Фазометр цифровой инфранизких частот с блоком управления фазовращателем

В данной научной статье подробно изучается конструкция и работа одноканального инфранизкочастотного цифрового фазометра, устройства, которое находит широкое применение в фазоизмерительной, информационно-преобразовательной технике, а также в информационно-измерительных системах. Основной акцент статьи сделан на специфическом аспекте конструкции этого фазометра – на применении в нем регулируемого фазовращателя. Использование такого компонента позволяет значительно повысить точность измерений. Это достигается за счет исключения погрешности фазовращателя опорного сигнала при определении сдвига фаз синусоидальных сигналов. Таким образом, статья подробно обсуждает преимущества использования регулируемого фазовращателя, включая анализ точности, потенциальные проблемы и способы их преодоления. Этот материал будет полезен для специалистов в области электроники и измерительных технологий, а также для тех, кто хочет углубить свои знания в области цифровой обработки сигналов.

Аннотация статьи
фазовращатель
фазометр цифровой
погрешность
Ключевые слова

Введение

Для современного этапа развития измерительной техники характерно все более интенсивное и глубокое проникновение в ее различные направления цифровых приборов. Цифровые измерительные приборы значительно преобразовали облик всего парка средств измерений и открывают новые возможности для их применения.

Так как средства измерений – это технические устройства, служащие для измерений физической величины, а сигнал – это изменение физической величины, несущее информацию, то средства измерений широко используются для измерений различных характеристик сигналов.

В [1] установлены термины и определения основных понятий в области измерительных радиотехнических сигналов. Одной из характеристик взаимосвязи таких сигналов является фазовый сдвиг. Фаза сигнала также относится к основным параметрам гармонических сигналов, поскольку определяет состояние колебательного процесса в любой заданный момент времени. Она используется во многих радиоэлектронных системах в качестве одного из основных информационных параметров сигналов, так как метод фазового кодирования является одним из самых помехоустойчивых [2].

В измерительной практике обычно решают задачу измерений разности фаз (фазового сдвига) двух гармонических (синусоидальных) колебаний с равными частотами [3].

Для измерений фазового сдвига в настоящее время широко используют цифровые фазометры. Основной задачей метрологического обеспечения средств измерений и фазометров в частности, является уменьшение их погрешности измерений [6].

Цифровой фазометр, рассмотренный в данной статье обсуждении, позволяет уменьшить погрешность при измерении фазового сдвига благодаря корректировке и исключению неоднозначности в определении фазового сдвига синусоидальных сигналов, а также благодаря минимизации ошибок фазовращателя эталонного сигнала. Исследуемое устройство имеет регулируемый фазовращатель.

Описание фазометра

В источнике [4] представлен одноканальный инфранизкочастотный фазометр, который определяет фазовый сдвиг синусоидальных сигналов и позволяет улучшить точность измерений фазового сдвига сигналов с различными амплитудами, исключая неоднозначность результатов измерений.

Однако, его ограничением является потенциальная возможность ошибок при определении фазового сдвига синусоидальных сигналов, величина которого колеблется от π/2 до 2π. Такое положение обусловлено применяемым методом измерения: вначале определяется значение функции tgφx*, затем результат измерения вычисляется как arctg(tgφx*)=φx*. В этом контексте значение функции tgφx* неоднозначно. Например, tgφx*=1,732 при φx=π/3 и φx=4π/3, tgφx*=-1,732 при φx=2π/3 и φx=5π/3.

Чтобы исправить указанный недостаток, требуется коррекция в виде значения π при π/2<φx≤3π/2 и в виде значения 2π при 3π/2<φx≤2π результата измерений.

Дополнительно, для исключения ошибок, образующихся при определении фазового сдвига синусоидальных сигналов из-за неточности фазовращателя, в данный фазометр внедрена обратная связь, которая отслеживает изменение номинального значения угла сдвига фазы фазовращателя, компенсирует изменения и управляет фазовращателем.

Этот набор решений успешно внедрен в цифровой фазометр, описанный в данной публикации.

Иллюстрация 1 демонстрирует структурную схему фазометра.

