RU1784099C - Способ определени знака разности фаз двух синусоидальных сигналов - Google Patents

Abstract

Использование: обработка информации в прецизионных измерени х дл  сигналов, измен ющихс  в широком амплитудном.и частотном диапазонах. Сущность изобретени : дел т два исследуемых сигнала друг нч друга, а о знаке разности фаз суд т по характеру изменени  функции-частотного ни временном интервале, не превышающем по длительности 1/2 периода сигнала-делител . 7 ил.

Description

Изобретение относитс  к области измерительной техники, в частности к способам определени  знака разности фаз двух синусоидальных сигналов напр жени  или тока одной частоты и предназначено дл  пре- имущественного использовани  в прецизионных устройствах, обеспечивающих с приемлемой точностью определение знака относительно малых фазовых сдвигов между сигналами инфранизкочастотного диапазона , при этом амплитуды сигналов могут значительно различатьс  между собой и мен тьс  в широких пределах, Известны различные способы определени  сдвига фаз, которые позвол ют также определить и знак разности фаз. Эти способы характеризуютс  значительной сложностью из-за большого количества операций, заключающихс  в формировании дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнении временных интервалов, введении коэффициентов модул ции, коррел ции и т.п. Кроме значительной сложности этих способов возникает погрешность определени  знака разности фаз при малых абсолют- ных Значени х разности фаз, малой амплитуде хот  бы одного из сигналов и в инфранизкочастотной области измерений.

В указанных услови х погрешность определени  знака разности фаз становитс  значительной из-за того, что на ицфрлниз- ких частотах существенно уменьшаетс  скоXI 00

§

о ю

CJ

рость изменени  сигиалсш и врем  срабатывани  пороговых устройств становитс  неоднозначным , причем эта неоднозначность еще больше возрастает при малых значени х амплитуд (или амплитуды хот  бы одного из сигналов) и малых разност х фаз, при этом длительноеги формируемых дополнительных импульсов имеют значительный разброс, что в целом увеличивает погрешность измерени  знака разности фаз.

Известны более простые осциллографи- ческие способы определени  знака разности фаз. Все эти способы основаны на формировании фигур Лиссажу на экраны осциллографа и по качественной оценке расположени  фигуры на экране суд т о знаке разности фазы между исследуемыми сигналами В способе иследуемые сигналы подают каждый па свою пару отклон ющих пластин. Определение знака разности фаз при малых абсолютных значени х разности фаз (ро из-за конечной разрезающей способности осциллографа, определ емой шириной луча затруднено, к тому же при малом значении амплитуды хот  бы одного из сигналов регистраци  исследуемых напр жений будет осуа ествл тьс  на нелинейном участке отклон ющего напр жени , кроме того, погрешность регистрации исследуемых сигналов и соответственно определение знака ро с помощью осциллографа возрастает в инфранизкочастотном диапазоне из-за ограниченности частотнотного диапазона осциллографа.

В способе уменьшена погрешность определени  знака разности фаз за счет формировани  из одного из сигналов пикообразных импульсов и подачи их на модулирующий электрод электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) На экране ЭЛТ будет высвечена точка, по знаку ординаты которой суд т о знаке разности фаз. Однако положение этой точки будет неопределено при сигналах малой амплитуды и инфранизких частот, так как формирование пикообразных импульсов в этом случае представл ет определенные сложности, погрешность определени  знака разности фаз еще более возрастет дл  малых абсолютных значений pQ из-за ограниченной разрешающей способности осциллографа.

Наиболее близким техническим решением к за вл емому по достигаемому оф- фекту  вл етс  способ определени  знака разности фаз, который обеспечивает точ- определени  этого знака не хуже, чем 5 но более простыми средствами

В соответствии с этим способом исследуемые сигналы подают на отклон ющие

пластины ЭЛТ, из одного из сигналов формируют пикообразиые импульсы и также подают их на отклон ющие пластины ЭЛТ. На экране осциллографа образуетс  амплитудна  отметка, по положению которой на оси ординат суд т о знаке фазового сдвига. Этому способу свойственны те же недостатки , что и способу 5, то есть при малых абсолютных значени х разности фаз, инфранизких частотах и малых амплитудах сиг- палов погрешность определени  знака разности фаз значительно возрастает.

Целью изобретени   вл етс  уменьшение погрешности определени  знака разности фаз при малых абсолютных значени х разности фаз и в области инфранизких частот .

Указанна  цель в способе определени  знака разности фаз двух синусоидальных

сигналов, в соответствии с которым осуществл ют взаимодействие-исследуемых сигналов , а знак разности фаз определ ют путем качественной оценки результатов этого взаимодействи , достигаетс  тем, что

один исследуемый сигнал дел т на другой, региструют сигнал-частное, выбирают, по крайней мере, два значени  сигнала-частного на временном интервале, расположенном в пределах половины любого периода

сигнала-делител  и не превышающем по длительности этот полупериод, таким образом , чтобы в пределах этого интервала два выбранных значени  сигнала-частного различались между собой по величине больше

возможной погрешности сравнени  этих значений, и определ ют знак разности фаз сигналов делимого и делител  как положительный , когда значение сигнала-частного в начале выбранного временного интервала в

направлении оси времени больше значени  этого сигнала в конце выбранного интервала , а при обратном соотношении аналогичных величин сигнала-частного - как отрицательный знак разности сдвига фаз

между сигналами делимого и делител .

