СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ МЕЖДУ ДВУМЯ ГАРМОНИЧЕСКИМИ СИГНАЛАМИ ОДИНАКОВОЙ ЧАСТОТЫ
METHOD OF MEASUREMENT OF PHASE SHIFTS BETWEEN TWO HARMONIC SIGNALS OF SIMILAR FREQUENCY

Способ измерения относится к радиоизмерительной технике, и может быть использован при создании измерителей фазовых сдвигов между двумя гармоническими сигналами.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения фазовых сдвигов между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты.
ОП1
ОП1
ОП1
ОП2
ОП2
ОП2
ОП1
ОП1
И1
И1
И1
И2
И2
И2
И1
И1
x
Сущность способа заключается в том, что в опорном канале задается время выборки t, следующей непосредственно перед переходом напряжения через нуль, измеряется и запоминается напряжение e(t), определяется время выборки t, следующей сразу после перехода напряжения через нуль, соответствующее напряжению e(t), равному напряжению - е(t), аналогично в измерительном канале задается время выборки t, следующей непосредственно перед переходом напряжения через нуль, измеряется и запоминается напряжение e(t), определяется время выборки t, следующей сразу после перехода напряжения через нуль, соответствующее напряжению e(t), равному напряжению - e(t), а искомый фазовый сдвиг α между двумя гармоническими сигналами одинаковой частоты определяется по формуле
,
где ;  для первого квадранта;
M
для второго и третьего квадрантов;  для четвертого квадранта; ω - круговая частота исследуемых сигналов; U - амплитуда напряжения на выходе смесителя.
Полученная информация используется для определения фазового сдвига между гармоническими сигналами опорного и измерительного каналов на промежуточной частоте.
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при создании СВЧ фазометров для исследования фазочастотных характеристик многополюсников и других радиотехнических устройств.
Известен способ измерения фазовых сдвигов, основанный на измерении среднего значения относительной величины временного сдвига между исследуемыми напряжениями за некоторое время [Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: учеб. пособие. / Ф.В. Кушнир, Савенок В.Г. - Л.: Энергия, 1975. 368 с.].
Недостатком способа является большая погрешность измерения за счет несовершенства формирующих устройств.
Известен способ измерения фазовых сдвигов, основанный на измерении интервала времени между переходами через нуль между исследуемыми напряжениями и определении фазового сдвига между этими напряжениями [SU, авторское свидетельство, 1406511, кл. G01R 25/00, 1988].
Недостатком способа является большая погрешность измерения за счет неточности определения времени между переходами через нуль между исследуемыми напряжениями.
Известен способ измерения фазовых сдвигов [M.F. Wagdy, M.S.P. Lucas «Evvrors in Simpled Data Phase Measurement)) IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, V/I, M-34, N4, December, 1985, p. 507-509] - прототип, основанный на измерении длительности интервалов времени
1
1
p1
τ=(n-1)ΔT+Δt;
2
2
p2
τ=(n-1)ΔT+Δt,
и определении фазового сдвига между исследуемыми напряжениями по формуле
1
2
1
2
p1
p2
где τ и τ - длительности интервалов времени для первого и второго сигналов соответственно; n, n - число выборок сигнала, поступивших с момента начала измерений до момента смены выборки в первом и втором каналах соответственно; ΔT - период дискретизации; Δt и Δt - интервалы времени между последней выборкой перед сменой знака и точкой пересечения нулевого уровня.
С учетом формулы (1) абсолютная погрешность измерения фазового сдвига между исследуемыми напряжениями имеет вид
ϕmax
p1
р2
Анализ формулы (2) показывает, что максимальная погрешность δ измерения при Δt, стремящемуся к значению периода дискретизации ΔT, a Δt к нулю, определяется (фиг. 1) по формуле
p2
p1
Аналогично при Δt, стремящемуся к значению периода дискретизации ΔT, а Δt к нулю, определяется по формуле
Недостатком способа является большая погрешность измерения за счет неточности определения времени между переходами через нуль исследуемых напряжений.
0
0
Пусть частота ω исследуемых напряжений, приблизительно в М раз меньше частоты ω взятия отсчетов. Тогда, например, при ω=20 кГц и М=30 частота ω взятия отсчетов будет равна 600 кГц. При этом период дискретизации
С учетом (2)…(5) получим
М
Таким образом, погрешность измерения фазовых сдвигов известным способом является достаточно большой. Снижение Δϕ за счет уменьшения периода дискретизации ΔT ограничивается быстродействием современных АЦП.
На фиг. 2 представлена структурная схема цифрового фазометра, с помощью которого реализуется предлагаемый способ.
Цифровой фазометр содержит: смесители 1 опорного и измерительного каналов; гетеродин 2; усилители 3 промежуточной частоты (УПЧ); управляемый фазовращатель 4; аналого-цифровые преобразователи 5 (АЦП); генератор стробирующих импульсов 6 (ГСИ); микроЭВМ 7; блок индикации 8 (БИ).
