Устройство для определения квадратурного сдвига фаз гармонических сигналов

 

Использование: в измерительной технике в устройствах для определения квадратурного сдвига фаз гармонических сигналов с возможностью различать опережение или отставание по фазе на П/2 и предназначено для преимущественного использования на инфранизких частотах, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и изменяться в широких пределах. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем блок 3 деления, первый 1 и второй 2 входы которого являются входами устройства, блок 4 дифференцирования, включенный между выходом блока 3 и информационным входом блока 8 индикации, последовательно соединенные блок 5 ограничения, блок 6 усреднения, компаратор 7, включенные между выходом блока 3 и управляющим входом блока 8, когда усредненные значения сигнала, частного от деления, равны нулю, определяют знак выходного импульса блока 8 индикации, который и задает знак квадратурного сдвига фаз исследуемых гармонических сигналов. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройством определения соотношения фаз, в частности к устройствам для определения квадратурного сдвига фаз гармонических сигналов с возможностью различать опережение и отставание по фазе на π/2, и предназначено для преимущественного использования на инфранизких частотах, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой, изменяясь в широких пределах.

Известно устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов [1] содержащее три формирователя импульсов, генератор импульсов, счетчик, два регистра и блок сравнения, соединенный с выходом устройства. Это устройство определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов неэффективно на инфранизких частотах и при изменении амплитуд сигналов в большом динамическом диапазоне, так как при этом уменьшается скорость изменения сигнала и возникает погрешность при формировании опорных импульсов. Устройство позволяет определять только знак сдвига фаз двух гармонических сигналов и не определяет наличие квадратурного фазового сдвига.

Известно устройство для определения квадратурных фазовых сдвигов синусоидальных сигналов [2] содержащее последовательно соединенные блок умножения, блок усреднения фильтр и блок индикации, который регистрирует напряжение с выхода блока усреднения фильтра, выделяющего постоянную составляющую напряжения с выхода блока умножения. Квадратурный фазовый сдвиг соответствует отсутствию постоянной составляющей.

На инфранизких частотах, особенно при изменении в большом динамическом диапазоне амплитуд исследуемых сигналов, погрешность определения квадратурных сдвигов значительно возрастает.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по общим используемым признакам является устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов [3] содержащее первую и вторую входные шины устройства, выходную шину устройства, последовательно соединенные блок деления, блок дифференцирования и блок индикации с соответствующими связями. Устройство довольно просто и эффективно на инфранизких частотах при определении знака разности фаз, однако не позволяет определять при этом наличие квадратурного фазового сдвига.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей.

Указанная цель в устройстве для определения квадратурного сдвига фаз гармонических сигналов, содержащем первую и вторую входные шины устройства, выходную шину устройства, последовательно соединенные блок деления и блок дифференцирования, выход которого подключен к первому входу блока индикации, выход которого подключен к выходной шине устройства, первая и вторая входные шины устройства подключены к первому и второму входу блока деления соответственно, достигается тем, что в него введены последовательно соединенные блок ограничения, блок усреднения и компаратор, причем вход блока ограничения подключен к выходу блока деления, а выход компаратора подключен к второму входу блока индикации.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства.

Устройство для определения квадратурного сдвига фаз гармонических сигналов содержит первую и вторую входные шины 1 и 2 устройства, блок 3 деления, блок 4 дифференцирования, блок 5 ограничения, блок 6 усреднения, компаратор 7, блок 8 индикации, выходную шину 9 устройства.

Блоки в устройстве соединены следующим образом. Первая и вторая входные шины 1 и 2 устройства подключены к первому и второму входам блока 3 деления соответственно, причем первый вход блока 3 деления для входного сигнала-делимого, второй вход для сигнала-делителя.

Выход блока 3 деления подключен к объединенным входам блока 4 дифференцирования и блока 5 ограничения. Выход блока 5 ограничения соединен с входом блока 6 усреднения, выход которого подключен к входу компаратора 7. Выход компаратора 7 подключен к управляющему (второму) входу блока 8 индикации, информационный (первый) вход которого подключен к выходу блока 4 дифференцирования. Выход блока 8 индикации подключен к выходной шине 9 устройства.

Суть изобретения заключается в том, что когда усредненные значения сигнала-частного равны нулю, компаратор 7 вырабатывает управляющий сигнал, который позволяет сформировать на выходе блока 8 индикации выходной логический импульс, полярность которого указывает, опережает или отстает по фазе на π/2 сигнал-делимое от сигнала-делителя.

При делении двух гармонических сигналов X(t), Y(t) с круговой частотой w сигнал-частное f(t) представляет собой функцию времени: f(t)=[Asin(ωt+F1)]/[Bsin(ωt+F2)] (1) где F1 и F2 начальные фазы гармонических сигналов X(t), Y(t); А и В амплитуды первого и второго сигналов соответственно.

Функция f(t) периодическая прерывная функция, которая по виду напоминает функцию тангенса или котангенса (на интервале полуволны U_y-делителя).

В случае когда F1 > F2, F2=0, выражение (1) запишем следующим образом для К > 0 при 0<F<π/2 и К < 0 при π/2<F<π: f(t)=K[cosF_о+sinF_оctg(2πt/T)], (2) где T=(2π/ω) - период колебаний; |K|=A/B; F₀ сдвиг фаз между сигналами X(t) и Y(t).

В случае, когда F2 > F1, F1=0, выражение (1) можно записать для K > 0 при -π/2≅ F_о<0 и K < 0 при -π≅F_о<-π/2 f(t)= K{1/[cosF_о+ sinF_оctg(2πt/T)]} (3) Положив F₀=90^o (первый вариант квадратурного сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами), будем иметь следующие значения: sinF₀=0; cosF₀=1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получим соответственно

Положив F₀= -90^o (второй вариант квадратурного сдвига фаз между двумя гармоническими сигналами) будем иметь следующие значения: sinF₀=-1, cosF₀=0. Подставляя их в выражения (2) и (3), получим соответственно

Следовательно, в случае квадратурных сдвигов фаз получим значения f(t) в виде функции тангенса или котангенса, умноженных на соответствующие коэффициенты К, т. е. будем иметь функцию f(t), симметричную относительно момента времени t(o), соответствующего середине рассматриваемого полупериода сигнала-делителя (фиг.2-1). Коэффициент К будет определять лишь наклон функции f(t), площади фигур, ограниченные осью абсцисс и функциeй f(t) сигнала-частного, равные между собой (фиг.2-1).

Среднее значение fc функции f(t) определяют через значение интеграла следующим образом:

где Ty интервал усреднения.

Так как в рассматриваемом интервале времени площади над осью абсцисс и под осью абсцисс равны, а середина этого интервала совпадает с серединой полуволны сигнала-делителя, то среднее значение fc на этом интервале времени равно нулю:

То есть усредненное значение fc функции сигнала-частного для квадратурных сдвигов фаз двух гармонических сигналов равно нулю. Причем усреднять значения можно на большом интервале времени или на сравнительно малом интервале времени, середина которого совпадает с серединой полуволны сигнала-делителя. Когда интервал времени для усреднения гораздо больше, чем полупериод исследуемых сигналов, можно считать, что условие соответствия середин интервалов времени всегда выполняется.

Таким образом, если определять знак сдвига фаз при выполнении равенства (9), то можно установить, опережает или отстает по фазе на π/2 сигнал X(t) от сигнала Y(t).

Устройство работает следующим образом.