Фиг.1 -7 иллюстрируют предлагаемый способ.

Существо изобретени  заключаетс  в том, что совершив простейшее действие над

исследуемыми сигналами - деление их друг на друга, можно однозначно определить знак разности фазы сигналов по характеру изменени  временной зависимости-сигна- ла-частното от делени  исследуемых сигналой на полупериоде сигнала-делител , причем в области малых значений гро или р0 ±лг характер этого изменени  выражен четко и никак не зависит от частоты сигналов

За вителю неизвестно техническое решение со сходными признаками, на основании чего можно сделать заключение о существенности отличий за вл емого технического решени . Возможность определени  знака разности фаз по сн етс  графиками функций частного, приведенными на чертежах. При делении двух синусои- дальных сигналов одной частоты сигнал-частное представл ет собой функА slnCmt+yi) где

8цию времени f(t): .-,--,

нw В sin (on

В sin (со t + (pi) &0, фазы двух исследуемых сигналов, а разность фаз между ними + р0 (р (дл  р pi)- Функци  f(t) будет также периодической функцией, но при этом в точках временной оси, соответствующих полупериоду сигнала-делител  функци  f(t) будет принимать бесконечные значени  (тигонометрические выкладки, позвол ющие представить f(t) в виде простой аналитической зависимости, приведены в приложении).

На фиг. 1а, б представлены функции f(t) дл  + /)о ( (pz) и дл  - р0 (f/)i pi). Как видно из зависимостей, представленных на этих фигурах, при положительном знаке разности фаз на интервале в половину периода сигнала-делител  (например интервал , отмеченный точками ц, t2) значени  функции f(t) в начале указанного интервала (и любого другого) превышают значени  этой функции в конце интервала о направлении оси времени (фиг. 1а), а п.ри отрицательном знаке разности фаз значени  функции f(t) в начале интервала ti-t2 меньше , чем в конце этого интервала (фиг. 16).

Характер зависимости f(t) как дл  положительного , так и дл  отрицательного знака разности сдвига фаз сохран етс  при любых соотношени х и значени х разности фаз ра.

Так на фиг. 1а, б представлены зависимости ) дл  р0 -nil и ,f(t) пересекает интервал полупериода сигнала-делител  (ц- t2) пересекает интервал полупериода сигнала-делител  (ti-ta) в его середине в точке to.

На фиг.2а, б представлены зависимости f(t) соответственно дл  р0 -0 (синфазные сигналы) и р0 П (противофазные сигналы) дл  и . Как видно из этих графиков, точка to пересечени  их с временной осью смещаетс  от начала интервала 1И2(фиг.2а) к его концу (фиг. 26).

При значительных различи х А и В измен етс  скорость нарастани  (убывани ) зависимости f(t). На фиг. За, б (дл  /)0 0) представлены зависимости дл  и дл  , соотвественно, (вид зависимости

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

f(t) дл  0 и представлены на фиг.За пунктиром).

Таким образом, при самых различных сочетани х параметров исследуемых сигналов характер зависимостей f(t) дл  + р0 и

сохран етс  на всем полупериоде сиг- пала-делител : убывание функции f(t) на интервале ti-t2 дл  + р0 и возрастание этой функции на этом интервале дл  -(р0, причем даже при визуальном анализе на указанном интервале могут быть выбраны значени  функции f(t) значительно различающиес  между собой, так что разность между этими значени ми будет превышать разрешающую способность выбранного способа определени , т.е. будет больше- возможной ошибки определени .

Заключение о знаке разности фаз может быть сделано по характеру изменени  функции f(t) и на более коротком, чём ti-t2, временном интервале.

На полупериоде сигнала-делител , в пределах которого измен етс  функци  f(t), дл  любых вариантов соотношени  параметров исследуемых всегда может быть выделен временной интервал, где значени  функции f(t) будут либо убывать в направлении временной оси дл  + р0 либо возрастать

-дл  - (р0.

На фиг.4-6 приведены зависимостиf(t) дл  различных вариантов параметров исследуемых сигналов: синфазные -4а, 5а, 6а, б, противофазные 46, 56, а также дл  различных значений сдвига фаз (р0} и коэффиентз К-А/В.

Как видно из графиков фиг. 4-6 достаточно анализировать значени  функций f(t). имеющих либо положительные, либо отрицательные (46) значени , чтобы определить знак разности фаз исследуемых сигналов.

Временной интервал дл  определени  знака разности фаз должен быть выбран таким образом, чтобы на нем можно было выделить два значени  функций f(ti) и f(t2), удовлетвор ющих требованию: |f(ti(-f(t2)| ДЯ (5, где б - погрешность метода, примененного оператором дл  сравнени  двух величин.