Функционирует предлагаемый фазометр так:

Опорный сигнал U1(t)=Um1sinΩt направляется на первые входы первого и второго перемножителей 1 и 10, а исследуемый сигнал U2(t)=Um2sin(Ωt-φx), который имеет аналогичную частоту Ω и неизвестный фазовый сдвиг, направляется на второй вход второго перемножителя 10 и второй вход первого перемножителя 1 через первый фазовращатель 4, который сдвигает фазу исследуемого сигнала U2(t) на π/2

U3(t)=Um2cos(Ωt-φx)

Опорный сигнал U1(t) и исследуемый U2(t) могут иметь различные амплитуды.

Сигнал из второго фазовращателя 7

U4(t)=Um1cosΩt

направляется на первый вход блока определения значения поправки 14 и на второй вход блока управления фазовращателем 29. Опорный сигнал U1(t)= Um1sinΩt направляется на первый вход блока управления фазовращателем 29.

Управляющее напряжение Uу, которое генерируется на выходе блока управления фазовращателем 29, представляет собой интегрированное на четном числе периодов произведение напряжений U1(t) и U4(t), умноженное на «2».

На выходе второго и первого перемножителей 10 и 1 формируются сигналы

U5(t)=Um1Um2sinΩtsin(Ωt – φx);

U6(t)= Um1Um2sinΩtcos(Ωt – φx),

которые направляются соответственно на первый вход сумматора 6 и первый вход блока вычитания 2.

Рис. Функциональная схема фазометра

Сигнал

U7(t) = Um1Um2cosΩtcos(Ωt – φx),

произведенный третьим перемножителем 5, направляется на второй вход сумматора 6. Сигнал

U8(t) = Um1Um2cosΩtsin(Ωt – φx),

выходящий из четвертого перемножителя 8 и поступает на второй вход блока вычитания 2.

Блок вычитания 2 выдает сигнал

U9(t)=U6(t) – U8(t)=

= Um1Um2[sinΩtcos(Ωt – φx) + cosΩtsin(Ωt – φx)] = Um1Um2sinφx,

который направляется на первый вход блока деления 3.

Сигнал

U10(t)=U5(t) + U7(t) =

= Um1Um2[sinΩtsin(Ωt – φx) + cosΩtcos(Ωt – φx)] = Um1Um2cosφx,

полученный от сумматора 6, направляется на второй вход блока деления 3.

Результатом работы блока деления 3 является сигнал

U11(t) = U9/U10 = tgφx,

который направляется на блок преобразования арктангенса 9. На выходе этого блока формируется сигнал

U12(t) = arctg(tgφx*) = φx*,

который поступает на вход блока формирования значения поправки 11.

Блок формирования значения поправки 11 принимает входной сигнал U12(t) и направляет его на свой первый выход. Помимо этого, на основе входного сигнала U12(t), этот блок генерирует два дополнительных сигнала:

U13(t)= π + φx*,

U14(t) = 2π + φx*.

Эти сигналы направляются соответственно на второй и третий выходы данного блока.

В составе блока формирования значения поправки 11 находятся два сумматора – 16 и 17. Первые входы этих сумматоров связаны с входом блока и его первым выходом, в то время как их вторые входы связаны с блоками хранения 18 и 19, где хранятся значения «π» и «2π» соответственно. Сигналы на выходах сумматоров 16 и 17 направляются на второй и третий выходы блока формирования значения поправки 11.

Сигналы U12(t), U13(t), U14(t) от первого, второго и третьего выходов блока формирования значения поправки 11 поступают на соответствующие входы коммутатора 12. Сигнал управления U15(t), полученный от блока управления 15, подается на управляющий вход коммутатора 12.

Блок управления 15 генерирует управляющий сигнал U15(t) с использованием блока определения значения поправки 14. Для этого в блок определения значения поправки 14 на второй и первый входы подаются исходный опорный сигнал U1(t) без фазового сдвига и опорный сигнал U4(t) с фазовым сдвигом на π/2 соответственно.

В результате работы блока определения значения поправки 14, на его выходе генерируется сигнал

принимающий одно из трех возможных значений 1, 2 или 3, в зависимости от текущего значения фазы φ0 = Ωt по mod 2π опорного сигнала U1(t).