Входные сигналы Ux(t) и Uy(t) поступают на первую и вторую входные шины 1, 2 устройства соответственно (фиг.1). Следовательно, напряжение Ux(t) поступает на первый вход, а напряжение Uy(t) на второй вход блока 3 деления. На выходе блока 3 деления получают напряжение U3(t), пропорциональное частному от деления двух напряжений Ux(t)/Uy(t) и изменяющееся на интервале полупериода сигнала-делителя по закону, соответствующему функции тангенса или котангенса. Если сигнал-делимое Ux(t), к примеру, опережает сигнал-делитель Uy(t), то U3(t) имеет вид котангенса (фиг.2-1).

Это напряжение U3(t) поступает на вход блока 4 дифференцирования. На выходе блока 4 дифференцирования получают импульсы напряжений U4 (фиг.2-2), полярность которых определяет знак разности фаз F₀ между исследуемыми сигналами [3] Напряжение U4 поступает на первый вход блока 8 индикации, являющийся для блока 8 информационным входом.

Напряжение U3(t) поступает также на вход блока 5 ограничения, на выходе которого напряжение U3(t) симметрично ограничивается по уровню. На выходе блока 5 ограничения получают напряжение U5(t), абсолютная величина которого |U₅(t)|<U (фиг.2-1). Это напряжение U5(t) поступает на блок 6 усреднения, на выходе которого получают напряжение U6, которое в случае квадратурных фазовых сдвигов будет равно нулю (фиг.2-3). Напряжение U6 поступает на вход компаратора 7, на выходе которого получают управляющее напряжение U7, к примеру, логический "0" при U6=0 и логическая "1" в случае |U₆|>0 Логическая "1" напряжения U7 при отсутствии квадратурного сдвига фаз "закрывает" блок 8 индикации и на его выходе получают напряжение U8=0. Логический "0" напряжения U7 при наличии квадратурного сдвига фаз "открывает" блок 8 индикации и на его выходе формируется импульс напряжения U8="+1", когда напряжение Ux(t) опережает по фазе на π/2 напряжение Uy(t) (фиг.2-4). Соответственно, когда напряжение Ux(t) отстает по фазе на π/2 от напряжения Uy(t), на выходе блока 8 индикации формируется напряжение U8="-1", что определяется при помощи импульсов напряжения U4, поступающих с выхода блока 4 дифференцирования.

Для повышения разрешающей способности следует симметрично ограничивать по уровню сигнал-частное, что уменьшает величину сравниваемых площадей. В этом случае при нарушении симметрии функции f(t) можно получить увеличение чувствительности.

Предлагаемое устройство имеет преимущества перед другими устройствами при различении квадратурных сдвигов по надежности, что особенно проявляется в инфранизкочастотном диапазоне, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь при этом в большом динамическом диапазоне.

Устройство выполнено на стандартных элементах по известным схемам, к примеру, блок 3 деления приведен в [4,а] блок 4 дифференцирования выполнен на ОУ, аналогично [4,б] в качестве блока 5 ограничения можно использовать прецизионный ограничитель, приведенный в [4,в] в качестве блока 6 усреднения можно использовать фильтр нижних частот из [2,б] в блоке 4 индикации для формирования логических выходных сигналов можно использовать компаратор с блокировкой [4,г]
Литература
1. Авт. св. СССР N 1167524, кл. G 01 R 25/00, 1985.

2. Кофлин Р. Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. М. Мир, 1979 (а с. 207-209; б с.64-65).

3. Патент РФ N 2001409, кл. G 01 R 25/00, 1993 (прототип).

4. Алексенко А. Г. Коломбет Е.А. Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М. Сов.радио, 1980 (а с.96-97; б с.82-84; в с.195-196; г с. 168).

Формула изобретения

Устройство для определения квадратурного сдвига фаз гармонических сигналов, содержащее последовательно соединенные блок деления и блок дифференцирования, выход которого соединен с информационным входом блока индикации, выход которого является выходом устройства, а первым и вторым входами являются первый и второй входы блока деления, отличающееся тем, что между выходом блока деления и управляющим входом блока индикации введены последовательно соединенные блок ограничения, блок усреднения и компаратор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2