СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВОГО СДВИГА ФИЛЬТРА НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ СИНХРОННОГО ДЕТЕКТОРА
METHOD OF MEASURING PHASE SHIFT OF LOW FREQUENCY FILTER SYNCHRONOUS DETECTOR

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения фазового сдвига преобразователя сигналов (синхронного детектора или демодулятора), осуществляющего умножение на опорное колебание и последующую фильтрацию низкочастотной составляющей детектируемого сигнала с комбинированной амплитудной и фазовой модуляцией или манипуляцией.
Известен измеритель фаз осциллографический по патенту РФ №2314543, опубл. 10.01.2008 г., БИ №1. Этот измеритель обеспечивает определение характеристик сигналов с комбинированной амплитудной и фазовой манипуляцией. Сущность используемого в этом измерителе фаз способе измерения фаз заключается в изменении построения отдельных составных частей измерителя фаз, выполняющих функции создания опорного напряжения для определения фазовых характеристик анализируемого сигнала, формирования линейной развертки для определения амплитудно-временных характеристик сигнала, формирования и отображения амплитудно-фазовой структуры сигнала путем введения ряда дополнительных элементов, определенным образом соединенных и обеспечивающих совместно с уже имеющимися в фазометре узлами и блоками выполнение вышеуказанных процедур и адаптивную настройку каналов определения амплитудно-фазовых и временных характеристик сигналов на априорно неизвестную тактовую частоту сигнала.
Недостатком этого измерителя фаз при использовании его для определения фазового сдвига преобразователя, осуществляющего фильтрацию низкочастотной составляющей детектируемого сигнала с комбинированной амплитудной и фазовой модуляцией, является его сложность и невысокая точность.
Известен цифровой способ измерения фазового сдвига гармонических колебаний по патенту РФ №2419098, опубл. 27.11.2010 г., БИ №14, основанный на измерении в ограниченном временном интервале среднего значения сдвига фазы, полученного в результате преобразования временных интервалов между одноименными фазами измеряемого и опорного колебаний.
Известен способ измерения фазового сдвига синусоидальных сигналов по патенту РФ №2264631, опубл. 20.11.2005 г., БИ №32, по которому осуществляется оцифровка сигналов в одни и те же моменты времени, математическая обработка результатов измерения с определением реактивной и активной квазимощности и определение фазового сдвига их отношением.
Указанные известные способы не могут использоваться для измерения фазового сдвига преобразователя сигналов (детектора), осуществляющего фильтрацию низкочастотной составляющей детектируемого сигнала с комбинированной амплитудной и фазовой модуляцией, поскольку на выходе умножителя детектора, подключенного к входу фильтра низкой частоты детектора, присутствуют несколько гармоник сигналов.
Наиболее близким к заявляемому является способ определения разности фаз двух сигналов по патенту РФ 2040002, опубл. 20.07.1995 г., БИ №20, выбранный в качестве прототипа, в соответствии с которым осуществляют взаимодействие между мгновенными значениями отфильтрованных сигналов, принимают величину одного из сигналов в качестве делимого, делят на величины другого, получают сигнал, частное значение которого измеряют на интервале выбранного полупериода сигнала-делителя в моменты времени, соответствующие значениям четверти полупериода сигнала делителя, с последующим определением разности фаз с использованием математических формул.
Задачей данного технического решения (прототипа) являлось повышение точности измерения сдвига фаз сигналов с известным отношением их амплитуд за счет измерения мгновенных значений отфильтрованных сигналов и математической обработки результатов измерения.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что при измерении фазового сдвига преобразователя сигналов (детектора), осуществляющего фильтрацию низкочастотной составляющей детектируемого сигнала с комбинированной амплитудной и фазовой модуляцией, необходимо формирование дополнительного синусоидального сигнала, получаемого обработкой входных напряжений детектора сигналов и сравнение его с выходным сигналом детектора. Необходимость формирования дополнительных сигналов приводит к значительному усложнению измерения фазового сдвига преобразователя и снижению точности измерения фазового сдвига из-за погрешности, вносимой операциями по получению указанного дополнительного сигнала.
Общими признаками с предлагаемым изобретением в способе, выбранном в качестве прототипа, является измерение параметров сигналов и определение фазового сдвига математической обработкой результатов измерения.
1
2
пр
p
В отличие от прототипа, в предлагаемом способе дважды осуществляется измерение выходного сигнала U, U преобразователя сигналов, первоначально при модуле разности частот ω, подаваемых на входы основного (информационного) и опорного сигнала, равной частоте, на которой необходимо определение фазового сдвига, а затем при изменении одной из частот до уровня, соответствующего максимальному значению выходного сигнала детектора, фиксируя модуль разности ω подаваемых на входы частот, проведение расчета фазового сдвига в соответствии с выражением
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, обеспечивающего упрощение и повышение точности измерения фазового сдвига, вносимого преобразователем сигналов, осуществляющим фильтрацию низкочастотной составляющей детектируемого сигнала с комбинированной амплитудной и фазовой модуляцией.
Это достигается измерением выходного сигнала преобразователя при различных параметрах входных сигналов с последующей математической обработкой результатов измерения.
Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объект правовой охраны, во всех случаях достаточны.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Первоначально на входы преобразователя подаются сигналы:
оп
с частотой ω - на вход преобразователя, предназначенный для подключения опорного сигнала,
с
с частотой ω - на вход преобразователя, предназначенный для подключения информационного сигнала.
оп
с
пр
оп
с
Частоты ω, ω выбираются таким образом, чтобы модуль их разности соответствовал частоте ω=/ω-ω/, на которой необходимо определение фазового сдвига преобразователя сигналов.
1
При подаче указанных частот осуществляется измерение выходного напряжения U преобразователя.
с
р
2
Затем, оставляя неизменными величины напряжений, подаваемых на входы преобразователя сигналов, изменяя частоту одного из них, например частоту ω, фиксируют значение модуля разности частот ω, подаваемых на входы преобразователя сигналов, при которой выходное напряжение преобразователя сигналов принимает максимальное значение. Это напряжение U также фиксируют.
После выполнения указанных операций осуществляют расчет фазового сдвига φ по формуле
Дополнительно может быть определена неравномерность Л амплитудно-частотной характеристики преобразователя сигналов по формуле
Покажем справедливость записанных выражений определения фазового сдвига и неравномерности амплитудно-частотной характеристики преобразователя сигналов, осуществляющего фильтрацию низкочастотной составляющей демодулированного сигнала с комбинированной амплитудной и фазовой манипуляцией.
На первый вход преобразователя сигналов поступает напряжение информационного сигнала
c
ca
c
u=usin(ωt+ψ),
ca
где u - амплитуда напряжения информационного сигнала,
ψ - фаза информационного сигнала.
На второй вход преобразователя поступает опорное напряжение, используемое для демодуляции информационного сигнала.
оп
опа
oп
u=usin(ωt),
oпa
где u - амплитуда напряжения опорного сигнала.
c
ca
Информация в сигнале u содержится в его амплитуде u и мгновенном значении фазы относительно фазы опорного сигнала.
c
oп
∂
Демодулятор преобразователя осуществляет перемножение напряжений u и u и на его выходе формируется напряжение u
∂
1
c
оп
u=Asin(ωt+ψ)·sin(ωt),
1
ca
опа
где А - амплитуда выходного напряжения демодулятора, зависящая от амплитуд u, u.
Преобразуем последнее выражение.
с
oп
с
oп
Получили две гармоники сигнала - низкой частоты (ω-ω) и высокой частоты (ω+ω).
В качестве умножителя демодулятора может быть использован также фазочувствительный выпрямитель. В этом случае, наряду с указанными выше гармониками, появляются дополнительные высокочастотные гармоники.
С помощью фильтра низкой частоты преобразователя сигналов отфильтровывается низкочастотная составляющая сигнала и на выходе этого фильтра формируется напряжение
ф
фа
c
oп
u=uсоs[(ω-ω)t+ψ+φ],
фа
где u - амплитуда напряжения на выходе фильтра низкой частоты,
φ - фазовый сдвиг, вносимый фильтром низкой частоты преобразователя сигналов.
В преобразователе сигналов используются фильтры низкой частоты 2-го порядка, имеющие в комплексной форме передаточную функцию
o
где K - коэффициент передачи фильтра низкой частоты на нулевой частоте входного сигнала фильтра,
Q - относительное значение входной частоты фильтра,
пр
ω - частота низкочастотной гармоники входного сигнала фильтра,
p
ω - резонансная частота фильтра,
ξ - коэффициент затухания фильтра.
Фазовый сдвиг φ, вносимый фильтром низкой частоты, определяется отношением мнимой и вещественной части передаточной функции
Модуль коэффициента передачи фильтра определяется выражением
При резонансной частоте, Ω=1
вх
где U - входное напряжение фильтра,
2
U - выходное напряжение фильтра при резонансной частоте.
пр
При частоте входного сигнала фильтра ω,
1
вх
U=U·K(Ω).
В соответствии с выражением (5)
тогда
Подставляя последнее выражение в (1) получаем с учетом того, что
Получили выражение (4), что подтверждает справедливость выражения (1).
пр
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики фильтра низкой частоты преобразователя сигналов в соответствии с выражением (5) в диапазоне частот от 0 до ω равна
Для исключения искажений выходного сигнала преобразователь должен иметь минимальное значение фазового сдвига. Как следует из выражения (4), это может достигаться выбором коэффициента затухания
ξ<<1 и Ω<1.
В этом случае
2
2
2
(ξ·Ω)<<(1-Ω).
С учетом этого выражение (6) может быть упрощено путем исключения второго члена подкоренной суммы.
Это соответствует выражению (2).
Приведем цифровой пример определения фазового сдвига и неравномерности амплитудно-частотной характеристики преобразователя сигналов, осуществляющего фильтрацию низкочастотной составляющей детектируемого сигнала с комбинированной амплитудной и фазовой модуляцией.
При измерении параметров преобразователя получены следующие значения:
1
оп
с
U=0,5 В при ω=785 рад/с, ω=691 рад/с,
пр
оп
с
ω=/ω-ω/=94 рад/с,
2
оп
с
р
оп
с
U=3 В при ω=785 рад/с, ω=471 рад/с, ω=/ω-ω/=314 рад/с.
По формуле (1)
По формуле (2)
Оценим точность определения Δ.
Из выражения (4) найдем ξ.
По формуле (6)
Результаты практически совпали, что подтверждает справедливость выражения (2).
Проведенные лабораторные испытания предлагаемого способа подтвердили его эффективность при измерении фазового сдвига преобразователя сигналов, осуществляющего фильтрацию низкочастотной составляющей детектируемого сигнала с комбинированной амплитудной и фазовой модуляцией.