Сигнал U16(t) поступает на первый вход блока управления 15, в то время как исследуемый сигнал U2(t) поступает на второй его вход. Блок управления 15 создает управляющий сигнал

который принимает одно из трех значений: 1, 2 или 3, в зависимости от величины фазового сдвига исследуемого сигнала U2(t) относительно опорного сигнала U1(t).

В зависимости от значения управляющего сигнала U15(t), один из трех сигналов U12(t), U13(t) или U14(t) проходит через коммутатор 12. В результате на выходе коммутатора 12 формируется сигнал

который затем направляется в блок отчета и регистрации 13.

Описанный инфранизкочастотный фазометр позволяет уменьшить погрешность измерения путем внесения корректировок в результаты измерения, что устраняет неоднозначность в определении фазового сдвига синусоидальных сигналов и ошибки, вызванные фазовращателем опорного сигнала.

Блок определения значения поправки 14 включает в себя два датчика перехода через ноль 20 и 21, перемножитель 22, первый сумматор 23, блок деления на "2" 24, второй сумматор 25 и блок хранения значения "2" 26.

Блок управления 15 состоит из последовательно подключенных компаратора 27 и ключа с памятью 28.

Блок управления фазовращателем 29 содержит перемножитель 30, интегратор 31 и усилитель 32 с коэффициентом усиления "2".

Выводы

Описанный в данной статье инфранизкочастотный фазометр значительно уменьшает ошибки измерений. Это достигается благодаря двум ключевым характеристикам устройства.

Первая из них заключается в устранении неоднозначности при определении фазового сдвига синусоидальных сигналов. В стандартных условиях такой сдвиг может варьироваться в диапазоне от π/2 до 2π. В таком большом диапазоне возможно появление ошибок из-за сложности точного определения значения фазового сдвига. Однако благодаря уникальному подходу, применяемому в описываемом фазометре, данная проблема успешно решается.

Вторая характеристика, позволяющая сократить количество ошибок в измерениях, связана с устранением погрешности фазовращателя опорного сигнала. В обычных условиях, такие погрешности могут возникать из-за неидеальных условий работы или несовершенства самого устройства. Но применение специального подхода в данном фазометре позволяет минимизировать эту проблему, делая измерения более точными и надежными.

Таким образом, уникальная конструкция и методика работы описанного инфранизкочастотного фазометра способствуют значительному снижению погрешности измерений и повышению точности и надежности получаемых данных.

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своим бывшим коллегам по Военной академии Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого, которые являются соавторами патента на изобретение № 2321006 C1 [5] и помогли получить данные исследований, использованные в настоящей статье: 1) Аношкину Александру Владимировичу; 2) Кирееву Дмитрию Геннадьевичу; 3) Смыку Сергею Владимировичу.

Текст статьи
  1. ГОСТ 16465-70. Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения. Межгосударственный стандарт.
  2. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника / Тихонов В.И. – М.: Советское радио, 1982. – 624 с.
  3. Метрология и электрические измерения: Учеб. пособие / Е.Д. Шабалдин, Г.К. Смолин, В.И. Уткин, А.П. Зарубин; Под ред. Е.Д. Шабалдина. – Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2006. – 282 с.
  4. Авторское свидетельство СССР № 1448300 А1, 09.01.1987 г.
  5. Патент Российской Федерации № 2321006 C1, 26.10.2006 г.
  6. Что такое фазометр – назначение, области применения, популярные модели. 2018. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://elektrikexpert.ru/fazometr.html
  7. МетрКонсалт. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://metrcons.ru/info/articles/sredstva-izmereniy-i-ikh-pogreshnosti/sredstva-izmereniy/
  8. Изменение физической величины несущее информацию кодированную определенным способом это. 2021. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://molotokrus.ru/izmenenie-fizicheskoy-velichiny-nesuschee-informatsiyu-kodirovannuyu-opredelennym-sposobom-eto/
  9. Кит Кунс. Что такое фазовый измеритель? About Mechanics, 2023. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.aboutmechanics.com/what-is-a-phase-meter.htm
  10. COM. Онлайн-изучение электротехники и электроники. Цифровая блочная схема фазового счетчика и принцип работы. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.eeeguide.com/digital-phase-meter-block-diagram-and-working-principle/
Список литературы