RU2036478C1 - Device to determine quadrature phase shifts of sinusoidal signals - Google Patents
Device to determine quadrature phase shifts of sinusoidal signals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2036478C1 RU2036478C1 RU93039911A RU93039911A RU2036478C1 RU 2036478 C1 RU2036478 C1 RU 2036478C1 RU 93039911 A RU93039911 A RU 93039911A RU 93039911 A RU93039911 A RU 93039911A RU 2036478 C1 RU2036478 C1 RU 2036478C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- phase shifts
- signals
- quadrature phase
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Phase Differences (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения соотношений фаз, в частности к устройствам определения квадратурных фазовых сдвигов синусоидальных сигналов напряжения или тока одинаковой частоты, и предназначено для преимущественного использования на инфранизких частотах, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой и изменяться в широких пределах. The invention relates to measuring technique, namely to devices for determining phase ratios, in particular to devices for determining quadrature phase shifts of sinusoidal voltage or current signals of the same frequency, and is intended for predominant use at infra-low frequencies, when the signal amplitudes can vary significantly and vary over a wide range.
Известны различные устройства, позволяющие определять соотношения фаз при измерении равности их фаз [1-3] Эти устройства довольно сложные, так как требуют много различных блоков для формирования дополнительных импульсов в определенные моменты времени, блоков сравнения временных интервалов, блоков измерения коэффициентов модуляции, корреляции и других блоков. У таких устройств погрешность при определении квадратурных фазовых сдвигов увеличивается из-за того, то на инфранизких частотах уменьшается скорость изменения сигналов и время срабатывания пороговых устройств становится неоднозначным, особенно при малых значениях амплитуд (или амплитуды хотя бы одного из сигналов). Various devices are known that make it possible to determine phase ratios when measuring their phase equality [1-3] These devices are quite complex, since they require many different blocks for generating additional pulses at certain times, blocks for comparing time intervals, blocks for measuring modulation coefficients, correlation and other blocks. In such devices, the error in determining quadrature phase shifts increases because the rate of change of signals decreases at infralow frequencies and the response time of threshold devices becomes ambiguous, especially for small values of amplitudes (or the amplitude of at least one of the signals).
Известны более простые осциллографические устройства для определения соотношений фаз двух сигналов, например [4] с помощью фигур Лиссажу. Устройство использует отклоняющие пластины осциллографа, на которые подаются исследуемые сигналы, и по фигуре в виде эллипса на экране осциллографа можно судить о наличии квадратурного сдвига между сигналами. Simpler oscillographic devices are known for determining the phase ratios of two signals, for example [4] using Lissajous figures. The device uses the oscillator deflection plates to which the signals under investigation are applied, and by the figure in the form of an ellipse on the oscilloscope screen it is possible to judge the presence of a quadrature shift between the signals.
Точность таких измерений ограничена из-за конечной разрешающей способности осциллографа, определяемой шириной луча, к тому же при малом значении амплитуды хотя бы одного из сигналов регистрация исследуемых напряжений будет осуществляться на нелинейном участке отклоняющего напряжения. Кроме того, погрешность регистрации исследуемых сигналов с помощью оcциллографа возраcтает в инфранизкочаcтотном диапазоне из-за трудностей количественных оценок измерений. The accuracy of such measurements is limited due to the finite resolution of the oscilloscope, determined by the beam width, moreover, with a small value of the amplitude of at least one of the signals, the studied voltages will be recorded in a nonlinear section of the deflecting voltage. In addition, the error in the registration of the studied signals with an oscilloscope increases in the infra-low frequency range due to the difficulties of quantitative measurements.
Известно другое устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов [5] содержащее три формирователя импульсов, генератор импульсов, счетчик, два регистра и блок сравнения, соединенный с выходом устройства. There is another device for determining the phase relationship of two sinusoidal signals [5] containing three pulse shapers, a pulse generator, counter, two registers and a comparison unit connected to the output of the device.
