Способ измерения фазовых сдвигов между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты

Авторы патента:

Трушкин Александр Николаевич (RU)

G01R25/00 - Устройства для измерения фазового угла между напряжениями или токами (измерение коэффициента мощности G01R 21/00; измерение положения отдельных импульсов в серии импульсов G01R 29/02; фазовые дискриминаторы H03D)

Владельцы патента RU 2642529:

ФГАОУ ВО "Севастопольский государственный университет" (RU)

Предложен способ измерения фазовых сдвигов между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты, обеспечивающий высокую точность измерения за счет использования свойства симметрии гармонического напряжения. Он может быть использован при разработке измерителей фазовых сдвигов различных устройств высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов. Сущность способа заключается в том, что в опорном канале задается время выборки, следующей непосредственно перед переходом напряжения через нуль, измеряется и запоминается напряжение, соответствующее этой выборке. Далее определяется время второй выборки, следующей сразу после перехода напряжения через нуль, соответствующее напряжению, равному с обратным знаком напряжению первой выборки. Время перехода напряжения опорного канала через нуль определяется как среднее арифметическое времени появления первой и второй выборок. Аналогично в измерительном канале задается время первой выборки, следующей непосредственно перед переходом напряжения через нуль, измеряется и запоминается напряжение, соответствующее этой выборке. Далее определяется время второй выборки, следующей сразу после перехода напряжения через нуль, соответствующее напряжению, равному с обратным знаком напряжению первой выборки. Время перехода напряжения измерительного канала через нуль определяется как среднее арифметическое времени появления первой и второй выборок. Искомый фазовый сдвиг между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты определяется как разность между временем перехода через нуль напряжений измерительного и опорного каналов, умноженная на круговую частоту исследуемых сигналов. Технический результат - повышение точности определения фазовых сдвигов между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты. 3 ил.

Способ измерения относится к радиоизмерительной технике, и может быть использован при создании измерителей фазовых сдвигов между двумя гармоническими сигналами.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения фазовых сдвигов между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты.

Сущность способа заключается в том, что в опорном канале задается время выборки t_ОП1, следующей непосредственно перед переходом напряжения через нуль, измеряется и запоминается напряжение e_ОП1(t_ОП1), определяется время выборки t_ОП2, следующей сразу после перехода напряжения через нуль, соответствующее напряжению e_ОП2(t_ОП2), равному напряжению - е_ОП1(t_ОП1), аналогично в измерительном канале задается время выборки t_И1, следующей непосредственно перед переходом напряжения через нуль, измеряется и запоминается напряжение e_И1(t_И1), определяется время выборки t_И2, следующей сразу после перехода напряжения через нуль, соответствующее напряжению e_И2(t_И2), равному напряжению - e_И1(t_И1), а искомый фазовый сдвиг α_x между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты определяется по формуле

где ; для первого квадранта;

для второго и третьего квадрантов; для четвертого квадранта; ω - круговая частота исследуемых сигналов; U_M - амплитуда напряжения на выходе смесителя.

Полученная информация используется для определения фазового сдвига между гармоническими сигналами опорного и измерительного каналов на промежуточной частоте.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при создании СВЧ фазометров для исследования фазочастотных характеристик многополюсников и других радиотехнических устройств.

Известен способ измерения фазовых сдвигов, основанный на измерении среднего значения относительной величины временного сдвига между исследуемыми напряжениями за некоторое время [Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: учеб. пособие. / Ф.В. Кушнир, Савенок В.Г. - Л.: Энергия, 1975. 368 с.].

Недостатком способа является большая погрешность измерения за счет несовершенства формирующих устройств.

Известен способ измерения фазовых сдвигов, основанный на измерении интервала времени между переходами через нуль между исследуемыми напряжениями и определении фазового сдвига между этими напряжениями [SU, авторское свидетельство, 1406511, кл. G01R 25/00, 1988].

Недостатком способа является большая погрешность измерения за счет неточности определения времени между переходами через нуль между исследуемыми напряжениями.

Известен способ измерения фазовых сдвигов [M.F. Wagdy, M.S.P. Lucas «Evvrors in Simpled Data Phase Measurement)) IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, V/I, M-34, N4, December, 1985, p. 507-509] - прототип, основанный на измерении длительности интервалов времени

τ₁=(n₁-1)ΔT+Δt_p1;

τ₂=(n₂-1)ΔT+Δt_p2,

и определении фазового сдвига между исследуемыми напряжениями по формуле

где τ₁ и τ₂ - длительности интервалов времени для первого и второго сигналов соответственно; n₁, n₂ - число выборок сигнала, поступивших с момента начала измерений до момента смены выборки в первом и втором каналах соответственно; ΔT - период дискретизации; Δt_p1 и Δt_p2 - интервалы времени между последней выборкой перед сменой знака и точкой пересечения нулевого уровня.

С учетом формулы (1) абсолютная погрешность измерения фазового сдвига между исследуемыми напряжениями имеет вид

Анализ формулы (2) показывает, что максимальная погрешность δ_ϕmax измерения при Δt_p1, стремящемуся к значению периода дискретизации ΔT, a Δt_р2 к нулю, определяется (фиг. 1) по формуле

Аналогично при Δt_p2, стремящемуся к значению периода дискретизации ΔT, а Δt_p1 к нулю, определяется по формуле

Недостатком способа является большая погрешность измерения за счет неточности определения времени между переходами через нуль исследуемых напряжений.

Пусть частота ω исследуемых напряжений, приблизительно в М раз меньше частоты ω₀ взятия отсчетов. Тогда, например, при ω=20 кГц и М=30 частота ω₀ взятия отсчетов будет равна 600 кГц. При этом период дискретизации

С учетом (2)…(5) получим

Таким образом, погрешность измерения фазовых сдвигов известным способом является достаточно большой. Снижение Δϕ_М за счет уменьшения периода дискретизации ΔT ограничивается быстродействием современных АЦП.

На фиг. 2 представлена структурная схема цифрового фазометра, с помощью которого реализуется предлагаемый способ.

Цифровой фазометр содержит: смесители 1 опорного и измерительного каналов; гетеродин 2; усилители 3 промежуточной частоты (УПЧ); управляемый фазовращатель 4; аналого-цифровые преобразователи 5 (АЦП); генератор стробирующих импульсов 6 (ГСИ); микроЭВМ 7; блок индикации 8 (БИ).

Устройство работает следующим образом.

Сверхвысокочастотные сигналы e_оп(t) и e_из(t) поступают на информационные входы смесителей 1, на вторые входы которых поступает напряжение гетеродина 2. УПЧ 3 осуществляют выделение из спектра преобразованных сигналов полезные составляющие и усиливают их до уровня, соответствующего линейному участку характеристики АЦП 5. Фазовращатель 4 по сигналу с микроЭВМ 7 изменяет фазу проходящего через него сигнала таким образом, чтобы в режиме калибровки дифференциальный фазовый сдвиг между опорным и измерительным каналами стал равным нулю. ГСИ 6 включает АЦП 5 передним фронтом своих импульсов, а задним фронтом приостанавливает его работу, поэтому АЦП 5 преобразуют аналоговые сигналы опорного и измерительного каналов в цифровые эквиваленты только в строго определенное время. МикроЭВМ 7 считывает из регистров памяти АЦП 5 эти цифровые эквиваленты и обрабатывает их по определенному алгоритму. Блок индикации 8 считывает обработанную цифровую информацию и представляет ее на своем экране в виде, удобном для оператора.

Рассмотрим работу фазометра на примере определения времени перехода напряжения

e_ОП(t)=U_Мsin(ωt)

опорного канала через нуль. На первом этапе оператором задается время t_ОП1 первой выборки. На выходе АЦП 5 опорного канала формируется и запоминается в микроЭВМ 7 код, соответствующий напряжению

e_ОП1(t_ОП1)=U_Мsin(ωt_ОП1).

