RU168431U1

RU168431U1 - Устройство сдвига фазы на 90 градусов

Info

Publication number: RU168431U1
Application number: RU2016139903U
Authority: RU
Inventors: Евгений Борисович Колесников
Original assignee: Евгений Борисович Колесников
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в различных радиотехнических устройствах, использующих квадратурное расщепление синусоидального сигнала, а также в счетчиках реактивной электрической энергии. Устройство содержит дифференциатор, управляемый делитель напряжения, два амплитудных детектора, дифференциальный сумматор и ПИ-регулятор. Благодаря автоматическому изменению коэффициента деления управляемого делителя напряжения при изменении частоты входного напряжения система автоматического регулирования поддерживает равенство амплитуд входного и выходного напряжений в широком диапазоне частот. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности устройства. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в различных радиотехнических устройствах, использующих квадратурное расщепление синусоидального сигнала, а также в счетчиках реактивной электрической энергии.

Известно устройство для сдвига фаз на 90° [Авторское свидетельство СССР №579689 МПК Н03Н 7/18, опубл. 5.11.1977 г.], содержащее входной и выходной эмиттерные повторители, блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого эмиттерного повторителя, генератор импульсов, фильтр нижних частот, включенный между выходом блока вычитания и входом второго эмиттерного повторителя, и блок выборки и запоминания, включенный между выходом первого эмиттерного повторителя и вторым входом блока вычитания, причем управляющий вход блока выборки и запоминания соединен с генератором импульсов.

Недостатком данного устройства является низкая точность в широком диапазоне частот, обусловленная наличием фильтра нижних частот с фиксированной постоянной времени.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство сдвига фазы на 90° [Авторское свидетельство СССР №1511705 МПК G01R 25/04, G01R 25/00, опубл. 30.09.1989 г.], содержащее фазосдвигающий элемент, фазовый детектор, интегратор, управляемый делитель напряжения и сумматор, причем вход интегратора соединен с выходом фазового детектора, один из входов которого соединен с входом фазосдвигающего элемента, являющегося входом устройства, выход сумматора является выходом устройства и соединен со вторым входом фазового детектора, а входы сумматора - соответственно с выходами фазосдвигающего элемента и управляемого делителя напряжения, а управляющий вход - с выходом интегратора.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком данного устройства является невысокая его точность, обусловленная тем, что оно не обеспечивает равенства амплитуд входного и выходного напряжений в широком диапазоне частот.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство сдвига фазы на 90°, содержащее управляемый делитель напряжения и сумматор, дополнительно введены дифференциатор, первый и второй амплитудные детекторы и ПИ-регулятор, а сумматор выполнен дифференциальным, причем вход устройства соединен с входом первого амплитудного детектора и входом дифференциатора, выход которого соединен с входом управляемого делителя напряжения, выход которого соединен с входом второго амплитудного детектора и является выходом устройства, а выходы первого и второго амплитудных детекторов подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам сумматора, выход которого через ПИ-регулятор соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения.

Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение дифференциатора, первого и второго амплитудных детекторов и ПИ-регулятора. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение точности устройства.

Сущность полезной модели поясняется чертежом. На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство (см. чертеж) содержит дифференциатор 1, управляемый делитель напряжения 2, первый 3 и второй 4 амплитудные детекторы, дифференциальный сумматор 5 и ПИ-регулятор 6. Амплитудные детекторы 3, 4 формируют на выходах постоянные напряжения, равные амплитуде напряжений на их входах.

Устройство работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u_вх=U_mвхsinωt подается на входы дифференциатора 1 и амплитудного детектора 3. На выходе дифференциатора 1 формируется напряжение u₁, сдвинутое по фазе относительно u_вх на угол 90° в сторону опережения:

где U_{m вх} - амплитуда измеряемого входного напряжения;

ω - круговая частота входного напряжения;

R - сопротивление резистора дифференциатора;

С - емкость конденсатора дифференциатора.

Из выражения (1) видно, что амплитуда выходного напряжения u₁ дифференциатора 1 зависит от частоты ω входного напряжения u_вх. Отсюда, для того чтобы напряжение u_вых на входе устройства было одинаковой амплитуды с входным напряжением u_вх, необходимо выдержать следующие соотношения параметров управляемого делителя напряжения 2 дифференциатора 1:

К_д=RCω,

где К_д - коэффициент деления управляемого делителя напряжения 2.

Тогда на выходе управляемого делителя напряжения 2 и выходе устройства будем иметь напряжение:

Таким образом, коэффициент деления К_д управляемого делителя напряжения 2 компенсирует изменение коэффициента передачи дифференциатора 1 в зависимости от частоты ω входного сигнала u_вх.

Для поддержания равенства амплитуд выходного u_вых и входного u_вх напряжений в устройство введена система автоматического регулирования амплитуды, включающая амплитудные детекторы 3 и 4, дифференциальный сумматор 5 и ПИ-регулятор 6. Амплитудные значения напряжений u_вх и u_вых, сформированные амплитудными детекторами 3 и 4, сравниваются в дифференциальном сумматоре 5, и их разность поступает на вход ПИ-регулятора 6. Выходное напряжение u₆ ПИ-регулятора 6, поступая на управляющий вход управляемого делителя напряжения 2, изменяет его коэффициент передачи таким образом, чтобы общий коэффициент передачи дифференциатора 1 и делителя 2 был равен единице во всем рабочем диапазоне частот. В результате ПИ-регулятор 6 поддерживает равенство амплитудных значений напряжений u_вх и u_вых вне зависимости от изменения частоты ω входного напряжения u_вх. ПИ-регулятор 6 обеспечивает наибольшее быстродействие системы при перерегулировании не более 5%.

Таким образом, дифференциатор 1 обеспечивает сдвиг фазы на 90 градусов, а система автоматического регулирования на базе ПИ-регулятора 6 поддерживает равенство амплитуд входного u_вх и выходного u_вых напряжений в широком диапазоне частот. Тем самым достигается технический результат - повышение точности устройства.

При практической реализации предлагаемого устройства дифференциатор 1 можно выполнить по известной схеме на операционном усилителе (ОУ) с время-задающей RC-цепью. Управляемый делитель напряжения можно выполнить на ОУ, включив перемножитель сигналов на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Амплитудные детекторы 3 и 4 можно выполнить по одной из известных схем (А.Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 292, рис. 11.17; стр. 304, рис. 11.29). Дифференциальный сумматор 5 представляет собой параллельный сумматор на ОУ. ПИ-регулятор 6 может быть выполнен на ОУ по известной схеме (Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1987, стр. 151, рис. 5.7, а).

Claims

Устройство сдвига фазы на 90 градусов, содержащее управляемый делитель напряжения и сумматор, отличающееся тем, что в него дополнительно введены дифференциатор, первый и второй амплитудные детекторы и ПИ-регулятор, а сумматор выполнен дифференциальным, причем вход устройства соединен с входом первого амплитудного детектора и входом дифференциатора, выход которого соединен с входом управляемого делителя напряжения, выход которого соединен с входом второго амплитудного детектора и является выходом устройства, а выходы первого и второго амплитудных детекторов подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам сумматора, выход которого через ПИ-регулятор соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения.