RU2086992C1 - Device for detection of phase difference of harmonious signals - Google Patents

Abstract

FIELD: instruments, in particular, devices for selection of same phase and opposite phase signals in precision infra-low frequency devices. SUBSTANCE: device has serial circuit of divider 3, second comparison unit 6 and first comparison unit 5. Inputs of unit 3 are connected to device inputs. Device output is connected to output of unit 5. Output of third is connected through averaging unit 4 to second inputs of second comparison unit 6 and first comparison unit 5. EFFECT: increased dynamic range of input signals. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствах определения соотношения фаз, в частности к устройствам для различения синфазности и противофазности двух гармонических сигналов и предназначено для преимущественного использования в прецизионных устройствах инфранизкочастотного диапазона, когда амплитуды сигналов могут значительно различаться между собой. The invention relates to measuring technique, namely to devices for determining the phase ratio, in particular to devices for distinguishing the in-phase and out-of-phase of two harmonic signals and is intended for predominant use in precision devices of the low-frequency range, when the signal amplitudes can vary significantly.

Известно устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов [1] содержащее три формирователя импульсов, генератор импульсов, счетчик, два регистра и блок сравнения, соединенный с выходом устройства. A device for determining the phase relationship of two sinusoidal signals [1] containing three pulse shapers, a pulse generator, counter, two registers and a comparison unit connected to the output of the device.

Это устройство определения соотношений фаз двух синусоидальных сигналов неэффективно на инфранизких частотах и при изменении амплитуд сигналов в большом динамическом диапазоне, когда уменьшается скорость изменения сигнала и возникает погрешность при формировании опорных импульсов. Кроме этого устройство не позволяет различать синфазность и противофазность исследуемых сигналов. This device for determining the phase ratios of two sinusoidal signals is ineffective at infra-low frequencies and when the amplitudes of the signals change in a large dynamic range, when the rate of change of the signal decreases and an error occurs when the reference pulses are generated. In addition, the device does not allow to distinguish between in-phase and out-of-phase of the studied signals.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по общим используемым признакам является устройство для определения соотношения фаз двух синусоидальных сигналов [2] содержащее первую и вторую входные шины устройства, блок деления, блок выделения экстремумов, блок сравнения и выходную шину устройства с соответствующими связями. The closest technical solution to the claimed one according to the common features used is a device for determining the phase ratio of two sinusoidal signals [2] containing the first and second input buses of the device, a division unit, an extremum extraction unit, a comparison unit and an output device bus with corresponding connections.

Такое устройство позволяет определить синфазность и противофазность исследуемых сигналов, оно обладает высокой точностью в широком частотном диапазоне даже тогда, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь в большом динамическом диапазоне, однако оно не различает синфазность и противофазность. This device allows you to determine the in-phase and out-of-phase of the studied signals, it has high accuracy in a wide frequency range even when the amplitudes of the studied oscillations vary significantly among themselves, changing in a large dynamic range, however, it does not distinguish in-phase and out-of-phase.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей. The aim of the invention is the expansion of functionality.

Цель в устройстве определения соотношения фаз гармонических сигналов, содержащем первую и вторую входные шины устройства, блок деления и первый блок сравнения, причем первая входная шина устройства подключена к первому входу блока деления, второй вход которого подключен к второй входной шине устройства, выход первого блока сравнения подключен к выходной шине устройства, достигается тем, что в него введены блок усреднения и второй блок сравнения, первый вход которого подключен к выходу блока деления и к входу блока усреднения, выход которого подключен к вторым входам первого и второго блоков сравнения, первый вход первого блока сравнения подключен к выходу второго блока сравнения. The purpose of the device for determining the phase relationship of harmonic signals containing the first and second input buses of the device, the division unit and the first comparison unit, the first input bus of the device connected to the first input of the division unit, the second input of which is connected to the second input bus of the device, the output of the first comparison unit connected to the output bus of the device, is achieved by the fact that an averaging unit and a second comparison unit are introduced into it, the first input of which is connected to the output of the division unit and to the input of the averaging unit, the output of which th is connected to the second inputs of the first and second comparators, a first comparator first input connected to the output of the second comparator unit.

Сущность изобретения заключается в том, что, после деления значений исследуемых сигналов на друга, сравнивают текущие значения сигнала-частного и их усредненное значение, в моменты времени, когда различия между ними отсутствуют, определяют знак усредненного значения, по значению этого знака и судят о наличии синфазности или противофазности. The essence of the invention lies in the fact that, after dividing the values of the studied signals by a friend, compare the current values of the signal-private and their average value, at times when there are no differences between them, determine the sign of the average value, by the value of this sign and judge about the presence in phase or out of phase.

При делении двух синусоидальных сигналов одной частоты сигнал-частное f(t) представляет собой функцию времени, которую рассматривают на интервалах времени, когда сигнал-делитель не равен нулю:
f(t)=[Asin(ωt+F1)]/[Bsin(ωt+F2) (1)
где F₁ и F₂ начальные фазы двух исследуемых сигналов;
A и B амплитуды исследуемых колебаний.When dividing two sinusoidal signals of the same frequency, the signal-to-frequency f (t) is a function of time, which is considered at time intervals when the signal divider is not equal to zero:
f (t) = [Asin (ωt + F1)] / [Bsin (ωt + F2) (1)
where F ₁ and F _{2 are the} initial phases of the two studied 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 it will resemble the functions of tangents or cotangents.

В случае F₁ > F₂, F₂=0 выражение (1) можно записать аналогично [2] следующим образом для K>0, 0 ≅ F_o ≅ π/2 и K<0, π/2 < F_o ≅ π:
f(t)=K[cosF_o+sinF_octg(2πt/T)], (2)
где T=2π/ω; F₀ разность фаз между исследуемыми колебаниями.In the case of F ₁ > F ₂ , F ₂ = 0, expression (1) can be written similarly to [2] as follows for K> 0, 0 ≅ F _o ≅ π / 2 and K <0, π / 2 <F _o ≅ π :
f (t) = K [cosF _o + sinF _o ctg (2πt / T)], (2)
where T = 2π / ω; F ₀ the phase difference between the studied vibrations.

В случае F₂>F₁, F₁= 0 можно записать для K>0, -π/2 ≅ F_o ≅ 0 и K<0, -π ≅ F_o < -π/2:
f(t)=K{1/[cosF_o+sinF_octg(2πt/T)]} (3)
Положив F₀ (условие синфазности), будем иметь значения sin F₀=0; cos F₀= 1. Подставляя эти значения в выражения (2) и (3), получим, соответственно:

Положив F₀=±180 (условие противофазности) будем иметь значения sin F₀ 0, cos F₀ -1. Подставляя их в выражения (2) и (3), получим, соответственно:

Следовательно, в случае синфазности получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной +K, то есть f(t)=+K, а в случае противофазности получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению -K, то есть f(t)= -K. при малых отклонениях от идеальной синфазности и противофазности к полученным значениям ±K будет добавляться значение, образованное из вторых слагаемых, заключенных в квадратные скобки выражений (4)-(7), в которых вместо нуля подставляются значения sin F₀.In the case of F ₂ > F ₁ , F ₁ = 0 can be written for K> 0, -π / 2 ≅ F _o ≅ 0 and K <0, -π ≅ F _o <-π / 2:
f (t) = K {1 / [cosF _o + sinF _o ctg (2πt / T)]} (3)
Putting F ₀ (common mode condition), we will have the values sin F ₀ = 0; cos F ₀ = 1. Substituting these values in expressions (2) and (3), we obtain, respectively:

Putting F ₀ = ± 180 (antiphase condition) we will have the values sin F ₀ 0, cos F ₀ -1. Substituting them into expressions (2) and (3), we obtain, respectively:

Therefore, in the case of common mode, we obtain the function f (t) in the form of a straight line numerically equal to + K, that is, f (t) = + K, and in the case of antiphase, we obtain the function f (t) in the form of a straight line numerically equal to the value - K, i.e. f (t) = -K. for small deviations from ideal in-phase and out-of-phase, the obtained values ± K will be supplemented with the value formed from the second terms enclosed in square brackets of expressions (4) - (7), in which sin F _{0 is} substituted for zero.

Значения tgωt и ctgωt рассматриваются на интервале полупериода сигнала-делителя, то есть 0 < ωt < π значения слагаемых выражений (4)-(7), будут максимальны по абсолютной величине в начале и в конце рассматриваемого полупериода. The values of tgωt and ctgωt are considered on the interval of the half-period of the divider signal, i.e., 0 <ωt <π, the values of the terms of expressions (4) - (7) will be maximum in absolute value at the beginning and at the end of the half-period under consideration.

