(323-326)ХНУРЭ - Харьковский национальный университет

АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ВЫДЕЛЕНИЯ ФАЗЫ
ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ С УЧЕТОМ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
СОВРЕМЕННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ
Панченко А.Ю., Марюх В.А.
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
61166, Харьков пр. Ленина 14, тел.: (057) 702-13-62,
e-mail: [email protected]
The methods for estimation of the meter phase quality is presented. Methods for
saving the measuring information amount for a number of practical cases are shown.
Введение
В настоящее время разработан ряд способов измерения разности фаз двух сигналов.
Наиболее простой и наглядный из них – осциллографический [1]. Остальные методы
реализуются с помощью специализированных электронных устройств. К ним относятся:
метод компенсации фазы, метод преобразования интервала времени в напряжение [1,2,3],
цифровой метод подсчета количества импульсов [3], метод измерения фазы с
преобразованием частоты [1], квадратурный метод измерения фазового сдвига [4,5],
метод синхронного детектирования сигнала [2], метод преобразования Фурье с
последующим извлечением фазовой составляющей [6,7]. Кроме измерения разности фаз
двух сигналов необходимо измерять фазовые сдвиги, вносимые электронными
устройствами. Обычно для этого тем или иным методов измеряют разность фаз между
входным и выходными сигналом. Отдельно можно выделить измерение с
использованием связи между амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиками
устройства посредством преобразования Гильберта для минимально-фазовых цепей [7].
Этот метод стал доступен благодаря широкому распространению современных
микроконтроллеров.
Все эти методы имеют существенный недостаток – они основаны на
предположении, что параметры сигнала остаются неизменными. Если сигнал несет
информацию, то, по крайней мере, один из его параметров должен изменяться. Фазу
узкополосного сигнала часто используют для передачи информации, так как она менее,
чем амплитуда подвержена действию помех [7]. Иная ситуация создается при
использовании фазовых соотношений в измерительной технике. В этом случае
необходимо на физическом уровне отделять изменения фазы от частотного сдвига
сигналов, а для некоторых методов и от изменения амплитуды. Наиболее сложный
случай возникает при исследовании природных объектов с помощью зондирования
волнами той или иной физической природы. В этом случае все три параметра
отраженного сигнала – амплитуда, фаза и частота подвержены изменениям, и, как
правило, все три несут информацию об объекте.
Если методы реализации устройств измерения фазы стационарных сигналов
разработаны достаточно хорошо, то определение сдвига фаз информационных
измерительных сигналов требуют дальнейшего совершенствования. При этом наиболее
важным этапом является выделение фазовой составляющей в общем изменении
параметров сигнала. Для выполнения этого этапа необходимо использовать наиболее
современные, интеллектуальные измерительные преобразователи.
Критерии оценки узкополосности и особенности измерений параметров
информационных сигналов
В общем случае информационный сигнал является произвольной функцией
времени s(t ) . В узкополосных сигналах принято выделять три параметра – амплитуду A ,
фазу  и частоту  , которые, в случае информационных сигналов, зависят от времени:
s(t )  A(t ) sin[(t )t   (t )]
323
(1)
Узкополосность сигнала предполагает, что его параметры незначительно
изменяются в течение одного или нескольких периодов. Однако, однозначно трактовать
их изменение весьма сложно, например,  (t )   (t ) . Поэтому сначала необходимо
обозначить взаимосвязь между параметрами информационных сигналов.
Поскольку измерительные преобразователи фазометров в качестве первичного
параметра во всех случаях использует то или иное соотношение между текущими
значениями измеряемого и опорного сигналов (мгновенными, усредненными и т.д.) [8],
то взаимосвязь между параметрами определяется через первые производные s(t ) . Одно и
то же изменение s по каждому из параметров может быть вызвано следующими
факторами:
s A  sin[ (t )t   (t )]  A , s  A(t ) cos[ (t )t   (t )]  to , s  A(t ) cos[(t )t   (t )]   . (2)
Графически это представлено на рис.1. Считается, что процесс измерения начался в
момент времени t  0 .
Рисунок 1 – Изменение узкополосного информационного сигнала
Критерием узкополосности для измерительных целей будет незначительное, не
более, чем некоторое, наперед заданное значение smax , изменение s(t ) , произошедшее
вследствие изменения того или иного параметра, за период и определенное в момент
максимального влияния соответствующего параметра. Это соответствует тому, что
спектр информационных составляющих сигнала лежит ниже среднего значения несущей
частоты  (t ) .
Оценка методических погрешностей различных способов измерений фазы
На рис.1 кривая I показывает изменения вызванные приращением амплитуды.
Погрешность, вызванная приращением амплитуды, определяется множителем
sin[ (t )t   (t )] , поэтому в таких методах, как метод преобразования интервала времени в
напряжение или цифровой метод подсчета количества импульсов, отсчеты производят в
момент прохождения сигнала через нуль. Аналогичные рассуждения можно привести и
для приращений, вызванных изменением частоты и начальной фазы s и s (кривые
II и III на рис.1). Все s(t ) производные являются осциллирующими функциями,
поэтому необходимо выбирать моменты измерений, соответствующими их минимумам.
Наиболее жесткие требования здесь выдвигает изменение частоты  . Вне
зависимости от метода измерений оно имеет интегральное действие. В (2) величина s
зависит от интервала времени to , прошедшего с момента начала процесса измерения.
Постольку ряд методов, например, квадратурный метод измерения фазового сдвига или
синхронного детектирования требуют интегрирования за несколько периодов, то
величина to может быть значительной.
324
Перспективы использования современной компонентной базы в фазометрии
Благодаря успехам микроэлектроники, достигнутым за последние годы, системы
цифровой обработки сигналов во многих областях полностью или частично вытеснили
традиционные аналоговые системы [9]. С помощью современных цифровых процессоров
сигналов можно выполнять достаточно сложные алгоритмы обработки сигналов в
реальном времени. Применение таких алгоритмов позволяет не только значительно
улучшить параметры существующих систем, но и построить принципиально новые
устройства, нереализуемые на основе аналоговой элементной базы.
Во многих вторичных преобразователях сигналов датчиков различного типа часто
бывает необходимо измерять амплитуду, фазу и частоту сравнительно низкочастотных
гармонических сигналов (до 100 кГц). Известны различные методы решения этих задач.
Одним из методов нахождения фазы и амплитуды сигнала является метод синхронного
детектирования, который часто используется, например, в интерферометрии [10]. Этот
метод позволяет получить достаточно точные оценки указанных параметров в результате
локального анализа сигнала на произвольном временном отрезке длительностью, равной
периоду сигнала. С помощью этого метода можно также получить достаточно точную
локальную оценку частоты. Достоинством метода является также то, что он основан на
операции свёртки, которая эффективно реализуется цифровыми процессорами сигналов.
Метод синхронного детектирования основан на квадратурном представлении
гармонического сигнала, которое рассмотрено, например, в [11].
Выделение информационных параметров узкополосных измерительных
сигналов
Для информационного сигнала все входные параметры априори неизвестны,
должны быть заданы только диапазоны их изменений [12]. Чтобы сохранить
информацию надо обеспечить динамический и частотный диапазоны всего
измерительного тракта не менее, чем соответствующие диапазоны информационных
составляющих сигнала.
Рисунок 2 – Схема встроенного измерителя разности фаз
Поскольку обработку сигнала наиболее удобно проводить на низких частотах, то в
аналоговой части измерительного тракта (рис.2) необходимо сохранить входной фильтр
1, перемножители 4,5, на которые подается опорный сигнал с квадратурного генератора
2,3, НЧ фильтры 7,8 и аналоговый коммутатор 10. После этого через АЦП 11 информация
поступает в микроконтроллер 12. В настоящее время все необходимые структурные и
схемотехнические решения достаточно хорошо разработаны [13-17].