Устройство работает следующим образом.
оп
из
Сверхвысокочастотные сигналы e(t) и e(t) поступают на информационные входы смесителей 1, на вторые входы которых поступает напряжение гетеродина 2. УПЧ 3 осуществляют выделение из спектра преобразованных сигналов полезные составляющие и усиливают их до уровня, соответствующего линейному участку характеристики АЦП 5. Фазовращатель 4 по сигналу с микроЭВМ 7 изменяет фазу проходящего через него сигнала таким образом, чтобы в режиме калибровки дифференциальный фазовый сдвиг между опорным и измерительным каналами стал равным нулю. ГСИ 6 включает АЦП 5 передним фронтом своих импульсов, а задним фронтом приостанавливает его работу, поэтому АЦП 5 преобразуют аналоговые сигналы опорного и измерительного каналов в цифровые эквиваленты только в строго определенное время. МикроЭВМ 7 считывает из регистров памяти АЦП 5 эти цифровые эквиваленты и обрабатывает их по определенному алгоритму. Блок индикации 8 считывает обработанную цифровую информацию и представляет ее на своем экране в виде, удобном для оператора.
Рассмотрим работу фазометра на примере определения времени перехода напряжения
ОП
М
e(t)=Usin(ωt)
ОП1
опорного канала через нуль. На первом этапе оператором задается время t первой выборки. На выходе АЦП 5 опорного канала формируется и запоминается в микроЭВМ 7 код, соответствующий напряжению
ОП1
ОП1
М
ОП1
e(t)=Usin(ωt).
ОП2
После перехода напряжения опорного канала через нуль микроЭВМ 7 путем анализа поступивших с АЦП 5 опорного канала кодов фиксирует такое время выборки t, которое соответствует напряжению
ОП2
С учетом (7) время выборки t рассчитывается микроЭВМ 7 по формуле
Время перехода через нуль напряжения опорного канала определяется по формуле (фиг. 3)
И
X
X
Аналогично формируется время t перехода через нуль для измерительного канала. Однако искомый фазовый сдвиг между напряжениями опорного и измерительного каналов α может находиться в пределах 2π≤α≤0, поэтому, в зависимости от квадранта, его вычисление проводится по различным формулам. На первом этапе режима измерения оператором задается время первой выборки для напряжения перед его переходом через нуль
.
При этом напряжение этой выборки определяется формулой
X
где K - модуль коэффициента передачи исследуемого четырехполюсника.
И2
После перехода напряжения измерительного канала через нуль микроЭВМ 7 путем анализа поступившей с АЦП 5 информации фиксирует такое время выборки t, которое соответствует напряжению
И2
С учетом (11) время выборки t рассчитывается по формулам
для  (для первого квадранта)
для  (для второго квадранта)
для  (третьего квадранта)
для  (четвертого квадранта)
Время перехода через нуль напряжения измерительного канала и фазовый сдвиг между напряжениями опорного и измерительного каналов определяется соответственно по формулам
Проведем анализ погрешности измерения фазового сдвига за счет погрешности измерения напряжения выборок.
ОП1
Из сказанного выше понятно, что время первой выборки, следующей перед переходом напряжения опорного канала через нуль, задается произвольно, поэтому погрешность ее определения будем считать равной нулю. Измеренное значение напряжения опорного канала, соответствующее времени t этой выборки с учетом погрешности его измерения, описывается формулой
ОП1
где ΔU - абсолютная погрешность измерения напряжения (18).
ОП2
Соответственно и время t выборки, следующей (по аналогии с формулой (8)) после перехода напряжения через нуль, определяется формулой
Очевидно, что время перехода напряжения опорного канала через нуль с учетом погрешности его измерения определяется выражением
По аналогии с формулой (10) для напряжения выборки, следующей перед переходом этого напряжения через нуль с учетом погрешности его определения, будем иметь
Тогда с учетом (11) можно записать выражение, описывающее напряжение выборки, следующей после перехода напряжения измерительного канала через нуль с учетом погрешности его определения
При этом время  выборки, следующей (по аналогии с формулами (12)…(15)) после перехода напряжения измерительного канала через нуль определяется выражениями
для  (для первого квадранта)
для  (для второго квадранта)
для  (третьего квадранта)
для  (четвертого квадранта)
Время перехода через нуль напряжения измерительного канала и фазовый сдвиг между напряжениями опорного и измерительного каналов определяются соответственно по формулам:
Выражения для погрешности измерения фазового сдвига с учетом (17) будет иметь вид
X
X
Расчеты по формуле (29) показывают, что максимальная погрешность измерения Δα в диапазоне фазовых углов 2π<α<0 не превышает долей градуса при погрешности измерения напряжения выборок 0,1%.
Таким образом, предложен способ измерения фазовых сдвигов гармонических сигналов одинаковой частоты, обеспечивающий высокую точность измерения. Он может быть использован при разработке измерителей фазовых сдвигов различных устройств высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов.