Фазометр цифровой инфранизких частот с блоком управления фазовращателем

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 tgφ_x*, затем результат измерения вычисляется как arctg(tgφ_x*)=φ_x*. В этом контексте значение функции tgφ_x* неоднозначно. Например, tgφ_x*=1,732 при φ_x=π/3 и φ_x=4π/3, tgφ_x*=-1,732 при φ_x=2π/3 и φ_x=5π/3.

Чтобы исправить указанный недостаток, требуется коррекция в виде значения π при π/2<φ_x≤3π/2 и в виде значения 2π при 3π/2<φ_x≤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-φ_x), 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-φ_x)

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 U_у, 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 – φ_x);

U₆(t)= Um₁Um₂sinΩtcos(Ωt – φ_x),

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

Рис. Функциональная схема фазометра

Сигнал

U₇(t) = Um₁Um₂cosΩtcos(Ωt – φ_x),

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

U₈(t) = Um₁Um₂cosΩtsin(Ωt – φ_x),

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 – φ_x) + cosΩtsin(Ωt – φ_x)] = Um₁Um₂sinφ_x,

который направляется на первый вход блока деления 3.

Сигнал

U₁₀(t)=U₅(t) + U₇(t) =

= Um₁Um₂[sinΩtsin(Ωt – φ_x) + cosΩtcos(Ωt – φ_x)] = Um₁Um₂cosφ_x,

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

Результатом работы блока деления 3 является сигнал

U₁₁(t) = U₉/U₁₀ = tgφ_x,

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

U₁₂(t) = arctg(tgφ_x^*) = φ_x^*,

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 + φ_x^*,

U₁₄(t) = 2π + φ_x^*.

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.

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/