RU2000579C1 - Устройство дл определени знака разности фаз - Google Patents

Abstract

Использование: измерительна  техника , определение знака разности фаз двух синусоидальных сигналов. Сущность изобретени , устройство содержит блок делени , формирователь импульсов, амплитудный детектор, блок выборки-хранени , блок сравнени , 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к устройствам оп- ределени  знака разности фаз двух синусоидальных сигналов напр жени  или тока одной частоты, и предназначено дл  преимущественного использовани  в прецизионных устройствах, обеспечивающих с приемлемой точностью определение знака при малых или близких 90° и 180° абсолютных значени х этой разности в инфранизко- частотном диапазоне, при этом амплитуды сигналов могут значительно различатьс  между собой и мен тьс  в широких пределах .

Известны различные устройства определени  сдвига фаз, которые позвол ют также определ ть и знак разности фаз 1. 2, 3. Такие устройства характеризуютс  значительной сложностью из-за большого количества вспомогательных устройств и элементов, использующихс  дл  формировани  дополнительных импульсов в определенные моменты времени, сравнени  временных интервалов определени  коэффициентов модул ции, коррел ции и осуществлени  других функциональных преобразований.

Кроме значительных трудностей по изготовлению и настройке возникают погрешности определени  знака разности фаз при малых сдвигах и близких 90°, 180° их абсолютных значений, а также при малой амплитуде хот  бы одного из сигналов, частота которых лежит в инфранизкочастотном диапазоне

В указанных услови х погрешность определени  знака разности фаз становитс  значительной из-за того, что на инфраниз- ких частотах существенно уменьшаетс  ско- рость изменени  сигналов и врем  срабатывани  пороговых устройств становитс  неоднозначным, причем эта неодною о о о

СП VI

ю

О

значность еще более возрастает при малых значени х амплитуд (или амплитуды хот  бы одного из сигналов), и разност х фаз, кратных 90°, при этом длительности формируемых дополнительных импульсов имеют значительный разброс, что в целом увеличивает погрешность измерени  знака разности фаз.

Известно устройство 4, более простое по конструкции, содержащее основные и дополнительные формирователи, два триггера и логические элементы И-НЕ.

Устройство характеризуетс  недостаточной точностью измерени  разности фаз при малых амплитудах сигналов в инфра- низкочастотном диапазоне при значени х сдвигов фаз, близких и кратных 90°.

Наиболее близким техническим решением к за вл емому по большему количеству сходных существенных признаков  вл етс  устройство дл  определени  знака разности фаз 5, основанное на измерении фазового сдвига .с помощью цифровых кодов , содержащее три формировател  импульсов , подключенных к трем входам устройства, два из которых - сигнальные, а третий - опорного сигнала, счетчик импульсов , генератор, регистры и блок сравнени  подключенный к выходу устройства.

Недостатком устройства  вл етс  значительное возрастание погрешности измерени  при малых амплитудах исследуемых сигналов в инфранизкочастотной области и особенно при значени х разности фаз между ними, близких к нулю или кратных 90°.

Этот недостаток свойственен всем устройствам порогового типа, принцип работ ы которых основан на сравнении исследуемого напр жени  с порогом, и погрешность обусловлена неопределенностью времени срабатывани  соответствующих блоков устройства при работе в указанных услови х.

Целью изобретени   вл етс  уменьшение погрешности определени  знака разности фаз в области инфрэнизких частот и абсолютных значени х разности фаз, близких к значени м,кратным 90°

Цель достигаетс  тем, что устройство дл  определени  знака разности фаз. содержащее формирователь импульсов, подключенный к одному из сигнальных входов устройства, и блок, сравнени , выход которого  вл етс  выходом устройства, дополнительно содержит блок делени . амплитудный детектор и устройство выборки и хранени , причем два входа делени  - один дл  сигнала-делимого, другой дл  сигнала - делител  - подключены к двум входам устройства и к входу сигнала-делител  подключен вход формировател  импульсов.

выход блока делени  соединен с входами амплитудного детектора и устройства выборки и хранени , а выходы двух этих блоков подключены к двум входам блока

сравнени , соответственно управл ющие входы устройства выборки и хранени , амплитудного детектора и блока сравнени  под- ключены, соответственно к первому, второму и третьему выходам формировател  импульсов, формирователь импульсов содержит фазовращатель, первый и второй компараторы и две логические схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и И-НЕ, причем фазовращатель и первый компаратор

подключены к сигнальному входу формировател  импульсов, выход фазовращател  соединен с входом второго компаратора, выход последнего подключен к первому выходу формировател  импульсов, к первому

входу логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к первому входу логической схемы И-НЕ, выход первого компаратора подключен к второму входу логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, ее выход подключен к

второму выходу формировател  импульсов и к второму входу логической схемы И-НЕ, выход которой подключен к третьему выходу формировател  импульсов.

Функциональна  схема устройства

представлена на фиг. 1, функциональна  схема одно из блоков устройства - формировател  импульсов - представлена на фиг. 2; временна  диаграмма работы устройства представлена на фиг 3.

Устройство содержит блок 1 делени , формирователь 2 импульсов, амплитудный детектор 3, устройство 4 выборки и хранени , блок 5 сравнени .

Два входа блока 1 делени  подключены

к двум сигнальным входам устройства - отмечены сигналами Ux(t), Uy(t) на фиг. 1. Вход формировател  2 импульсов подключен к сигнальному входу устройства, на который поступает сигнал-делитель Uy(t). Выход блока 1 делени  подключен к входу амплитудного детектора 3 и к входу устройства 4 выборки и хранени , выходы последних подключены к двум ходам блока 5 сравнени . Управл ющие входы 3, 4 и 5 блоков

подключе ы соответственно к первому, второму и третьему выходам формировател  2 импульсов

Формирователь 2 импульсов содержит

фазовращатель б, первый компаратор 7,

5 второй компаратор 8. логическую схему ИСКЛЮЧАЮЩРЕ ИЛ И 9. логическую схему ИНЕ 10.

Вход фазовращател  б подключен к сигнальному рходу Формировател  2 импуль- сон отмечен сигналом-делителем Uy(t) (фиг.

2). К этому же входу подключен вход первого компаратора 7. Выход фазовращател  б подключен к входу второго компаратора 8, выход последнего подключен к первому выводу формировател  2 импульсов, к первому входу схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 и к первому входу схемы И-НЕ 10. Выход первого компаратора подключен к второму входу схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. ее выход подключен к второму выходу формировате- л  2 и к второму входу схемы И-НЕ 10. выход которой подключен к третьему выходу формировател  2 импульсов.

Устройство работает следующим образом .

Синусоидальные сигналы Ux(t) и Uy(t) поступают на два входа блока 1 делени  и одно из них, например Ux(t),  вл етс  делимым, а второе - Uy(t) - делителем.

Частное от делени  сигналов Ui будет представл ть собой периодическую функцию , измен ющуюс  по закону, близкому к тангенсу или котангенсу и в зависимости от знака разности фаз исходных будет представл ть собой либо убывающую функ- цию на каждом полупериоде Т0 сигнала де- лител  Uy(t), как на фиг. 3.1 дл  положительной разности фаз, либо возрастающую функцию дл  отрицательной разности фаз. Приближенность зависимостей обусловлена тем, что в начале и конце каждого полупериода функции будут иметь не бесконечные, а некоторое конечное значение А.

Сигнал Ui поступает на амплитудный детектор 3 и на устройство 4 выборки и хранени , которые управл ютс  сигналами с формировател  2, поступающими в определенной временной последовательности. Третий сигнал с формировател  2 падает на управл ющий вход блока 5 сравнени .

Управл ющие сигналы с трех выводов формировател  2 представлены на фиг. 3.3, 3.4,3.5.

На вход формировател  2 поступает входной сигнал-делитель Uy(t), который подаетс  на вход фазовращател  6 и на вход первого компаратора 7. Фазовращатель 6 сдвигает входной сигнал на угол п /2, и этот сигнал с его выхода поступает на вход второго компаратора 8. На выходах компараторов 7 и 8 получают пр моугольные логические импульсы длительностью Т0 в половину периода синусоидального сигна- ла, сдвинутые друг относительно друга на л /2 - сигналы Uy и Ue на фиг. 3.2 и 3.3.

Сигнал Ua поступает на первый выход формировател  2 и подаетс  на управл ющий вход устройства 4 выборки и хранени ,

Сигнал Ue в течение 1/2 периода в первой и последней четверт х нулевого периода сигнала-делител   вл етс  сигналом нулевого уровн  и одновременно сигналом дл  режима выборки блока 4 выборки и хранени  информации, друга  часть сигнала во второй и третьей четверт х периода сигнала-делител   вл етс  сигналом, осуществл ющим режим Хранение - фиг 3.3

Сигналы U и Ue поступают на логическую схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9, котора  формирует сигнал Ug (фиг. 3,4) в виде логических единиц в каждых первой и третьей четверт х периода, когда совпадают логическа  1 и логический ноль сигналов U и Ue соответственно; во второй и третьей част х периода на выходе схемы 9 формируетс  логический О, Сигнал с выхода схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9 поступает на второй выход формировател  2 и подаетс  на управл ющий вход амплитудного детектора 3.

На два входа логической схемы И-НЕ 10 поступают сигналы Us и Ug, из которых на ее выходе формируетс  разрешающий сигнал логического О в третьей четверти каждого периода, когда сигналы Us и Ug имеют логическую 1.

Сигнал логического О (напр жение Uio на фиг. 3.5) обозначен Измерение.

Сигнал с выхода схемы И-НЕ 10 поступает на третий выход формировател  2 и подаетс  на управл ющий вход блока 5 сравнени 

При поступлении сигнала Ua в виде логического О с первого выхода формировател  2 на управл ющий вход УВХ 4 в первую четверть периода осуществл етс  режим выборки и на выходе УВХ 4 идет повторение сигнала Ui (фиг. 3.6, напр жение Щ). В течение второй и третьей четвертей периода сигнал Ue принимает значение логической 1 и осуществл етс  режим хранени , т. е. в течение этого времени на выходе УВХ 4 будет сохран тьс  напр жение, которое было на его выходе в конце первого периода, например, величиной В (фиг. 3.6). В четвертой четверти периода УВХ 4 снова глотает в режиме выборки и на его выходе повтор етс  напр жение Ui (сигнал U4 на фиг. 3.6).

В следующий период повтор етс  аналогичный режим работы УВХ 4.

Когда сигнал Ug с второго выхода формировател  2 равен логической 1 в первой и третьей четверт х периода, то при поступлении его на управл ющий вход амплитудного детектора 3 последний осуществл ег детектирование сигнала Ui и на выходе амплитудного детектора 3 будет в эти четверти периода поддерживатьс  сигнал, равный амплитуде А сигнала Ui и сохран ющий знак этого сигнала, а во второй и четвертой четверт х периода, когда Us равно логическому О, происходит сброс выходного напр жени  блока 3, как показано на фиг. 3, 7. напр жение Ua.

При поступлении управл ющего сигнала Uio с третьего выхода формировател  2 импульсов на блок 5 сравнени  происходит сравнение сигналов в третьей четверти каждого периода, когда напр жение Uio соответствует логическому сигнала Уз амплитудой А с выхода амплитудного детектора 3 и сигнала 1/4 с выхода УВХ 4, амплитуда которого в третьей четверти периода равна В.

Блок сравнени  выполнен как дифференциальный усилитель, поэтому на его выходебудетформироватьс  последовательность импульсов положительной пол рности при . как в рассматриваемом примере (фиг. 3.8, сигнал .Us). Дифференциальный усилитель, на котором построен блок 5 сравнени , блокируетс  в трех остальных четверт х периода (первом, втором и четвертом), когда сигнал Uio соответствует логическому О.