Наиболее сложно выделить текущее значение  (t ) , а в данной схеме в связи с
необходимостью использования фильтров 7,8, ее значение будет получено с
запаздыванием, что приведет к погрешности определения других параметров. Более того,
ее определение, например, по интервалу времени между двумя пересечениями сигналом
s (t ) некоторого произвольного уровня so с одной стороны сопряжено с некоторой
325
погрешностью, которая возрастает при приближении so к текущей амплитуде сигнала
so   A(t ) . Очевидно, что при | so || A(t ) | определить текущий период сигнала T (t )
невозможно. Поэтому в схеме предусмотрен канал предварительной оценки мгновенного
значения  (t ) , состоящий их дифференцирующей цепочки 6, компаратора нулевого
уровня 9, сигнал с которого поступает на вход таймера микроконтроллера. Оценка  (t ) в
этом случае отстает не более, чем на четверть периода. Точное значение  (t ) может быть
вычислено обычным способом.
Выводы
В докладе проведен анализ существующих методов измерения разности фаз.
Выделены критерии узкополосности измерительных информационных сигналов.
Показаны пути сохранения информации. Представлена структурная схема измерителя,
обеспечивающего высокую достоверность определения информационных параметров, и
которая основана на современных достижениях в области элементной базы электронных
устройств.
Список литературы:
1. Терешин Г.М. Радиоизмерения / Г.М. Терешин. – М: «Энергия», 1968. – 400 с.
2. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в
измерительной технике. Москва: Постмаркет, 2000. – 352 с.
3. Гаврилов Ю.С., Еременко А.С., Зубелевич Л.Ю., Келин А.В., Коневских В.М.,
Лозинский Б.Н., Мельниченко И.И., Стельмашенко А.Н. Справочник по
радиоизмерительным приборам. Москва: «Энергия», 1976. – 624 с. с ил.
4. Применение интегральных микросхем: Практическое руководство. В 2-х кн. Кн.
1. Пер. с англ. /Под ред. А. Уильямса. – М.: Мир, 1987. – 432 с., ил.
5. Грабовски Б. Краткий справочник по электронике: Пер. с фр. – М.: ДМК Пресс,
2001. – 416 с.: с ил.
6. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. –
СПб.: Питер, 2006. – 751 с.: c ил.
7. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы : учеб. пособие для вузов /
И.С. Гоноровский. 5-е изд., испр. и доп. – М.: Дрофа, 2006. – 719 с. ил.
8. Белов В.И. Теория фазовых измерительных систем / Под. ред. проф. Г.Н. Глазова.
Томск: ТГАСУР, 1994. С.144.
9. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника / Т.С. Ратхор. М.:
Техносфера, 2004. С 376.
10. Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к
интерферометрическим системам: БХВ – Санкт-Петербург, 1998.
11. Creath K. Phase measurement interferometry techniques: Progress in Optics, 1988, V.
26, Chap. 5. p. 349-383.
12. Лидовский В.В. Теория информации / В.В. Лидовский. – М.: Компания
Спутник+, 2004. – 111 с. – ISBN 5-93406-661-7.
13. Хоровиц П. Искусство схемотехники. Т.1 [Текст] : пер. с англ. – М. Гальперин ;
М. : Мир, 1983. – 598 с. – Библиогр.: с. 486–487.
14. Ногин В.Н. Аналоговые интегральные микросхемы [Текст] / В.Н. Ногин. – М.:
Радио и связь. 1992.- 400 с.
15. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники [Текст] / А.Г. Алексенко. - М.:
Юнимедиастайл, 2002. – 448 с.
16. Евстифеев А.В. Микроконтроллер AVR семейства Classic фирмы “ATMEL”.- М.:
ДОДЭКА, 2002, 288с.
17. Сташенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: Проектирование устройств
обработки сигналов [Текст] / В.Б. Сташенко. – М.: ДОДЭКА, 2000. – 128 с.
326