При усреднении значений сигнала-частного на интервале полупериода сигнала-делителя в случае синфазности получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению +K, то есть f(t)cp=+K, в случае противофазности получим функцию f(t) в виде прямой линии, численно равной значению -K, то есть f(t)cp=-K. When averaging the values of the signal-quotient over the half-period interval of the divider signal, in case of in phase, we obtain the function f (t) in the form of a straight line numerically equal to the value + K, that is, f (t) cp = + K; t) in the form of a straight line numerically equal to the value of -K, that is, f (t) cp = -K.

На чертеже представлена функциональная схема устройства. Устройство для определения соотношения фаз гармонических сигналов содержит: первую входную шину 1 устройства, вторую входную шину 2 устройства, блок 3 деления, блок 4 усреднения, первый блок 5 сравнения, второй блок 6 сравнения, выходную шину 7 устройства. The drawing shows a functional diagram of the device. A device for determining the phase relationship of harmonic signals comprises: a first input bus 1 of the device, a second input bus 2 of the device, a division unit 3, an averaging unit 4, a first comparison unit 5, a second comparison unit 6, an output bus 7 of the device.

Блоки в устройстве соединены между собой следующим образом. Первая и вторая входные шины 1, 2 устройства подключены к первому и второму входам блока 3 деления, соответственно. Выход блока 3 деления подключен к входу блока 4 усреднения и к первому входу второго блока 6 сравнения, второй вход которого подключен к выходу блока 4 усреднения и к второму входу первого блока 5 сравнения. Выход второго блока 6 сравнения подключен к первому входу первого блока 5 сравнения, выход которого подключен к выходной шине 7 устройства. The blocks in the device are interconnected as follows. The first and second input buses 1, 2 of the device are connected to the first and second inputs of the division unit 3, respectively. The output of the division unit 3 is connected to the input of the averaging unit 4 and to the first input of the second comparison unit 6, the second input of which is connected to the output of the averaging unit 4 and to the second input of the first comparison unit 5. The output of the second comparison unit 6 is connected to the first input of the first comparison unit 5, the output of which is connected to the output bus 7 of the device.

Устройство для определения соотношения фаз гармонических сигналов работает следующим образом. Входные сигналы в виде первого входного гармонического сигнала напряжения U_x(t)=Asin(ωt+F₁) и второго гармонического сигнала напряжения U_y(t)=Bsin(ωt+F₂) поступают на первую и вторую входные шины 1, 2 устройства, следовательно, напряжения U_x(t), U_y(t) поступают на блок 3 деления, причем напряжение U_x(t) является сигналом делимым, а напряжение U_y(t) является сигналом-делителем.A device for determining the phase relationship of harmonic signals works as follows. Input signals in the form of a first harmonic voltage signal U _x (t) = Asin (ωt + F ₁ ) and a second harmonic voltage signal U _y (t) = Bsin (ωt + F ₂ ) are supplied to the first and second input buses 1, 2 devices, therefore, the voltages U _x (t), U _y (t) are supplied to the division unit 3, the voltage U _x (t) being a divisible signal, and the voltage U _y (t) being a divider signal.

На выходе блока 3 деления получают напряжение U₃(t), пропорциональное частности от деления f(t)=U_x(t)/U_y(t). Это напряжение поступает на блок 4 усреднения, на выходе которого получают напряжение U₄(K). Это напряжение при разовых сдвигах F₀, близких к синфазным или противофазным будет приближаться к значению напряжения, соответствующего отношению значений амплитуд входных сигналов.At the output of the division unit 3, a voltage U ₃ (t) is obtained proportional to the particular from the division f (t) = U _x (t) / U _y (t). This voltage is supplied to the averaging unit 4, the output of which receives the voltage U ₄ (K). This voltage at single shifts F ₀ close to in-phase or out-of-phase will approach the value of the voltage corresponding to the ratio of the amplitudes of the input signals.

Напряжение U₄(K) с выхода блока 4 усреднения поступает на вторые входы первого и второго блоков 5 и 6 сравнения. Напряжение U₄(K) является опорным напряжением для второго блока 6 сравнения, на первый вход которого поступает текущее значение напряжения U₃(t), которое сравнивается с усредненным значением напряжения U₃(t). При синфазности или противофазности исследуемых сигналов значения напряжения U₃(t) и U₄(K) будут равны между собой, и на выходе второго блока 6 сравнения получают напряжение U₆, к примеру, в виде логической единицы. Тогда при отклонениях от синфазности или противофазности на выходе второго блока 6 сравнения будет напряжение логического нуля.The voltage U ₄ (K) from the output of the averaging unit 4 is supplied to the second inputs of the first and second comparison units 5 and 6. The voltage U ₄ (K) is the reference voltage for the second comparison unit 6, the first input of which receives the current voltage value U ₃ (t), which is compared with the average voltage value U ₃ (t). When the phase signals are in phase or out of phase, the voltage values U ₃ (t) and U ₄ (K) will be equal to each other, and the voltage U ₆ , for example, as a logical unit, is obtained at the output of the second comparison unit 6. Then, with deviations from in-phase or out-of-phase, the output of the second comparison unit 6 will be a logic zero voltage.

Напряжение U₆ является управляющим для первого блока 5 сравнения, на второй вход которого, являющегося информационным, поступает напряжение U₄(K) с выхода блока 4 усреднения. При отклонениях от синфазности или противофазности на управляющем входе первого блока 5 сравнения будет напряжение логического нуля, которое блокирует выходное напряжение, и на выходе первого блока 5 сравнения получают выходное напряжение логического нуля, то есть U_вых= U₅="0".The voltage U ₆ is the control for the first comparison unit 5, the second input of which, which is information, receives the voltage U ₄ (K) from the output of the averaging unit 4. When deviations from in-phase or out-of-phase, the control input of the first comparison unit 5 will have a logic zero voltage, which blocks the output voltage, and the output of the first comparison unit 5 will receive an output logic zero voltage, that is, _Uout = U ₅ = "0".

В случае синфазности или противофазности управляющее напряжение U₆ будет равно логической единице, которая "открывает" первый блок 5 сравнения. В случае синфазности получим на выходе устройства напряжение логической "+1", а в случае противофазности получим напряжение логической "-1".In the case of in-phase or out-of-phase control voltage U ₆ will be equal to the logical unit, which "opens" the first block 5 of the comparison. In case of common mode, we get the logical voltage “+1” at the output of the device, and in case of out of phase we get the logical voltage “-1”.

Устройство выполнено на стандартных элементах по известным схемам, например: блок 3 деления выполнен аналогично блоку деления из [3a] блок 4 усреднения выполнен с помощью ФНЧ на ОУ; первый и второй блоки 5 и 6 сравнения выполнены с помощью компараторов аналогично [3б, в]
Предлагаемое устройство не только позволяет четко определять синфазность и противофазность исследуемых сигналов, но и позволяет их различать, имея преимущества перед многими другими устройствами по своей простоте и точности, особенно в инфранизкочастотном диапазоне, когда амплитуды исследуемых колебаний значительно различаются между собой, изменяясь в большом динамическом диапазоне.The device is made on standard elements according to well-known schemes, for example: the division unit 3 is made similar to the division unit from [3a]; the averaging unit 4 is made using the low-pass filter at the op-amp; the first and second comparison blocks 5 and 6 are made using comparators similarly [3b, c]
The proposed device not only allows you to clearly determine the in-phase and antiphase of the studied signals, but also allows them to be distinguished, having advantages over many other devices in their simplicity and accuracy, especially in the infra-low-frequency range, when the amplitudes of the studied vibrations vary significantly among themselves, changing in a large dynamic range .

Claims (1)

Устройство для определения соотношения фаз гармонических сигналов, содержащее первую и вторую входные шины устройства, блок деления и первый блок сравнения, причем первая входная шина устройства подключена к первому входу блока деления, второй вход которого подключен к второй входной шине устройства, выход первого блока сравнения подключен к выходной шине устройства, отличающееся тем, что в него введены блок усреднения и второй блок сравнения, первый вход которого подключен к выходу блока деления и к входу блока усреднения, выход которого подключен к вторым входам первого и второго блоков сравнения, первый вход первого блока сравнения подключен к выходу второго блока сравнения. A device for determining the phase relationship of harmonic signals containing the first and second input buses of the device, the division unit and the first comparison unit, the first input bus of the device connected to the first input of the division unit, the second input of which is connected to the second input bus of the device, the output of the first comparison unit is connected to the output bus of the device, characterized in that an averaging unit and a second comparison unit are introduced into it, the first input of which is connected to the output of the division unit and to the input of the averaging unit, the output of which connected to the second inputs of the first and second comparison units, the first input of the first comparison unit is connected to the output of the second comparison unit.