RU211821U1

RU211821U1 - Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное

Info

Publication number: RU211821U1
Application number: RU2022107745U
Authority: RU
Inventors: Евгений Борисович Колесников
Original assignee: Евгений Борисович Колесников
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения переменного напряжения в широком диапазоне частот путем преобразования его в постоянное. Измерительный преобразователь содержит управляемый фазосмещатель, неуправляемый фазосмещатель, компаратор, преобразователь частота-напряжение, одновибратор, интегратор со сбросом, сумматор и источник задающего сигнала. Вход измерительного преобразователя подключен к входу управляемого фазосмещателя и входу неуправляемого фазосмещателя, выход которого соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом преобразователя частота-напряжение и входом одновибратора, выход которого соединен с входом интегратора со сбросом, вход сброса которого подключен к выходу преобразователя частота-напряжение, выход интегратора со сбросом соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазосмещателя, выход которого является выходом измерительного преобразователя, а выход источника задающего сигнала соединен со вторым входом сумматора. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия и точности преобразователя. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения переменного напряжения в широком диапазоне частот путем преобразования его в постоянное.

Известен измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №163230 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 10.07.2016 г.], содержащий фазосмещатель, первый и второй квадраторы, суммирующее устройство и блок извлечения квадратного корня, причем вход преобразователя соединен с входами первого квадратора и фазосмещателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам суммирующего устройства, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя.

Недостатком данного преобразователя является то, что наряду с высоким быстродействием и точностью его область применения ограничивается только измерением напряжения промышленной частоты, так как фазосмешатель обеспечивает фазовый сдвиг в 90° только на этой частоте. На других частотах преобразователь не выполняет своей функции, так как его выходное напряжение будет иметь значительную переменную составляющую, соизмеримую с постоянной.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №166785 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 10.12.2016 г.], содержащий управляемый фазосмещатель, первый и второй квадраторы, сумматор и блок извлечения квадратного корня, фазовый детектор, ПИ-регулятор и источник задающего сигнала, причем вход преобразователя соединен с входами первого квадратора и управляемого фазосмещателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя, вход и выход управляемого фазосмещателя соединены соответственно с первым и вторым входами фазового детектора, выход которого соединен с первым входом ПИ-регулятора, второй вход которого соединен с выходом источника задающего сигнала, а выход ПИ-регулятора присоединен к управляющему входу управляемого фазосмещателя.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком данного преобразователя является наличие ПИ-регулятора, работа которого характеризуется временем регулирования, обусловленным наличием интегральной составляющей у ПИ-регулятора. В результате этого регулируемая величина достигает требуемого значения через некоторое время, называемое временем установления, и преобразователь обладает низким быстродействием. Кроме того, наличие переходного процесса снижает точность преобразователя в переходных режимах.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия и точности преобразователя.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий управляемый фазосмещатель, вход которого подключен к входу измерительного преобразователя, источник задающего сигнала и сумматор, дополнительно введены неуправляемый фазосмещатель, компаратор, одновибратор, преобразователь частота-напряжение и интегратор со сбросом, причем вход измерительного преобразователя через неуправляемый фазосмещатель соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом преобразователя частота-напряжение и входом одновибратора, выход которого соединен с входом интегратора со сбросом, вход сброса которого подключен к выходу преобразователя частота-напряжение, выход интегратора со сбросом соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазосмещателя, выход которого является выходом измерительного преобразователя, а выход источника задающего сигнала соединен со вторым входом сумматора.

Существенными отличиями предлагаемого измерительного преобразователя являются введение неуправляемого фазосмещателя, компаратора, одновибратора, преобразователя частота-напряжение и интегратора со сбросом, а также организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение быстродействия и точности преобразователя.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема измерительного преобразователя, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u_вх, u₁, u₂, u₄, u₅, u₆ и u_вых.

Измерительный преобразователь (фиг. 1) содержит управляемый фазосмещатель 1, неуправляемый фазосмещатель 2, компаратор 3, преобразователь частота-напряжение 4, одновибратор 5, интегратор со сбросом 6, сумматор 7 и источник задающего сигнала 8.

Измерительный преобразователь работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение u_вх=U_{m вх}sinωt с частотой ω=2πf подается на входы управляемого фазосмещателя 1 и неуправляемого фазосмещателя 2. На выходе неуправляемого фазосмещателя 2 формируется напряжение u₁ с неизменной амплитудой U_{m вх}, сдвинутое по фазе относительно u_вх на угол 90° в сторону опережения u₁=U_{m вх}cosωt и подается на вход компаратора 3 (фиг. 2). Компаратор 3 преобразует это напряжение в напряжение u₂ прямоугольной формы (фиг. 2), которое подается на входы преобразователя частота-напряжение 4 и одновибратора 5.