После перехода напряжения опорного канала через нуль микроЭВМ 7 путем анализа поступивших с АЦП 5 опорного канала кодов фиксирует такое время выборки t_ОП2, которое соответствует напряжению

С учетом (7) время выборки t_ОП2 рассчитывается микроЭВМ 7 по формуле

Время перехода через нуль напряжения опорного канала определяется по формуле (фиг. 3)

Аналогично формируется время t_И перехода через нуль для измерительного канала. Однако искомый фазовый сдвиг между напряжениями опорного и измерительного каналов α_X может находиться в пределах 2π≤α_X≤0, поэтому, в зависимости от квадранта, его вычисление проводится по различным формулам. На первом этапе режима измерения оператором задается время первой выборки для напряжения перед его переходом через нуль

При этом напряжение этой выборки определяется формулой

где K_X - модуль коэффициента передачи исследуемого четырехполюсника.

После перехода напряжения измерительного канала через нуль микроЭВМ 7 путем анализа поступившей с АЦП 5 информации фиксирует такое время выборки t_И2, которое соответствует напряжению

С учетом (11) время выборки t_И2 рассчитывается по формулам

для (для первого квадранта)

для (для второго квадранта)

для (третьего квадранта)

для (четвертого квадранта)

Время перехода через нуль напряжения измерительного канала и фазовый сдвиг между напряжениями опорного и измерительного каналов определяется соответственно по формулам

Проведем анализ погрешности измерения фазового сдвига за счет погрешности измерения напряжения выборок.

Из сказанного выше понятно, что время первой выборки, следующей перед переходом напряжения опорного канала через нуль, задается произвольно, поэтому погрешность ее определения будем считать равной нулю. Измеренное значение напряжения опорного канала, соответствующее времени t_ОП1 этой выборки с учетом погрешности его измерения, описывается формулой

где ΔU_ОП1 - абсолютная погрешность измерения напряжения (18).

Соответственно и время t_ОП2 выборки, следующей (по аналогии с формулой (8)) после перехода напряжения через нуль, определяется формулой

Очевидно, что время перехода напряжения опорного канала через нуль с учетом погрешности его измерения определяется выражением

По аналогии с формулой (10) для напряжения выборки, следующей перед переходом этого напряжения через нуль с учетом погрешности его определения, будем иметь

Тогда с учетом (11) можно записать выражение, описывающее напряжение выборки, следующей после перехода напряжения измерительного канала через нуль с учетом погрешности его определения

При этом время выборки, следующей (по аналогии с формулами (12)…(15)) после перехода напряжения измерительного канала через нуль определяется выражениями

для (для первого квадранта)

для (для второго квадранта)

для (третьего квадранта)

для (четвертого квадранта)

Время перехода через нуль напряжения измерительного канала и фазовый сдвиг между напряжениями опорного и измерительного каналов определяются соответственно по формулам:

Выражения для погрешности измерения фазового сдвига с учетом (17) будет иметь вид

Расчеты по формуле (29) показывают, что максимальная погрешность измерения Δα_X в диапазоне фазовых углов 2π<α_X<0 не превышает долей градуса при погрешности измерения напряжения выборок 0,1%.

Таким образом, предложен способ измерения фазовых сдвигов гармонических сигналов одинаковой частоты, обеспечивающий высокую точность измерения. Он может быть использован при разработке измерителей фазовых сдвигов различных устройств высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов.

Способ измерения фазовых сдвигов между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты, основанный на измерении длительности интервалов времени между переходами этих сигналов через нуль, отличающийся тем, что в опорном канале задается время выборки t_ОП1, следующей непосредственно перед переходом напряжения через нуль, измеряется и запоминается напряжение e_ОП1(t_ОП1), определяется время выборки t_ОП2, следующей сразу после перехода напряжения через нуль, соответствующее напряжению e_ОП2 (t_ОП2), равному напряжению - e_ОП1(t_ОП1), аналогично в измерительном канале задается время выборки t_И1, следующей непосредственно перед переходом напряжения через нуль, измеряется и запоминается напряжение e_И1(t_И1), определяется время выборки t_И2, следующей сразу после перехода напряжения через нуль, соответствующее напряжению e_И2(t_И2), равному напряжению - е_И1(t_И1), а искомый фазовый сдвиг α_x между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты определяется по формуле

где ; для первого квадранта;

Группа изобретений относится к измерениям параметров электросетей, в частности к определению фазоров напряжения и тока в электрической сети среднего напряжения точным образом без необходимости в усложненных датчиках, и к определению и мониторингу мощности, развиваемой каждым из проводников, с использованием средств, обычно имеющихся в электрических сетях среднего напряжения.

