SU1553921A1 - Способ измерени сдвига фаз - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к способам электроизмерений и может быть использовано при измерени х среднего значени  сдвига фаз в услови х высокого уровн  флуктуационных помех. Дл  повышени  достоверности и точности измерени  сдвига фаз при больших флуктуаци х фазы входного сигнала измер ют и дел т период опорного сигнала на К равных частей, формируют стробы, соответствующие каждой I-й части периода опорного сигнала, преобразуют сдвиг фаз в фазовый интервал времени, фиксируют совпадение конца фазового интервала времени с тем или иным по номеру стробом в течение заданного посто нного измерительного интервала, подсчитывают в каждом I-м стробе число упом нутых совпадений, полученную последовательность чисел совпадений подвергают дискретному преобразованию Фурье (ДПФ) и определ ют сдвиг фаз как отношение синусной составл ющей первой гармоники ДПФ к ее косинусной составл ющей. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности дл  измерени  разности фаз между двум  сигналами одинаковой частоты.

Цель изобретени  - повышение достоверности и точности измерени  при больших флюктуаци х фаз сигналов относительно среднего значени .

На фиг. 1 представлены диаграммы, по сн ющие сущность способа, на фиг. 2 - структурна  схема устройства, реализующего способ.

На фиг. 1 прин ты следующие обозначени : а - зависимость плотности веро тности распределени  разности фаз входных сигналов (Рх) от мгновенных значений разности фаз между входным и опорным сигналами (х); б - передаточна  характеристика преобразовател  фазовый сдвиг - интервал времени; в - передаточна  характеристика анализатора распределени ; г - число попаданий (Р;) в дискретные интервалы (стробы) KJJ д - посто нна  составл юща  (Св), определенна  после дискретного преобразовани  Фурье (ДПФ); е - синусна  составл юща  (Cs) первой гармоники, ж - косинусна  составл юща  (Сс) первой гармоники.

Сущность способа состоит в следующем .

За каждый период опорного сигнала осуществл етс  преобразование фазового сдвига в интервал времени в диапазоне 1180°, что искажает функцию распределени  плотности веро тности ресл

СП

со

со 1C

ального процесс Т% при больших значени х флюктуации фазы входного сигнала (см. ).

В процессе флюктуации фазы входного сигнала значени  фазы в интервале

tf . it накладываютс  на значе1Г

ни , лежащие например, в интервале - f tfх с И . Наложение значений  сн етс  разрывностью характеристики преобразовател  в фазовый интервал (см. фиг. 1,6). В результате функци  {распределени  на выходе фазового пре- |Образовател  существенно отличаетс  от функции распределени  плотности веро тности на входе этого преобразовател .

Если учесть, что в диапазоне -с 7Г характеристика фазового Преобразовател  линейка, а шаг кван- товани  анализатора распределени  (К.) посто нный, то максимальное значение Р. будет совпадать с математическим ожиданием фазы входного сигнз- jia (см. фиг, 1,а,б,в,г). Это легко доказываетс  аналитически при нормаль Ном законе распределени  плотности (веро тности сдвига фазы входного игнала.

Дискретное преобразование Фурье Дозвол ет определить синусную и коси- русную составл ющие первой гармоники юлученной дискретной функции распре- Делени  плотности веро тности Р. при разбиении сдвига фаз на К. стробов см. фиг. 1 д,е,ж), т.е.

К-1

г - -1- V Р ьо - v Ј. -;

к

К-1

c --rLP 8in(ri)s

К-1

т .,

-:hY P.coe(),

К

К

Q

0 5

0

5

V,

опорного сигнала или диапазон измерени  сдвига фаз;

Т - период опорного сигнала;

Р. - число попаданий в 1-й строб полученных после преобразовани  фазовых интервалов;

А1 - фаза и амплитуда первой гармоники ДПФ.( J - коэффициент, характеризующий достоверность результата измерени  сдвига фаз.

По полученным составл ющим Cs и СС1, использу  выражение (4), определ ют фазу первой гармоники, котора  совпадает с математическим ожиданием сдвига фаз реального процесса.

Рассмотрим применение способа на конкретных примерах.

Допустим, что за врем  измерени  произведено 3600 преобразований в фазовый интервал, диапазон (Т) измерени  сдвига фаз 0-360° разбит на 360 стробов, т.е.

, 3600, К 360,

К-1

X Р,

-о а сдвиг фаз между входными сигналами

равен нулю.

Результаты расчетов показывают, что при отсутствии шумов способ рени  дает точный результат при коэффициенте его достоверности равном единице.

Рассмотрим случай, когда на такой сигнал наложен шум такой интенсивное- 0 ти, что значени  после преобразовани  в фазовый интервал попадут в равном количестве не только в нулевой, но и в соседние интервалы-стробы

(фиг. 26)„ т.е.

CSf tft arctg-g,

ci

A, ic|,,;

AI y..-l ,

C0,CS1,CC1- посто нна  составл юща  и коэффициенты дискретного преобразовани  Фурье (ДПФ); К - число дискретных интервалов (стробов) на которые разбит период

1200 при 1200 при 1200 при 1 359,

О при остальных 1.

В этом случае результат измерени  в известных фазометрах с посто нным временем измерени , выдел ющих среднее значение сдвига фаз:

5

М

К-1

4-1

i/ .

Р:

1200-0+1200 -1 + 1200 200+Т200+Т200

359

120.

В соответствии с данным способом наход т коэффициенты преобразовани  Фурье:

К-1

Сс - , г-(1200+1200+1200) К jrojoU

Si

%

-n-Z P; din(---i)

N )oл

з|оС1200 sin(0°)+1200.sin(te) + + 1200,sin(359°) 0, Cei--r.P«coe(-r«

К %

- сов(Ов) + 1200.сов(Г) + +1200.cos(359°)3 9,998.

Использу  полученные значени  Ctf, 25 С , СС1 наход т фазу сигнала и коэффициент достоверности полученного результата :

I/ arctg-p 1 О,

LCi

Г

9jiliiic 2 о

9998

Существенное повышение точности измерени  сигнала с помощью данного способа измерени  сдвига фаз, включающего операции ДПФ после подсчета числа попаданий в установленные стробы, еще в большей мере про вл етс  при больших флюктуаци х фазы входного сигнала Экспериментальна  проверка показала , что дальнейшее увеличение среднего квадратического отклонени  фазы входного сигнала приводит к уменьшению коэффициента fдостоверности результата измерени .

В таблице даны погрешности измерени  сдвига фаз высоких гармоник в т говых сет х переменного тока в диапазоне ±180° с помощью цифрового фазометра , реализующего способ-прототип (верхн   цифра в графе), и измерительной системы, реализующей данный спо- соб (нижн   цифра). Значение среднего квадратического отклонени  (СКО), средней фазы и погрешности измерени  даны в градусах.

10

5

0

5

0

5

0 5

о 5

,,Как видим, погрешность данного способа практически не зависит от средней фазы и СКО фазы входного сигнала .

Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг. 2) содержит генератор 1 импульсов, преобразователь 2 фазовый сдвиг - интервал времени - код (ПФИК), преобразователь 3 период код (ППК), делитель 4 частоты, анализатор 5 распределени , блок 6 делени  на константу, формирователь 7 управл ющих сигналов (ФУС), преобразователь 8 Фурье, блок 9 делени  и два индикаторных блока 10 и 11.