По фронтам импульсов напряжения u₂ запускается одновибратор 5 и на его выходе формируются узкие импульсы u₄ фиксированной длительности с частотой ω, которые подаются на вход сброса интегратора со сбросом 6. Одновременно преобразователь частота-напряжение 4 преобразует частоту этих импульсов в постоянное напряжение U₃ положительной полярности величиной:

где K_ПЧН - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 4;

ƒ - частота входного напряжения;

ƒ_max - максимальная рабочая частота входного напряжения преобразователя;

При этом значение К_ПЧН выбирается из условия получения максимального выходного напряжения U₃=10 В при ƒ_max, т.е. К_ПЧН=10/ƒ_max.

Выходное напряжение U₃ преобразователя частота-напряжение 4 поступает на вход интегратора со сбросом 6.

На выходе интегратора со сбросом 6 формируется пилообразное напряжение u₅ отрицательной полярности с частотой ƒ входного напряжения преобразователя, амплитуда которого определяется по формуле:

где U_5m - амплитуда выходного напряжения интегратора со сбросом 6;

T - период входного напряжения u_вх,

ƒ - частота входного напряжения u_вх,

R - сопротивление резистора интегратора со сбросом 6;

С - емкость конденсатора интегратора со сбросом 6.

Таким образом, при выборе постоянной интегрирования RC интегратора со сбросом 6 равной RC=1/ƒ_max амплитуда его выходного напряжения не зависит от частоты входного напряжения u_вх во всем рабочем диапазоне частот.

Выходное напряжение u₅ интегратора со сбросом 6 суммируется в сумматоре 7 с напряжением смещения u₆=U_см=5 В от источника задающего сигнала 8, в результате чего на выходе сумматора 7 формируется переменное пилообразное напряжение u₇ амплитудой 5 В. Это напряжение подается на управляющий вход управляемого фазосмещателя 1.

В устройстве применен управляемый фазосмещатель 1, который позволяет линейно изменять фазу ϕ входного сигнала от -180° до +180° при изменении величины управляющего напряжения от -5 В до +5 В (фиг. 2). Это пилообразное управляющее напряжение u₇, воздействуя на управляемый фазосмещатель 1, изменяет фазу ϕ его входного сигнала от -180° до +180° с частотой ƒ входного напряжения u_вх (фиг. 2).

В результате, учитывая то, что входное напряжение u_вх отстает от выходного напряжения u₅ интегратора со сбросом 6 на угол 90°, на выходе управляемого фазосмещателя 1 и на выходе измерительного преобразователя, формируется выходное напряжение u_вых.

Из полученного выражения и временных диаграмм (фиг. 2) видно, что частота выходного напряжения u_вых преобразователя равна нулю, то есть имеет место преобразование переменного напряжения в постоянное. При этом величина выходного постоянного напряжения u_вых преобразователя равна амплитуде входного напряжения u_вх и пропорциональна его действующему значению:

Таким образом, применение в измерительном преобразователе неуправляемого фазосмещателя, компаратора, одновибратора, преобразователя частота-напряжение и интегратора со сбросом позволяет добиться требуемого технического результата - повышение быстродействия и точности преобразователя.

При практической реализации предлагаемого измерительного преобразователя управляемый фазосмещатель 1 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R 19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). Неуправляемый фазосмещатель 2 можно выполнить по схеме (Патент РФ №127554, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). Компаратор 3 можно выполнить на микросхеме К554СА3. В качестве преобразователя частота-напряжение 4 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Одновибратор 5 можно выполнить на микросхеме К561АГ1. Интегратор со сбросом 6 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ) по схеме (В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высш. шк., 2005. - стр. 459, рис. 6.18, в). Сумматор 7 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ. Источник задающего сигнала 8 представляет собой обычный источник стабильного напряжения.

Claims

Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий управляемый фазосмещатель, вход которого подключен к входу измерительного преобразователя, источник задающего сигнала и сумматор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены неуправляемый фазосмещатель, компаратор, одновибратор, преобразователь частота-напряжение и интегратор со сбросом, причем вход измерительного преобразователя через неуправляемый фазосмещатель соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом преобразователя частота-напряжение и входом одновибратора, выход которого соединен с входом интегратора со сбросом, вход сброса которого подключен к выходу преобразователя частота-напряжение, выход интегратора со сбросом соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазосмещателя, выход которого является выходом измерительного преобразователя, а выход источника задающего сигнала соединен со вторым входом сумматора.