Фазометр когерентных неэквидистантных импульсов // 2629710

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения доплеровских сдвигов фаз (радиальной скорости объекта) когерентных неэквидистантных импульсов на фоне шума и может быть использовано в радиолокационных и навигационных системах для однозначного измерения доплеровской скорости летательных аппаратов.

Способ автоматизированного определения синфазности или противофазности двух сигналов произвольной формы // 2624988

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам контроля и определения параметров определения синфазности или противофазности двух анализируемых сигналов, например, для фазировки обмоток трансформаторов.

Модулярный измерительный преобразователь // 2619831

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых электрических сигналов эквивалентно позиционному или модулярному представлению.

Способ измерения разности фаз и отношения уровней двух гармонических сигналов // 2618046

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения отношения уровней и разности фаз двух гармонических сигналов. Заявлен способ измерения разности фаз и отношения уровней двух гармонических сигналов, согласно которому измеряют синхронно мгновенные значения двух сигналов через равные промежутки времени.

Цифровое фазосмещающее устройство // 2612055

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к устройствам для задания фазового сдвига электрических сигналов, и может быть использовано в цифровых системах управления полупроводниковыми преобразователями.

Фазометр когерентно-импульсных радиосигналов // 2609438

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения доплеровских сдвигов фаз (радиальной скорости объекта) неэквидистантных когерентно-импульсных радиосигналов на фоне шума; может быть использовано в радиолокационных и навигационных системах для однозначного измерения доплеровской скорости летательных аппаратов.

Способ измерения фазового сдвига фильтра низкой частоты синхронного детектора // 2577828

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения фазового сдвига фильтра низкой частоты синхронного детектора. Сущность изобретения состоит в двукратном измерении напряжения выходного сигнала U1, U2 детектора, получая первоначально значение U1 при модуле разности частот ωпр опорного и информационного сигналов, подаваемых на его входы, равной частоте, на которой необходимо определение фазового сдвига, а затем при изменении одной из входных частот до значения, соответствующего максимальному значению U2 выходного сигнала детектора, фиксируют модуль разности ωр подаваемых при этом на входы частот, с последующим расчетом фазового сдвига φ в соответствии с выражением Неравномерность Δ амплитудно-частотной характеристики детектора сигналов определяется в соответствии с выражением Технический результат заключается в повышении точности измерения фазового сдвига.

Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты // 2551837

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в радиотехнике, метрологии и других отраслях промышленности для прецизионного измерения приращений фазы или разности фаз пары сигналов и их изменения во времени.

Синхронизируемый измеритель фазовых сдвигов // 2551788

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для определения фазового сдвига как синусоидальных сигналов, так и последовательностей импульсов.

Способ измерения разности фаз двух квазигармонических сигналов // 2645440

Изобретение относится к оптике, фотонике и другим областям физики, в которых значимой является задача измерения разности фаз двух сигналов, в частности при измерении расстояний в дальнометрических системах, системах связи, при определении геометрических параметров объектов и т.п. Заявляемый способ измерения разности фаз двух квазигармонических сигналов основан на измерении амплитуд трех сигналов: двух исходных сигналов, фазовый сдвиг которых измеряется, и третьего сигнала, формируемого как сумма двух исходных сигналов. Исходные не искаженные шумом значения этих амплитуд оцениваются известными методами анализа райсовских данных, например, предложенными в патентах РФ 2555501, 2556318, 2556319. Амплитуды трех анализируемых сигналов формируют треугольник, что позволяет рассчитать искомую разность фаз двух сигналов из простых геометрических соображений. Технический результат состоит в существенном упрощении процедуры расчета фазового сдвига двух квазигармонических сигналов и обеспечении высокой точности измерений.