Это устройство для 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. Кроме того, устройство позволяет определять только знак разности фаз двух синусоидальных сигналов и не определяет квадратурные фазовые сдвиги. This device for determining the phase ratios of two sinusoidal signals is ineffective at infralow frequencies and when the amplitudes of the signals change in a large dynamic range, since this reduces the rate of change of the signal and an error occurs in the formation of reference pulses. In addition, the device allows you to determine only the sign of the phase difference of two sinusoidal signals and does not determine quadrature phase shifts.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности по общим используемым признакам является устройство для определения квадратурных фазовых сдвигов синусоидальных сигналов [6] 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 между сигналами определяют, когда постоянная составляющая становится равной нулю. The closest to the proposed technical essence, according to the general characteristics used, is a device for determining quadrature phase shifts of sinusoidal signals [6] containing a series-connected multiplication unit, an averaging unit, a filter and an indication unit that registers the voltage from the output of the averaging unit of the filter, which emits a constant voltage component with output of the multiplication block. The quadrature phase shift between the signals is determined when the DC component becomes equal to zero.
Этому устройству свойственны также недостатки на инфранизких частотах и при изменении в большом динамическом диапазоне амплитуд исследуемых сигналов погрешность определения квадратурных сдвигов при этих уcловиях значительно возрастает, так как постоянная и переменная составляющие напряжения на выходе блока умножения будут изменяться в больших пределах, что вызовет трудности обеспечения точности измерений при выделении постоянной составляющей из напряжения сигнала произведения. This device also has drawbacks at infralow frequencies, and when the amplitudes of the studied signals change in a large dynamic range, the error in determining quadrature shifts under these conditions increases significantly, since the constant and variable components of the voltage at the output of the multiplication unit will vary within large limits, which will cause difficulties in ensuring accuracy measurements when isolating the DC component from the voltage of the product signal.
Целью изобретения является повышение точности. The aim of the invention is to increase accuracy.
Указанная цель в устройстве для определения квадратурных фазовых сдвигов синусоидальных сигналов, содержащем последовательно соединенные блок усреднения и блок индикации, выход которого является выходом устройства, достигается тем, что в него дополнительно введены блок деления и блок ограничения, причем два входа блока деления один для сигнала делимого, другой для сигнала делителя, подключены к двум входам устройства, выход блока деления через блок ограничения подключен к блоку усреднения. The specified purpose in the device for determining the quadrature phase shifts of sinusoidal signals, containing a series-connected averaging unit and an indication unit, the output of which is the output of the device, is achieved by the fact that an additional division unit and a restriction unit are introduced into it, moreover, two inputs of the division unit are one for the dividend signal , the other for the divider signal, connected to two inputs of the device, the output of the division unit through the restriction unit is connected to the averaging unit.
Сущноcть изобретения заключается в том, что регистрируют сигнал частное от деления величин одного исследуемого сигнала на величины другого, ограничивают по абсолютной величине эти значения, а квадратурные фазовые сдвиги определяют, когда усредненное значение на выбранном интервале времени будет равно нулю. The essence of the invention lies in the fact that they record the signal quotient from dividing the values of one studied signal by the values of another, limit these values by absolute value, and quadrature phase shifts determine when the average value over the selected time interval is equal to zero.
При делении двух синусоидальных сигналов одинаковой частоты сигнал частное представляет собой функцию времени
f(t) [Asin(wt + F1)]/[Вsin(wt + F2)] (1) где Вsin(wt + F2) ≠ 0; F1 и F2 фазы двух исследуемых сигналов,
А и В амплитуды исследуемых колебаний.When dividing two sinusoidal signals of the same frequency, the quotient is a function of time
f (t) [Asin (wt + F 1 )] / [Вsin (wt + F 2 )] (1) where Вsin (wt + F 2 ) ≠ 0; F 1 and F 2 phases of two investigated signals,
A and B are the amplitudes of the studied vibrations.
Функция f(t) будет периодической прерывной функцией и по виду напоминать функции тангенсов или котангенсов. The function f (t) will be a periodic discontinuous function and in appearance will resemble the functions of tangents or cotangents.
В случае F1 > F2, F2 0, выражение (1) запишем следующим образом для К > 0, 0 < Fо < π/2 и К < 0, π/2 < Fo < π:
f (t) K [cos Fo + sin Fo ctg (2π t/T)] (2)
где Т 2π/w;К| A/В;
Fo разность фаз между исследуемыми сигналами.In the case of F 1 > F 2 ,
f (t) K [cos F o + sin F o ctg (2π t / T)] (2)
where T 2π / w; K | A / B;
F o the phase difference between the studied signals.
В случае F2 > F1, F1 0, можно записать для К > 0, -π/2 < Fo < 0 и К < 0, -π < Fо < -π/2:
f(t) К{1/[cos Fo + sin Fo ctg(2πt/Т)] (3)
Положив Fo -270 или Fo 90 (первый вариант квадратурных фазовых сдвигов между двумя синусоидальными сигналами), будем иметь следующие значения: sinFo 0; соsFo 1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получим соответственно
f(t) К[ctg(2π t/Т)] (4)
f(t) К[tg(2π t/Т)] (5)
Положив Fо 270 или Fo -90 (второй возможный вариант квадратурных фазовых сдвигов между двумя синусоидальными сигналами) будем иметь следующие значения sinFo -1, соsFo 0. Подставляя их в выражения (2) и (3), получим соответственно
f(t) -К[ctg(2 π t/Т)] (6)
f(t) -К[tg(2 πt/Т)] (7)
Следовательно, в случае квадратурных фазовых сдвигов получим функцию 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(о), соответствующего середине рассматривае- мого полупериода сигнала делителя (фиг. 1). Коэффициент К будет определять лишь наклон функции f(t). Следовательно, на интервале времени внутри любого рассматриваемого полупериода сигнала делителя, середины которых совпадают, площади фигур, ограниченные осью абсцисс и функцией f(t) сигнала частного, равны между собой (фиг. 1).In the case of F 2 > F 1 ,
f (t) K {1 / [cos F o + sin F o ctg (2πt / Т)] (3)
Putting F o -270 or F o 90 (the first version of the quadrature phase shifts between two sinusoidal signals), we will have the following values:
f (t) K [ctg (2π t / Т)] (4)
f (t) K [tg (2π t / Т)] (5)
Putting F о 270 or F o -90 (the second possible variant of quadrature phase shifts between two sinusoidal signals) we will have the following values sinF o -1,
f (t) -K [ctg (2 π t / Т)] (6)
f (t) -K [tg (2 πt / Т)] (7)
Consequently, in the case of quadrature phase shifts, we obtain the function f (t) in the form of a tangent or cotangent function multiplied by the corresponding coefficients K, i.e., we will have a function f (t) symmetric with respect to the time t (o) corresponding to the middle - half the period of the divider signal (Fig. 1). The coefficient K will determine only the slope of the function f (t). Therefore, in the time interval inside any half-period of the divider signal, the midpoints of which coincide, the areas of the figures bounded by the abscissa axis and the f (t) function of the private signal are equal to each other (Fig. 1).
Среднее значение tс функции f(t) определяется через интеграл следующим образом
fc= (1/T) 
f c = (1 / T)
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
fc= (2/T)
Таким образом, усредненное значение функции f(t) сигнала частного для квадратурных фазовых сдвигов двух синусоидальных сигналов равно нулю, причем усреднять значения можно на большом интервале времени или на сравнительно малом интервале времени, середина которого совпадает с серединой полуволны рассматриваемого сигнала делителя. При использовании интервала времени для усреднения, которое гораздо больше, чем интервал времени, соответствующий полупериоду исследуемых сигналов, можно считать, что условие соответствия середин интервалов времени всегда выполняется.Since in the considered time interval the areas above the abscissa axis and below the abscissa axis are equal, and the middle of this interval coincides with the middle of the half-wave of the divider signal, the average value of f c in this time interval is equal to zero
f c = (2 / T)
Thus, the average value of the function f (t) of the signal of the particular for quadrature phase shifts of two sinusoidal signals is zero, and the values can be averaged over a large time interval or a relatively small time interval, the middle of which coincides with the middle of the half-wave of the divider signal under consideration. When using the time interval for averaging, which is much larger than the time interval corresponding to the half-period of the studied signals, we can assume that the condition for the correspondence of the midpoints of the time intervals is always fulfilled.
Следует отметить, что при изменении амплитуд исследуемых сигналов при сохранении их соотношений значения функции f(t) не будут изменяться, что также повышает точность измерений при анализе фазовых соотношений. It should be noted that when changing the amplitudes of the studied signals while maintaining their relationships, the values of the function f (t) will not change, which also increases the accuracy of measurements in the analysis of phase relationships.
При малых отклонениях от квадратурных фазовых сдвигов двух синусоидальных сигналов значения функции f(t) сигнала частного будут подниматься или опускаться относительно оси абсцисс, т. е. будет нарушаться симметрия функции f(t) относительно середины рассматриваемого полупериода сигнала делителя, следовательно, будут различаться и площади фигур над осью абсцисс и под осью абсцисс. Поэтому при усреднении значений функции f(t) в тех же условиях будет наблюдаться постоянная составляющая, знак которой будет зависеть от величины отклонения фазового сдвига от квадратурного. For small deviations from the quadrature phase shifts of two sinusoidal signals, the values of the function f (t) of the quotient signal will rise or fall relative to the abscissa axis, i.e., the symmetry of the function f (t) relative to the middle of the half-period of the divider signal under consideration will be violated, therefore, and the area of the figures above the abscissa and below the abscissa. Therefore, when averaging the values of the function f (t) under the same conditions, a constant component will be observed, the sign of which will depend on the magnitude of the deviation of the phase shift from the quadrature.
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 (фиг. 1). To increase the resolution, it is necessary to symmetrically limit the particular signal level, which reduces the size of the compared areas. In this case, if the symmetry of the function f (t) is violated, an increase in sensitivity can be obtained (Fig. 1).
Функциональная схема устройства представлена на фиг. 2. A functional diagram of the device is shown in FIG. 2.
Устройство для определения квадратурных фазовых сдвигов двух синусоидальных сигналов содержит блок деления 1, блок ограничения 2, блок усреднения 3, блок индикации 4. A device for determining quadrature phase shifts of two sinusoidal signals comprises a division unit 1, a restriction unit 2, an averaging unit 3, an indication unit 4.
Блоки в устройстве соединены следующим образом. The blocks in the device are connected as follows.
Первые и вторые входы блока деления 1, причем первый вход для сигнала делимого, второй вход для сигнала делителя, подключены к первому и второму входам устройства соответственно. Выход блока деления 1 подключен к входу блока 2 ограничения. Выход блока 2 ограничения соединен с входом блока 3 усреднения. Выход блока 3 усреднения соединен с входом блока 4 индикации, выход которого является выходом устройства. The first and second inputs of the division unit 1, the first input for the dividend signal, the second input for the divider signal, connected to the first and second inputs of the device, respectively. The output of the division unit 1 is connected to the input of the restriction unit 2. The output of the restriction block 2 is connected to the input of the averaging block 3. The output of the averaging unit 3 is connected to the input of the display unit 4, the output of which is the output of the device.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Входные сигналы Uх(t) и Uy(t) поступают на первый и второй входы блока деления 1. На выходе блока деления 1 получают напряжение U1(t), пропорциональное частному от деления двух сигналов Uх(t)/Uy(t), изменяющееся на интервале полупериода сигнала делителя по закону, близкому к виду функции тангенса или котангенса. Если сигнал делимое Uх(t), к примеру, опережает сигнал делителя Uy(t), то U1(t) имеет вид котангенса (фиг. 2-1). Это напряжение U1(t), поступает на блок 2 ограничения, на выходе которого напряжение U1(t) симметрично ограничивается по уровню. На выходе блока 2 ограничения получают напряжение U2(t), абсолютная величина которогоU2(t)| < Uогр. (фиг. 2-2). Это напряжение U2(t) поступает на блок 3 усреднения, на выходе которого получают напряжение U3, которое в случае квадратурных фазовых сдвигов будет равно нулю. Напряжение U3 поступает на блок 4 индикации, который анализирует напряжение U3 и вырабатывает сигнал напряжения U4 в случае U3 0.The input signals U x (t) and U y (t) are supplied to the first and second inputs of the division unit 1. At the output of the division unit 1, a voltage U 1 (t) is obtained proportional to the quotient of the division of the two signals U x (t) / U y (t), varying over the half-period interval of the divider signal according to a law close to the form of the tangent or cotangent function. If the signal divisible by U x (t), for example, is ahead of the signal of the divider U y (t), then U 1 (t) has the form of cotangent (Fig. 2-1). This voltage U 1 (t) is supplied to the limiting unit 2, the output of which voltage U 1 (t) is symmetrically limited in level. At the output of block 2 restrictions receive voltage U 2 (t), the absolute value of which U 2 (t) | <U og. (Fig. 2-2). This voltage U 2 (t) is supplied to the averaging unit 3, the output of which receives a voltage U 3 , which in the case of quadrature phase shifts will be zero. The voltage U 3 is supplied to the display unit 4, which analyzes the voltage U 3 and generates a voltage signal U 4 in the case of
Устройство выполнено на стандартных элементах по известным схемам, например блок деления 1 [7] в качестве блока 2 ограничения можно использовать прецизионный ограничитель [8] в качестве блока 3 усреднения можно использовать фильтр нижних частот; в блоке 4 индикации для формирования логического выходного сигнала можно использовать компаратор [9]
Предлагаемое устройство имеет преимущества перед другими устройствами по простоте и точности, особенно в инфранизкочастотном диапазоне даже тогда, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь при этом в большом динамическом диапазоне.The device is made on standard elements according to well-known schemes, for example, division unit 1 [7] as a restriction unit 2, a precision limiter [8] can be used; a low-pass filter can be used as an averaging unit 3; in display unit 4, a comparator can be used to form a logical output signal [9]
The proposed device has advantages over other devices in terms of simplicity and accuracy, especially in the infra-low-frequency range, even when the amplitudes of the studied vibrations vary significantly among themselves, while changing in a large dynamic range.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93039911A RU2036478C1 (en) | 1993-08-05 | 1993-08-05 | Device to determine quadrature phase shifts of sinusoidal signals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93039911A RU2036478C1 (en) | 1993-08-05 | 1993-08-05 | Device to determine quadrature phase shifts of sinusoidal signals |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2036478C1 true RU2036478C1 (en) | 1995-05-27 |
| RU93039911A RU93039911A (en) | 1996-06-10 |
Family
ID=20146175
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93039911A RU2036478C1 (en) | 1993-08-05 | 1993-08-05 | Device to determine quadrature phase shifts of sinusoidal signals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2036478C1 (en) |
-
1993
- 1993-08-05 RU RU93039911A patent/RU2036478C1/en active
Non-Patent Citations (9)
| Title |
|---|
| 1. Авторское свидетельство СССР N 1138760, кл. G 01R 25/00, 1985. * |
| 2. Авторское свидетельство СССР N 1503025, кл. G 01R 25/00, 1989. * |
| 3. Авторское свидетельство СССР N 1503026, кл. G 01R 25/00, 1989. * |
| 4. Физический энциклопедический словарь. /Под ред.А.М.Прохорова. - М.: Советская энциклопедия, 1983, с.349. * |
| 5. Авторское свидетельство СССР N 1167524, кл. G 01R 25/00, 1985. * |
| 6. Кофлин Р. и Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. - М.: Мир, 1979, с.208. * |
| 7. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А. и Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС.-М.: Советское радио, 1980, с.96-97. * |
| 8. Там же, с.195-196. * |
| 9. Там же, с.168. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4494067A (en) | Fast frequency measuring system | |
| JP2834709B2 (en) | Method and apparatus for measuring physical values of light scattering moving particles with a laser Doppler fluid velocimeter | |
| RU2036478C1 (en) | Device to determine quadrature phase shifts of sinusoidal signals | |
| RU2035743C1 (en) | Method for determining phase-quadrature sine-wave signals | |
| RU2037831C1 (en) | Method of measuring phase relations between two sinusoidal signals | |
| RU2024029C1 (en) | Device for determining correlation of two phases of sine-wave signals | |
| RU2029964C1 (en) | Method for determining phase relation between two sine-wave signals | |
| RU2091804C1 (en) | Device for determining the quadrature-phase shift of harmonic signals | |
| RU2037832C1 (en) | Device for measuring phase relations between two sinusoidal signals | |
| JPS6152950B2 (en) | ||
| RU2040002C1 (en) | Method for determining phase difference of two signals | |
| RU2090898C1 (en) | Method of spectral analysis of signals | |
| RU2036477C1 (en) | Device to determine whether sinusoidal signals or antiphasal | |
| RU2024883C1 (en) | Signal phase meter | |
| RU2000580C1 (en) | Method for determining phase correlation of two sine-wave signals | |
| RU2019846C1 (en) | Method for measuring phase position of two sine- shaped signals | |
| RU2090899C1 (en) | Method for determining rms value of harmonic components in signal | |
| RU2090900C1 (en) | Distortion factor signal measuring technique | |
| RU2096828C1 (en) | Method for detection of amplitude ratio of harmonic signals | |
| US3778704A (en) | Technique for directly measuring a signal-to-noise ratio of a communication circuit | |
| SU429366A1 (en) | METHOD OF MEASUREMENT OF PHYSICAL VALUES | |
| RU2070735C1 (en) | Meter measuring ratio of amplitude values of quasi-sinusoidal signals | |
| RU2086992C1 (en) | Device for detection of phase difference of harmonious signals | |
| RU2039359C1 (en) | Signal spectral analysis method | |
| RU1784099C (en) | Method for determination of sign of phase difference of two sinusoidal signals |