Таким образом, при положительном знаке разности фазы, когда Ux(t) опережает Uy(t), на выходе устройства будет последовательность положительных импульсов, как в выше приведенном примере. При отрицательном знаке разности фаз. т. е. когда Uy(t) опережает Ux(t), выходной сигнал блока 1 делени  Ui1 будет иметь форму, приближающуюс  к тангенсу, (фиг. 3.9) и дл  этого варианта работы устройства сигналы с выходов блоков 4 и 3 будут иметь противоположное соотношение 1М и.з (в первом примере ) (фиг. 3.10, 3.11 соответственно ). В этом рассматриваемом случае В А и дифференциальный усилитель блока 5 сравнени  будет формировать импульсы отрицательной пол рности н каждой третьей четверти периода (фиг. 3.12, напр жение Us).

Таким образом, о знаке разности фаз между сигналами суд т по пол рности выходной последовательности импульсов.

Информаци  о знаке разности фазы нужна либо в устройствах измерени  фазы и тогда полученные последовательности преобразуют в управл ющие импульсы дл  общей измерительной схемы, либо эта информаци  необходима дл  самосто тельной регистрации, в этом случае пол рность последовательности импульсов может быть

определена, например, с помощью стрелочного прибора с нулем по середине шкалы или при цифровой регистрации эти последовательности могут быть использованы как

логические управл ющие импульсы.

Все блоки устройства могут быть выполнены на стандартных микросхемах и все устройство в целом занимать плату размером 100x200 мм.

За вл емое устройство, основанное на принципе логической обработки сигнала, полученного от делени  искомых сигналов, и формировани  на выходе последовательностей сигналов двух видов, позвол ет определ ть знак разности фаз с высокой точностью в област х, где другие устройства работают со значительной погрешностью, а именно в инфранизкочастотной области и при значени х сдвигов фаз, близких или

кратных 90°. При этом к точностным характеристикам блоков устройства не предъ вл ютс  высокие требовани , так как точность определени  заложена в принципе , на котором основано устройство.

При практическом испытании устройства с помощью задающего генератора синусоидальных колебаний низкой частоты и последующем моделировании на компьютере анализ напр жений на выходе блока делени  показал, что даже при частотах 0,2 Гц и абсолютном значении разности фаз 0.1° значени  А и В частей сигнала на выходе блока делени  (и, соответственно А и В) отличаютс  между собой не менее, чем на

20%, и легко различаютс  дифференциальным усилителем, на котором построен блок сравнени .

Известное устройство - один из лучших на сегодн  промышленно освоенный фазометр Ф2-34 - позвол ет определ ть кроме сдвига фаз и знак разности фазы, но гарантирует возможность определени  до значени  сдоига фазы / ра ,2° на частоте не ниже 1 Гц

Claims (2)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  определени  знака разности фаз. содержащее формирователь импульсов , подключенный к одному из сигнальных входов устройства, и блок срэвнени , которого  вл етс  выходом устройства , отличающеес  тем. что оно дополнительно содержит блок делени , амплитудный детектор и устройство выборки и хранени , причем два входа блока делени  один дл  сигнала - делимого, другой дл  сигнала-делител  подключены к двум входам устройства, и к рходу сигнала-делител  подключен вход формировател  импульсов, выход блока делени  соединен с входами

   амплитудного детектора и устройства выборки и хранени , а выходы двух этих бло- .ков подключены к двум входам блока сравнени  соответственно, управл ющие входы устройства выборки и хранени , амплитудного детектора и блока сравнени  подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам формировател  импульсов.
2. 2. Устройство по п. 1,отличающее- с   тем, что формирователь импульсов содержит фазовращатель, первый и второй компараторы и две логические схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и И-НЕ, причем фазовращатель и первый компаратор

   0

   подключены к сигнальному входу формировател  импульсов, выход фазовращател  соединен с входом второго компаратора, выход последнего подключен к первому выходу формировател  импульсов, к первому входу логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к первому входу логической схемы И-НЕ, выход первого компаратора подключен к второму входу логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. ее выход подключен к второму выходу формировател  импульсов и к второму входу логической схемы И-НЕ. выход которой подключен к третьему выходу формировател  импульсов.

   u(f)

   /

   уГЈ

   r

   -

   в

   -

   Фиг. /

   -Л

   -

   го

   -

   #« 2

   (риеЗ