Измеритель фазового инварианта

 

Использование: для измерения фазового инварианта тригармонического сигнала при дистанционной диагностике диспергирующих сред электромагнитными и звуковыми волнами. Сущность изобретения: устройство содержит перемножители 1, 2, генератор вспомогательного сигнала 3, квадратурный фазовращатель 4, фильтр нижних частот 5, формирователь параметров эллипса 6, блок обработки 7 с соответствующими связями. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности, к устройствам для измерения параметров сигналов, и предназначено для измерения фазового инварианта тригармонического сигнала. Изобретение может быть использовано при дистанционной диагностике диспергирующих сред электромагнитными и звуковыми волнами.

Известно устройство, в котором из тригармонического сигнала выделяют сигналы на несущей частоте и на каждой из боковых частот. Каждый из сигналов боковых частот перемножают с сигналами несущей частоты, выделяют составляющие результирующих сигналов, частоты которых равны частоте отстройки боковых частот от несущей, и по разности аргументов этих сигналов определяют значение фазового инварианта. Устройство содержит три полосовых фильтра и три перемножителя [1] Недостатком устройства является невозможность реализации высокой точности измерений. Это обусловлено тем, что при реализации уровней амплитуд боковых составляющих, что весьма характерно для тригармонического сигнала, и неидеальном разделении компонент, ошибка измерений пропорциональна степени указанного различия.

Ближайшим аналогом разработанного измерителя фазового инварианта является устройство, известное по [2] обеспечивающее среди известных устройство наиболее высокую точность измерений фазового инварианта тригармонического сигнала. Устройство содержит соединенные по входам полосовой и режекторный фильтры, которые через соответствующие последовательно соединенные смеситель, полосовой усилитель, квадратор и фильтр нижних частот подключены к блоку обработки. Устройство содержит также два генератора вспомогательного сигнала, соединенные с дополнительным смесителем, выход которого через соответствующий полосовой усилитель, квадратор, фильтр нижних частот и квадратурный фазовращатель также подключен к блоку обработки. В этом устройстве осуществляется разделение тригармонического сигнала на сигнал несущей частоты и бигармонический сигнал с частотами боковых составляющих, что позволило исключить погрешность измерений, связанную с неидеальным разделением компонент при различных уровнях амплитуд боковых составляющих.

Недостатком этого устройства является трудность технической реализации, связанная, в частности, с реализацией достаточно широкополосного режекторного фильтра для подавления сигнала нестабильной несущей частоты. Практика показывает, что при центральной частоте тригармонического сигнала, например, 1 5 МГц, ее нестабильность, обусловленная прохождением тригармонического сигнала через турбулентную среду, составляет ±50 250 Гц. Следовательно полоса режекции должна быть не менее 100 500 Гц. В реальных условиях это означает невозможность достижения подавления компоненты на центральной частоте более чем 30 40 дБ. Таким образом погрешность измерений фазового инварианта, обусловленная только этим фактором, будет составлять такую же величину. Кроме того, наличие большого количества нелинейных элементов, работающих на высоких частотах, а также осуществление обработки сигналов на сравнительно высокой промежуточной частоте приводит к возникновению различных комбинационных составляющих. Меры, принимаемые для фильтрации этих составляющих, существенно увеличивают габариты устройства.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание малогабаритного измерителя фазового инварианта, в котором простыми средствами обеспечивается высокая точность измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в разработанном измерителе фазового инварианта реализовано преобразование входного тригармонического сигнала вида: в сигналы, пропорциональные параметрам A, B, C эллипса, который на векторной диаграмме тригармонического сигнала описывает своим концом суммарный вектор (см. фиг. 2). Искомый фазовый инвариант на векторной диаграмме есть угол между большой полуосью эллипса и вектором несущей (ω_o).. Указанное преобразование тригармонического сигнала включает умножение его на сигнал , где . Это позволяет перевести векторную диаграмму тригармонического сигнала в систему координат X, Y, где уравнение эллипса имеет вид: Ax₂ + 2Bxy + Cy₂ + Dx + Ey F, и определить фазовый инвариант Θ через параметры эллипса A, B, C следующим образом: Разработанный измеритель фазового инварианта тригармонического сигнала характеризуется малыми габаритами (приблизительно в 10 раз меньшими, чем ближайший аналог) и обеспечивает высокую точность измерений, он может быть реализован с помощью стандартных средств.