При этом непосредственное измерение значений f(t) проводить необ зательно, так как достаточно определить характер изменени  функции f(t) на выбранном временном интервале. В частности при значени х po - П на участки изменени  функции f(t) будут интервалы с резко выраженным градиентом df/clt (в начале ь в конце интервала, фиг. 4а, б), так что здесь не требуетс  конкретного измерени , как дл  плавно измен ющейс  функции (в середине

интервала), а достаточно визуальной оценки характера изменени  функции f(t) на интервале с большим градиентом изменени .

Количественна  оценка возможностей предлагаемого способа была проведена как путем осциллографировани  исследуемых сигналов, так и на компьютере. В персом варианте устройство дл  реализации способа (фиг.7) содержит блок делител  1 и осциллограф 2, вход которого подключен к выходу делител  1, а на два входа последнего подают синусоидальные сигналы x(t) и y(t). В качестве блока делени  был использован цифровой вольтметр В7-23, работающий в режиме блока делени , и выбран осциллограф марки С1-83.

Сигналы x(i) и y(t) имели частоту ,2 Гц и амплитуду, соответственно, мВ и мВ, Сдвиг фаз между сигналами задавалс  с помощью фазосдпигающей ПС-цепи , а сами сигналы формировались из синусоидального сигнала с выхода генератора типа ГЗ-11,0, выходна  амплитуда сигнала 103 мВ делилась в 10 и в 100 раз, соответственно. На фиг. 5а,б приведены результаты определени  знака дл 1у 01 0,6°, на фиг. 6а, б - СО0.

По второму варианту способ был промоделирован на компьютере IBM PC/AT. Синусоидальные сигналы с частотой f-0,2 Гц при частоте дискретизации 200 Гц и амплитудами с условными единицами -10 и 103 моделировались с помощью компьютера со значени ми разности фаз, которые задавал оператор. В соответствии с программой компьютер делил сигналы, и оператор выбирал на экране диспле  удобный дл  оценки характера изменени  функции f(t) временной интервал. Графики имели вид типа представленных на фиг.4 - 6. Анализ большого количества графиков дл  различных сочетаний параметров р0 , К и частоты показал, что знак разности фаз четко определ лс  и при малых значени х разности фаз вплоть до p0l 0,01°, что практически еще возможно при физических измерени х, при этом диапазон частот не имел значени  и в инфранизкочастотной области составл л дес тые доли гц.

Один из лучших на сегодн  цифровой фазометр Ф2-34 позвол ет определ ть и знак разности фаз, но гарантирует возможность определени  до значений р0 0,2° на частоте не ниже 1 Гц. Эффект определени  знака разности фаз столь малой величи- ны D области инфранизкочастотных колебаний и при малой величине хот  бы одного из сигналов достигаетс  за счет того, что в способе не используетс , как в других

известных способах 1 - 3, р д операций,  вл ющихс  источником погрешностей: измерение моментов времени пересечени  сигналами уровн  опорного напр жени ,

сравнение длительностей сформированных импульсов, моделирование м пр.

Предлагаемый способ имеет большое значение по своей простоте и надежности при проведении физических экспериментов , сопровождаемых сейсмическими  влени ми , когда исследуемыми сигналами  вл ютс  электрические аналоги сейсмических колебаний инфранизкочастотного диа- пазона, преобразуемых датчиками в

многоканальной системе измерени , при этом идентификаци  типов волн осуществл етс , в основном, не по частоте, а по фазе, и возможность различать по фазе и знаку разности фаз сигналы близкие по фазе или

различающиес  на 180° увеличивает надежность идентификации, тем более, что сигналы регистрируютс  относительно редко и достоверность обрабатываемой информации имеет большое значение.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ определени  знака разности фаз двух синусоидальных сигналов, в соответствии с которым осуществл ют взаимодействие исследуемых сигналов, а знак разности фаз определ ют путем качественной оценки результатов этого взаимодействи , отнимающийс  тем, что, с целью уменьшени  погрешности определени  знака разности фаз при малых или близких к 180° абсолютных значени х этой разности и в области инфранизких частот, величины одного исследуемого сигнала дел т на величины другого, регистрируют сигнал-частное,

   выбирают, по крайней мере, два значени  сигнала-частного на временном интервале, расположенном в пределах половины любого периода сигнала-делител  и не превышающем по длительности этот полупериод,

   таким образом, чтобы в пределах этого интервала два выбранных значени  сигнала- частного различались между собой по величине не меньше ошибки выбранного метода сравнени  величин этих значений, и

   определ ют знак разности фаз сигналов делимого и делител  как положительный, когда значение сигнала-частного в начале выбранного временного интервала в направлении оси времени больше значени 

   5 этого сигнала в конце выбранного интервала , а при обратном соотношении аналогичных величин сигнала-частного - как отрицательный знак разности сдвига фаз между сигналами делимого и делител .

   а

   б

   а

   fe Г,

   1-/Ч Г01

   Ґ

   1

   .

   .

   /Uz

   -/

   Фие.З

   Фие.5