RU2000580C1 - Способ определени соотношени фаз двух синусоидальных сигналов - Google Patents

Abstract

Использование: измерительна  техника , определение синфазности и противо- фазности двух гармонических колебаний ./ одной частоты. Сущность изобретени : совершив простейшее действие над исследуемыми сигналами - деление их величин друг на друга, определ ют синфазность и проти- вофазность, когда модуль экстремального значени  сигнала-частного на полупериоде сигнала-делител  не отличаетс  от модул  любого другого значени  сигнала-частного внутри рассматриваемого полупериодз на величину больше ошибки метода сравнени . 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к способам определени  соотношений фаз, в частности к способам определени  синфазности и про- тивофаэности двух синусоидальных сигналов напр жени  или тока одной частоты, и предназначено дл  преимущественного использовани  в прецизионных устройствах инфранизкочастотного диапазона, когда амплитуды сигналов могут значительно различатьс  между собой и измен тьс  в широких пределах.

Известны различные способы определени  соотношений фаз двух синусоидальных сигналов при измерении их разности фаз. Эти способы характеризуютс  значительной сложностью из-за большого количе- ства 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 

синфазности и противофазности при малой амплитуде хот  бы одного из сигналов, особенно в инфранизкочастотной области измерений , причем эта погрешность становитс  значительной из-за того, что на инфранизких частотах существенно уменьшаетс  скорость изменени  сигналов 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).

Известны более простые осциллографи- ческие способы определени  соотношений фаз двух синусоидальных сигналов. Эти способы основаны на использовании отклон ющих пластин осциллографа, когда по определенному положению лучевой метки на экране осциллографа суд т о знаке разности фаз исследуемых сигналов.

В способе исследуемые сигналы подают каждый на свою пару отклон ющих пластин. Определение синфазности и противофазности по фигурам Лиссажу из-за конечной раздэ

с

ю о о о

;СЯ 00 О

О

решающей способности осциллографа, определ емой ширимой луча, затруднено, к тому же при малом значении амплитуды хот  бы одного из сигналов регистраци  исследуемыхнапр женийбудет осуществл тьс  на нелинейном участке отклон ющего напр жени . Кроме того, погрешность регистрации исследуемых сигналов с помощью осциллографа возрастает в йнфранизкочастотном диапазоне из-за трудностей количественных оценок измерений.

Наиболее близким техническим решением к за вленному  вл етс  способ, в соответствии с которым исследуемые сигналы подают на отклон ющие пластины ЭЛТ, из одного из сигналов формируют пикообраз- ные импульсы и также подают их на отклон ющие пластины ЭЛТ. На экране осциллографа образуетс  амплитудна  отметка , по положению которой на оси ординат можно судить о параметрах сигналов.

Этому способу свойственны те же недостатки , что и известным то есть на инфра- низких частотах и при малых амплитудах сигналов погрешность определени  параметров сигналов сильно возрастает. Кроме того, этот способ не позвол ет определить синфаэность и противофазность сигналов,

Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей.

Цель в способе определени  соотношени  фаз двух синусоидальных сигналов, в соответствии с которым осуществл ют взаимодействие исследуемых сигналов, а о соотношении фаз суд т по качественной оценке результатов этого взаимодействи , достигаетс  тем, что 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, причем одно из значений сигнала-частного выбирают экстремальным, и определ ют синфазность и противофазность сигналов делимого и делител  по отсутствию различий между экстремальной величиной сигнала-частного и любой другой его величиной внутри исследуемого полупериода сигнала- делител .

При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное представл ет собой функцию времени

f (t) Asln(ewt + Fi )/

/ В sin (ait + F2 ) ,

(1)

где В sin (аи + F2 ) ; Fi и F2 - фазы двух исследуемых сигналов;

А и В - амплитуды исследуемых колебаний .

Функци  f(t) будет периодической прерывной функцией, и по виду напоминает функции тангенсов или котангенсов,

В случае , выражение (1) можно записать следующим образом дл  К 0.0 Fo  /2 и К 0,  /2 Fo л

15

f (t ) К cos Fo + sln Ft стд(2 г/Т) ,

(2)

где Т- 2  /ш FO - разность фаз между исследуемыми колебани ми.

А в случае , можно вписать дл К 0,- /2 F0 0и

, -   FO - /2

25

f(t)K 1/ cosFo+slnFo ctg(2  т/Т)

(3)

Положив (условие синфазности), будем иметь значени  sin cos F0°1. Подставл   эти значени  в выражени  (2) и (3), получим соответственно:

f(t)K+K(0/tg wt)hK(4)

f(t)K/ HOctg( 2 т/Т))К(5)

Положив F0 ± 180 (условие противо- фазности), будем иметь значени  slnF0 0; 4Q cosF0 -1 Подставл   их в выражени  (2) и (3), получим соответственно.

ФН-К+ K(0/tg wt)-K

(6)

45

f(t) 0 ctg 2  г/Т -К (7)

Следовательно, в случае синфазности и противофазности получим функцию f(t) в виде пр мой линии, численно равной значению ± К, то есть f(t) ± К При малых отклонени х от идеальной синфазности и противофазности к полученным значени м ± К будет добавл тьс  значение, образованное из вторых слагаемых, заключенных в

квадратные скобки выражений (4)-(7), в которых вместо нул  подставл ютс  значени  sin Fo. Так как значени  tg ш t и ctg со t рассматриваютс  на интервале полупериода сигнала-делител , то есть 0 , то значени  слагаемых которые прибавл ютс 

или вычитаютс  из значений ± К выражений (4)-(7), будут максимальны по абсолютной величине в начале и в конце рассматриваемого полупериода.

Таким образом, при малых отклонени х от синфазности и противофазности двух синусоидальных сигналов значени  функции f(t) сигнала - частного в начале или конце каждого рассматриваемого полупериода будут Уклон тьс  от значени  ± К. А экстремальное значение сигнала-частного (максимальное или минимальное) в сравнении с любым другим на данном интервале внутри рассматриваемого полупериода будет указывать на синфазность и противо- фазность при отсутствии различий между собой с учетом ошибки выбранного метода сравнени .

Количественна  оценка возможностей предлагаемого способа была проведена путем осциллографировани  исследуемых сигналов и с помощью компьютера. В пер- вом варианте устройство дл  реализации способа (фиг. 1) содержит блок 1 делени  и осциллограф 2, вход которого подключен к выходу блока 1 делени , а на два входа последнего подают синусоидальные сигналы Ux(t) и Uy(t). В качестве блока делени  был использован цифровой вольтметр В7-23. работающий в режиме делени , и выбран осциллограф типа CI-83. Сигналы Ux(t) и Uy(t) имели частоты ,2 Гц и амплитуду соответственно Ux-200 мВ и мВ. Сдвиг фаз между сигналами задавалс  с помощью фэзосдвигающей RC-цепи, а сами сигналы формировались из синусоидального сигнала с выхода генератора типа ГЗ- 110, выходна  амплитуда сигнала U-2 103 м В делилась в 10 и в 100 раз соответственно .

По второму варианту способ был проверен на компьютере 18М РС-АТ. Синусоидальные сигналы с частотой f-0,2 Гц, и менее при частоте дискретизации 200 Гц и амплитудами с условными единицами хЮ3 и В-2- 104 моделировались с помощью компьютера со значени ми разности фаз. которые задавал оператор. В соответствии с программой компьютер делил сигналы, и на экране диспле  оператор наблюдал характер изменени  функции на каждом из полупериодов сигнала-делител .

Примеры полученных графиков функций f(t) дл  случа  ,1° и ,9 при частоте колебаний 0,2 Гц, представлены на фиг. 2, 3. Проведенные исследовани  пока- 5 зали. что дл  различных сочетаний параметров исследуемых колебаний по амплитуде и частоте синфазность и противофазность четко определ лись и при малых значени х амплитуд, и при малых значени х частот 0 вплоть до отклонений от синфазности и противофазности менее 0,01°. а значени  частот составл ли сотые доли герца.

Один из современных цифровых фазометров , например типа Ф2-34, позвол ет определ ть разности фаз, но гарантирует возможность определени  до значений ,2° на частотах не ниже 1 Гц, что гораздо хуже по точности, чем предлагаемый способ .

0 Эффективность определени  синфазности и противофазности в области инфраниз- кочастотных колебаний и при малой величине хот  бы одного из сигналов достигаетс  за счет того, что в способе не исполь5 зуетс , как в других известных способах, р д операций,  вл ющихс  источником погрешностей , таких как измерение моментов времени пересечени  сигналами уровн  опорного напр жени , сравнение длитель0 ностей сформированных импульсов и другие .

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ определени  соотношени  фаз двух синусоидальных сигналов, в соответст5 вии с которым осуществл ют взаимодействие исследуемых сигналов, а о соотношении фаз суд т по качественной оценке результатов этого взаимодействи , отличающийс  тем, что величины одного исследуемого

   0 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 сигна5 ла-делител  и не превышающем по длительности этот полупериод, причем одно из значений сигнала-частного выбирают экстремальным и определ ют синфазность и противофазность сигналов делимого и дели0 тел  по отсутствию различи  между экстремальной величиной сигнала-частного и любой другой его величиной внутри исследуемого полупериода сигнала-делител .

   t-T/2

   pЈ/e. Z

   фуг.З