На фиг. 1 приведена структурная схема измерителя фазового инварианта, соответствующая п. 1 формулы изобретения: на фиг.2 векторная диаграмма тригармонического сигнала; на фиг.3, 4 варианты конкретной реализации измерителя фазового инварианта.

Измеритель фазового инварианта по фиг. 1 содержит перемножители 1, 2, соединенные сигнальные входы которых являются входом измерителя, и генератор 3 вспомогательного сигнала. Генератор 3 выполнен в виде генератора, управляемого напряжением, его выход соединен с вторым входом перемножителя 1 через квадратурный фазовращатель 4, а с вторым входом второго перемножителя 2 непосредственно. Выход первого перемножителя 1, соединенный через фильтр 5 нижних частот с входом управления генератора 3, и выход перемножителя 2 подключены к соответствующим входам формирователя 6 параметров эллипса. Три выхода формирователя 6 соединены с блоком 7 обработки.

В частном случае по п. 2 формулы изобретения формирователь 6 параметров эллипса содержит фильтры 8, 9, входы которых соединены, соответственно, с первым и вторым входами формирователя 6. Выходы полосовых фильтров 8, 9 подключены к квадраторам 10, 11 и к соответствующих входам перемножителя 12. К выходу квадраторов 10, 11, а также к выходу перемножителя 12 подключены, соответственно, фильтры 13,14, 15 нижних частот, выходы которых являются соответственно первым, вторым и третьим выходами формирователя 6.

В частном случае по п. 3 формулы изобретения (фиг. 4) формирователь 6 содержит синхронные детекторы 16, 17, 18, 19 и генератор 20 вспомогательного сигнала. Генератор 20 подключен к опорным входам синхронных детекторов 17, 18 непосредственно, а к опорным входам синхронных детекторов 16, 19 через квадратурный фазовращатель 21. Соединенные сигнальные входы синхронных детекторов 16, 17 и синхронных детекторов 18, 19 являются, соответственно, первым и вторым входами формирователя 6. Выходы синхронных детекторов 16, 17, 18, 19 подключены к соответствующим входам вычислителя 22 параметров эллипса. Первый, второй и третий выходы вычислителя 22 являются, соответственно, первым, вторым и третьим выходами формирователя 6.

В конкретной реализации по п. 4 формулы изобретения (фиг. 4) вычислитель 22 содержит квадраторы 23, 24, 25, 26, входы которых являются входами вычислителя 22. Входы квадраторов 23, 26 подключены к соответствующим входам перемножителя 27. Входы квадраторов 24, 25 подключены к входам перемножителя 28. Выходы квадраторов 23, 24 соединены с соответствующими входами сумматора 29. Выходы квадраторов 25, 26 соединены с соответствующими входами сумматора 30, а выходы перемножителей 27, 28 соединены с соответствующими входами сумматора 31. Выходы сумматоров 29, 30, 31 являются, соответственно, первым, вторым и третьим выходами вычислителя 22.

Вычислитель 22 может быть также реализован программным путем с помощью ЭВМ.

Блок 7 обработки по п.5 формулы изобретения (фиг. 3, 4) содержит усилители 32, 33, 34 постоянного тока, входы которых являются входами блока 7 обработки, а их выходы соединены с соответствующими входами арифметического устройства 35. Выход арифметического устройства 35 является выходом блока 7 обработки.

В конкретной реализации по п.6 формулы изобретения арифметическое устройство 35 содержит (фиг. 3, 4) блок 36 вычитания, первый и второй входы которого являются входами арифметического устройства 35, а также делитель 37 напряжения, первый вход которого соединен с выходом блока 36. Второй его вход является третьим входом арифметического устройства 35, а выход выходом арифметического устройства 35.

Генератор 3 предназначен для формирования сигнала на частоте, т.е. на частоте центральной компоненты входного тригармонического сигнала.

Фильтры 5, 13, 14, 15 нижних частот предназначены для подавления составляющих на частотах выше частоты Ω/2π,, где Ω частота отстройки боковых составляющих тригармонического сигнала.

Полосовые фильтры 8, 9 обеспечивают фильтрацию сигнала в полосе .

Синхронные детекторы 16, 17, 18, 19 предназначены для выделения сигналов в полосе Ω/2π - 1/2π·(2ω_o-Ω)..

Генератор 20 предназначен для формирования вспомогательного сигнала на частоте Ω_o..

Коэффициенты K₁ усиления усилителей 32, 33 связаны с коэффициентом K₂ усилителя 34 соотношением K₂/K₁=2.

Измеритель фазового инварианта работает следующим образом.

На вход измерителя поступает тригармонический сигнал вида:
U(t) = A_ocos (ω_ot+ϕ_o)+A₁cos[(ω_o-Ω)t+ϕ₁]+A₂cos[(ω_o+Ω)t+ϕ₂],
где A_o, A₁, A₂- амплитуда, соответственно, центральной и боковых компонент тригармонического сигнала; ω_o, Ω, соответственно, центральная частота и частота отстройки боковых компонент тригармонического сигнала; ϕ_o, ϕ₁, ϕ₂ фаза, соответственно, центральной и боковых компонент тригармонического сигнала.

Сигнал U(t) поступает на первые входы перемножителей 1, 2. Одновременно генератор 3 вспомогательного сигнала формирует сигнал вида:

где Ψ фаза сигнала генератора 3.

Этот сигнал поступает на второй вход перемножителя 2 и на квадратурный фазовращатель 4. С выхода фазовращателя 4 сигнал вида:

поступает на второй вход перемножителя 1.

Сигналы на выходе перемножителей 1, 2, соответственно, имеют вид:

где β₁(2ω_o)·β₂(2ω_o) составляющие, спектр которых сосредоточен в окрестности частоты 2ω_o..

Фильтр 5 нижних частот выделяет из сигнала K₁(t) постоянную составляющую , амплитуда которой пропорциональна разности фаз центральной компоненты входного тригармонического сигнала и сигнала генератора 3. Поскольку генератор 3 выполнен в виде генератора, управляемого напряжением, фаза Ψ сигнала, формируемого генератором 3, под воздействием напряжения A_osin (ϕ_o-Ψ)) изменяется до тех пор, пока не будет выполнено условие Ψ =ϕ_o.. После этого сигналы на выходах перемножителей 1, 2 принимают вид:

где γ₁(2ω_o), γ₂(2ω_o) составляющие, спектр которых сосредоточен в окрестности частоты 2ω_o..

Сигналы K'₁(t) и K'₂(t) поступают на вход формирователя 6, который обеспечивает формирование на выходе сигналов, пропорциональных параметрам A, B, C эллипса.

В частном случае по п.2 формулы изобретения это осуществляется следующим образом.

Полосовые фильтры 8, 9 выделяют переменные составляющие сигналов K'₁(t), K'₂(t), соответственно, и одновременно отфильтровывают составляющие в окрестности частоты.

Сигналы

с выходов фильтров 8, 9 поступают на соответствующие входы перемножителя 12 и на квадраторы 10, 11, соответственно. Сигналы на выходах квадраторов 10, 11 и перемножителя 12 имеют вид, соответственно:



где
δ₁(2Ω), δ₂(2Ω), δ₃(2Ω) составляющие, спектр которых сосредоточен в окрестности частоты 2(Ω).)..

Фильтры 13, 14, 15 нижних частот выделяют постоянные составляющие поступающих на них сигналов. После фильтрации сигналы I₁, I₂, I₃, соответственно, на первом, втором, третьем выходах формирователя 6 пропорциональны, соответственно, параметрам C, A, B эллипса:



В частном случае по п. 3 формулы изобретения (фиг.4) формирователь 6 обеспечивает формирование сигналов, пропорциональных параметрам A, B, C эллипса, следующим образом.

Сигнал K'₁(t) поступает на сигнальные входы синхронных детекторов 16, 17, а сигнал K'₂(t) на сигнальные входы синхронных детекторов 18, 19.

Одновременно генератор 20 формирует сигнал вида:

где γ фаза сигнала генераторов 20.

Сигнал Jx₁(t) поступает на опорные входы синхронных детекторов 17, 18 и на квадратурный фазовращатель 21. С выхода фазовращателя 21 сигнал вида

поступает на опорные входы синхронных детекторов 16, 19. Синхронные детекторы 16, 17, 18, 19 выделяют составляющие в полосе 0-1/2π·Ω, поэтому сигналы на их выходах имеют вид, соответственно:




Сигналы R₁(t), R₂(t), R₃(t), R₄(t) поступают на соответствующие входы вычислителя 22 параметров эллипса. В конкретной реализации вычислителя 22 по п. 4 формулы изобретения сигналы [R₁(t)]² после квадратора 23 и [R₂(t)]² после квадратора 24 поступают на соответствующие входы сумматоров 29, на выходе которого формируется сигнал I₁, пропорциональный параметру C эллипса:
I₁= [A²₁+A²₂-2A₁A₂cos2Θ].
Сигналы [R₃(t)] ² после квадратора 25 и [R₄(t)]² после квадратора 26 поступают на соответствующие входы сумматора 30, на выходе которого формируется сигнал I₂, пропорциональный параметру A эллипса:
I₂= A²₁+A²₂+2A₁A₂cos2Θ.
Сигнал R₂(t)·R₃(t) после перемножителя 28 поступает на первый вход сумматора 31. Сигнал R₁(t)·R₄(t) после перемножителя 27 поступает на второй вход сумматора 31. Сумматор 31 обеспечивает формирование сигнала, пропорционального параметру B эллипса:
I₃= 2A₁A₂sin2Θ.
В блоке 7 обработки (фиг.3, 4) сигналы I₁, I₂, I₃ усиливаются усилителями 32, 33, 34 постоянного тока. На выходе блока 36 вычитания арифметического устройства 35 формируется сигнал
I₂-I₁= 4A₁A₂cos2Θ,
пропорциональный (A-C), который поступает на первый вход усилителя 37. Поскольку коэффициент усиления усилителя 34 вдвое больше коэффициента усиления усилителей 32, 34, на второй вход делителя 37 поступает сигнал 2I₃. На выходе блока 7 формируется сигнал, пропорциональный фазовому инварианту входного тригармонического сигнала:

Формула изобретения

1. Измеритель фазового инварианта, содержащий генератор вспомогательного сигнала, квадратурный фазовращатель, фильтр нижних частот и блок обработки, выход которого является выходом измерителя фазового инварианта, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй перемножители, соединенные первые входы которых являются входом измерителя фазового инварианта, и формирователь параметров эллипса, при этом генератор вспомогательного сигнала выполнен в виде генератора, управляемого напряжением, его выход соединен с вторым входом первого перемножителя через квадратурный фазовращатель, а с вторым входом второго перемножителя непосредственно, выход первого перемножителя, соединенный через фильтр нижних частот с входом управления генератора вспомогательного сигнала, и выход второго перемножителя подключены к соответствующим входам формирователя параметров эллипса, три выхода формирователя параметров эллипса подключены к блоку обработки.

2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что формирователь параметров эллипса содержит первый и второй полосовые фильтры, входы которых соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя, а выходы подключены к соответствующим квадраторам и к соответствующим входам дополнительного перемножителя, к выходу первого и второго квадраторов, а также к выходу дополнительного перемножителя подключены соответственно первый, второй и третий фильтры нижних частот, выходы которых являются соответственно первым, вторым и третьим выходами формирователя.

3. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что формирователь параметров эллипса содержит первый, второй, третий и четвертый синхронные детекторы и дополнительный генератор вспомогательного сигнала, подключенный к опорным входам второго и третьего синхронных детекторов непосредственно, а к опорным входам первого и четвертого синхронных детекторов через дополнительный квадратурный фазовращатель, при этом соединенные сигнальные входы первого и второго, а также третьего и четвертого синхронных детекторов являются соответственно первым и вторым входами формирователя параметров эллипса, а выходы первого, второго, третьего и четвертого синхронных детекторов подключены к соответствующим входам вычислителя параметров эллипса, первые, второй и третий выходы которого являются соответственно первым, вторым и третьим выходами формирователя параметров эллипса.

4. Измеритель по п.3, отличающийся тем, что вычислитель параметров эллипса содержит первый, второй, третий и четвертый квадраторы, входы которых являются входами вычислителя, входы первого и четвертого квадраторов подключены к входам первого дополнительного перемножителя, входы третьего и четвертого квадраторов подключены к входам второго дополнительного перемножителя, выходы первого и второго квадраторов соединены с входами первого сумматора, выходы третьего и четвертого квадраторов соединены с входами второго сумматора, а выходы первого и второго дополнительных перемножителей соединены с входами третьего сумматора, выходы первого, второго и третьего сумматоров являются соответственно первым, вторым и третьим выходами вычислителя параметров эллипса.

5. Измеритель по пп.1 4, отличающийся тем, что блок обработки содержит первый, второй и третий усилители постоянного тока, входы которых являются входами блока обработки, а их выходы соединены с соответствующими входами арифметического устройства, выход которого является выходом блока обработки.

6. Измеритель по п.5, отличающийся тем, что арифметическое устройство содержит блок вычитания, первый и второй входы которого являются входами арифметического устройства, а также делитель напряжения, первый вход которого соединен с выходом блока вычитания, второй его вход является третьим входом арифметического устройства, а выход выходом арифметического устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4