Первый информационный вход ПФИК 2 подключен к источнику исследуемого сигнала, второй информационный вход - к источнику опорного сигнала, тактовый вход - к выходу генератора 1 импульсов , который через делитель 4 частоты подключен к входу формировател  7 управл ющих сигналов, выход ПФИК 2 через анализатор 5 распределени  и преобразователь 8 Фурье подклю-: чен к информационному входу первого индикаторного блока 10, другие два выхода преобразовател  8 Фурье через блок 9 делени  подключены к информационному входу второго индикаторного блока 11, информационный вход ППК 3 подключен к источнику опорного сигнала , другой вход - к выходу генератора 1 импульсов, выход через блок 6 делени  на константу подключен к первому управл ющему входу анализатора 5 распределени , второй управл ющий вход последнего подключен к первому выходу формировател  7 управл ющих сигналов, второй выход которого подключен к управл ющему входу преобразовател  8 Фурье, третий выход формировател  7 управл ющих сигналов подключен ко вторым входам индикаторных блоков 10 и 11.

7155

Устройство работает следующим образом .

Импульсы высокой частоты от генератора 1 импульсов поступают на вход це лител  4 частоты. С выхода делител  4 частоты импульсы, период которых определ ет врем  измерени , поступают ha вход (ФУС) 7, вырабатывающего на Ьервом выходе сигнал, управл гащий ДЛИтельностью цикла измерени , который поступает на второй управл ющий вход Анализатора 5 распределени . С второ- iro выхода ФУС 7 сигнал запуска поступает на управл ющий вход преобразовател  8 Фурье, а с третьего выхода ФУС 1 сигналы управлени  записью ре- зу льтата в регистры индикаторных блоков 10 и 11 поступают на соответствующие входы управлени .

За врем  измерени  в каждом пери- Ьде входного и опорного сигналов |ПФИК 2 в диапазоне измерени  сдвига фаз вырабатывает кодовые комбинации, пропорциональные мгновенному значению сдвига фаз. Эти значени  сдвига фаз поступают на информационный вход анализатора 5 распределени , который подсчитывает число попаданий полученных кодов в соответствующие дискретные интервалы. При этом размер каждого интервала устанавливаетс  делением кода на выходе преобразовател  3 с помощью блока б делени  на кон станту К, задающую чиспо каналов анализатора 5 распределени ,, приггем его выходные коды, соответствующие гистограмме распределени  функции плотности веро тности сдвиге фаз в диапа- зоне измерени , представл ют число- 1вую последовательность, котора  подвергаетс  дискретному преобразованию Фурье преобразователем 8„ Код фазы

8

первой гармоники с первого выхода преобразовател  8 передаетс  в первый индикаторный блок и  вл етс  результатом измерени , В блоке 9 делени  определ етс  отношение амплитуды первой гармоники к величине посто нной составл ющей , которое передаетс  на второй индикаторный блок, сравнением которого с единицей оцениваетс  достоверность полученного результата. Чем ближе частное к единице,, тем более

достоверен результат измерени 

фаз.

сдвига

5

Q

40

0

5

0

35

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ измерени  сдвига фаз, основанный на преобразовании сдвига фаз между опорным и измерительным сигналами в фазовый интервал времени и накоплении результатов измерени  в течение посто нного измерительного времени , значительно превышающего период опорного сигнала, отличающийс  тем, что, с целью повышени  достоверности измерений в услови х больших флуктуационных помех, дел т период опорного сигнала на К равных частей, формируют соответствующие каждой i-й части периода стробы, фиксируют совпадение конца фазового интервала времени с тем или иным по номеру стробом в течение посто нного измерительного времени,подсчитывают в каждом i-м стробе число упом нутых совпадений , полученную последовательность числа совпадений подвергают дискретному преобразованию Фурье и определ ют сдвиг фаз, как отношение синусной составл ющей первой гармоники дискретного преобразовани  Фурье к ее косинусной составл ющей.

   -JT JT /

   4 Hl

   В J

   -Л

   I I 1/6 II

   /

   Д

   ж

   Я i Ч

   II

   II

   fl

   ow

   i i

   i r i

   .r-rr-j x

   e Ui L rb

   ж ftWj| I

   I ,

   i /

   : a

   U « J «