соответствует определенное выбранное затухание (например,20 дБ).

Сигнал с выхода аттенюатора 1 усиливают и ограничивают при помощи усилителя 2 и ограничителя 3.

Опорный сигнал, который обычно значительно большей амплитуды, чем измеряемый, также подвергают усилению и ограничению. Оба ограниченных сигнала перемножают на перемножителе 4. Временная диаграмма сигнала на выходе перемножителя 4 представлена эпюрой (на фиг. Ц. Результат перемножения заключается в скважности прямоугольного сигнала, Поэтому далее с помощью преобразователя 5 интервал времени - код, которым осуществляют подсчет импульсов своего внутреннего генератора, совпавших с сигналом за время измерения T производят интегрирование.

Время измерения задают в соответствии с эпюрой V на фиг.4 при помощи генератора 11 последовательностей импульсов, Для приведения счетчика в преобразователе интервал времени— код в начальное состояние используют сигнал "Сброс" необходимой длительности Т, который формируют генератором 11 последовательностей импульсов (фиг,4, эпюра Vill).

3а первое время измерения на выходе преобразователя 5 интервал времени — код получают код, соответствующий А, по формуле (5). (2) 1 9, cos Ð

= -kq sing, А>

Ад

3 12853

Ограниченный опорный сигнал пода-. ют на фазосдвигающий блок 8, при помощи которого производят сдвиг фазы на 7i/2. Работа перемножителя 9 и преобразователя 10 интервал — код пол5 ностью аналогична уже описанной работе перемножителя 4 и преобразователя 5 интервал времени — код.Код, полученный на выходе преобразователя 10 интервал времени — код за пер- 10. вое время измерения, будет соответствовать А „ по формуле (5).

Считывание кодов преобразователей

5 и 10 интервал времени — код в вычислитель 12 производят по сигналу 15 генератора 11 последовательностей импульсов в соответствии с эпюрой

Vl1 на фиг. 4. Длительность этого сигнала Т, выбирают достаточной для надежного считывания обоих кодов. 20

В вычислителе 12 производят запоминание кодов за первое время измерения. Аттенюатор 1 при помощи сигнала генератора 11 последовательностей импульсов переключают в положение,соат- 25 ветствующее некоторому затуханию. Величина затухания может быть выбрана в очень широких пределах (от нескольких раз до бесконечности). Проводят дополнительное измерение, в резуль- 30 тате которого получают коды, соответствующие величинам А и Ас1 по з2 формуле (6) .

Вычисление сдвига фаз в вычислителе 12 производят по формуле (7), 35 учитывающей первые запомненные результаты А, и Аз1 и дополнительно полученные результаты А > и А .

Разность задержек по фронтам

41 и. л = i10 - „ зависит от индивидуаль- 40 ных свойств логического перемножителя и приводит к смещению уровня постоянной составляющей выходного сигнала перемножителя. Средняя величина смещения уровня постоянной сос- 45 тавляющей при единичных амплитудах ограниченных сигналов выразится следующим образом:

98 4

Величина п зависит от частоты сигнала, полосы частот шума и от отношения сигнал/шум q .

Средняя величина полезного результата на выходе перемножителей синусного и косинуснога канала выражается где k — безразмерный коэффициент, зависящий от q „(ïðè

q (< 1, k 0,5); Р— искомый сдвиг фаз.

Тогда на выходах накопителей результатов логического перемножения эа время измерения получим

Ти1„(kq соз ф + п1 + 0 5)

Т и (-1ся si>g + тм с+ Ов5) q (3) г где Ь S — разность задержек по фронтам для перемножителя синусного канала; (\

d L с в разность задержек по фронтам для перемножителя косинусного канала.

Слагаемое, равное 0,5, образуется за счет перемножения однополярных логических (от О до 1) сигналов.

Пример реальных (1,11) и идеальньпс (ill,lV) характеристик перемножителей при q« 1 приведен на фиг,2.Вычисление искомого сдвига фаз производится по формуле агс а (— -А — — — — — — )

А с — Од5 Тир

А — 0,5 Ти м(4) Обозначим фазу паразитного сигнала через

Тогда с учетом погрешностей перемножителей (3) реальные результаты накопления в синуснам и косинусном каналах выразятся следующим образам: п э+

50 (l) N:hi п6Ф

Иуч

U с

ndlс+ (5) где N — число парных нуль-переходов смеси измеряемого сигнала и шума за время изме- 55 рения Т„,„, средняя частота нуль-переходов смеси измеряемого сигнала и шума.

Asq = Тн м (kq, cosP+

+ 0,5 + 1с(1 cosy)„)

A« = T„»(kq з пФ+

+ 0,5 — kq„sin g).

В соответствии с предлагаемым способом необходимо запомнить А и

Ас>, После ослабления измеряемого сигнала B ш раз проводят дополнитель. ное измерение и получают

1285398

+ 0,5 + kq„cost„); (6) + 0е5 kqn sin n) 5

А Т (- - cos++ nh + Яс

З2 ир 5

А - Т (- - sing+ паi+

ka с2 и м m с

Искомый сдвиг фаз находят по следующей формуле:

Q arctg (— - — — — ). (7)

А Ас

Ag - Asg

Подстановка формул (6) и (5) дает ничиваются воздействием рассмотренrx погрешностей.

Благодаря введению операций усилия измеряемого сигнала перед его ограничением, запоминанию результатов накопления, ослаблению измеряемого сигнала, проведению дополнительного измерения и вычисления сдвига фаз по запомненным и дополнительно полученным результатам устраняются два вида погрешностей, свойственных основному способу, Это позволяет получить повышение точности при измерении

15 ш-1 а и м "qc(ш

=М

TM k-q<(- — ) cosy(8)

Анапиз проведенных операций показывает, что предлагаемый способ поз воляет скомпенсировать погрешность перемножения и погрешность, обусловленную паразиткой связью между квадратурными составляющими опорного сигнала и входом усилителя измеряемого сигнала. Возникающее при этом уменьшение сигнальной составляющей в

m-1 30 раз может быть сделано незначиШ тельным за счет выбора величины m (практически во многих случаях достаточно, чтобы m ) 3) ° Компенсация погрешностей позволяет повысить чувст- 35 вительность .и точность, которые ограФо р мул а и з о б р е т е ни я

Способ определения сдвига фаз,заключающийся в том, что измеряемый сиг нал ограничивают, перемножают раздельно с каждой из выделенных квадратурной составляющей опорного сигнала и также раздельно по каждой составляющей накапливают, результаты перемножения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измеряемый сигнал перед ограничением усиливают, запоминают результаты накопления, ослабляют измеряемый сигнал и вновь получают результаты накопления, затем находят арктангенс отношения разности результатов накопления по косинусной составляющей опорного сигнала к разности результатов накопления по синусной составляющей.

1285398

Составитель Шубин

Техред И.Попович Корректор M.Äåì÷èê

Редактор С.Пекарь

Заказ 7639/47

Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4