RU212580U1

RU212580U1 - HARMONIC FREQUENCY METER

Info

Publication number: RU212580U1
Application number: RU2022112194U
Authority: RU
Inventors: Евгений Борисович Колесников
Original assignee: Евгений Борисович Колесников
Filing date: 2022-05-04
Publication date: 2022-07-29

Abstract

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в измерительных устройствах, средствах автоматического контроля и управления. Измеритель частоты гармонического сигнала содержит амплитудный детектор, блок деления, фазовращатель, первый и второй квадраторы, первый и второй блоки извлечения квадратного корня, блок вычитания и блок дифференцирования, блок выделения модуля и фильтр нижних частот, причем вход измерителя соединен с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с входом первого квадратора и входом фазовращателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, выход которого через второй блок извлечения квадратного корня соединен со вторым входом блока вычитания, а выход первого квадратора через первый блок извлечения квадратного корня соединен с первым входом блока вычитания, выход которого соединен с входом блока дифференцирования, выход которого через блок выделения модуля соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом измерителя. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия измерителя частоты. 2 ил.

The utility model relates to electrical measuring technology and can be used in measuring devices, means of automatic control and management. The harmonic signal frequency meter contains an amplitude detector, a division block, a phase shifter, the first and second quadrators, the first and second square root extraction blocks, a subtraction block and a differentiation block, a module extraction unit and a low-pass filter, the input of the meter is connected to the first input of the division block and the input of the amplitude detector, the output of which is connected to the second input of the division block, the output of which is connected to the input of the first quadrator and the input of the phase shifter, the output of which is connected to the input of the second quadrator, the output of which is connected through the second square root extraction unit to the second input of the subtractor, and the output of the first quadrator through the first square root extraction unit is connected to the first input of the subtraction unit, the output of which is connected to the input of the differentiation unit, the output of which is connected through the module extraction unit to the input of the low-pass filter, the output of which is the output of the meter. The technical result of the proposed utility model is to increase the speed of the frequency meter. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в измерительных устройствах, средствах автоматического контроля и управления.The utility model relates to electrical measuring equipment and can be used in measuring devices, means of automatic control and management.

Известно устройство для измерения частоты и амплитуды гармонического сигнала [Авторское свидетельство СССР №1023246 МПК⁸ G01R 23/00, опубл. 15.06.1983 г.], содержащее три последовательно соединенные с входом устройства блока дифференцирования, два блока умножения, два блока вычитания, два блока деления, два блока возведения в квадрат и два блока извлечения квадратного корня.A device for measuring the frequency and amplitude of a harmonic signal [USSR Author's certificate No. 1023246 IPC ⁸ G01R 23/00, publ. 06/15/1983], containing three differentiation blocks connected in series with the input of the device, two multiplication blocks, two subtraction blocks, two division blocks, two squaring blocks and two square root extraction blocks.

Недостатком данного устройства является большая погрешность, вызванная значительным ослаблением входного сигнала в процессе тройного дифференцирования.The disadvantage of this device is a large error caused by a significant attenuation of the input signal in the process of triple differentiation.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измеритель частоты гармонического сигнала [Авторское свидетельство СССР №1160327 МПК⁸ G01R 23/00, опубл. 07.06.1985 г.], содержащий квадратор, два последовательно соединенные блока дифференцирования, последовательно соединенные умножитель, блок вычитания, блок деления, блок извлечения квадратного корня, индикатор и усилитель с автоматической регулировкой усиления, первый вход которого соединен с входной шиной, выход соединен с его вторым входом, с первым входом умножителя и с входом первого блока дифференцирования, выход которого соединен с входом квадратора, выход второго блока дифференцирования соединен со вторым входом умножителя, выход квадратора соединен со вторым входом блока вычитания.The closest analogue to the proposed utility model is a harmonic signal frequency meter [USSR Author's certificate No. 1160327 IPC ⁸ G01R 23/00, publ. 06/07/1985], containing a quadrator, two series-connected differentiation blocks, a series-connected multiplier, a subtraction block, a division block, a square root extraction block, an indicator and an amplifier with automatic gain control, the first input of which is connected to the input bus, the output is connected to its second input, with the first input of the multiplier and with the input of the first differentiation block, the output of which is connected to the input of the quadrator, the output of the second differentiation block is connected to the second input of the multiplier, the output of the quadrator is connected to the second input of the subtractor.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.This technical solution was chosen as a prototype.

Недостатком данного измерителя является низкое быстродействие, обусловленное применением усилителя с автоматической регулировкой усиления, схема которого, как правило, содержит детектор и фильтр нижних частот в цепи его отрицательной обратной связи. При этом постоянная времени фильтра нижних частот выбирается достаточно большой исходя из обеспечения заданных пульсаций напряжения управления на самой нижней частоте рабочего диапазона, что предопределяет низкое быстродействие устройства во всем рабочем диапазоне частот.The disadvantage of this meter is the low speed due to the use of an amplifier with automatic gain control, the circuit of which, as a rule, contains a detector and a low-pass filter in its negative feedback circuit. In this case, the time constant of the low-pass filter is chosen sufficiently large based on the provision of specified control voltage ripples at the lowest frequency of the operating range, which predetermines the low speed of the device over the entire operating frequency range.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия измерителя частоты.The technical result of the claimed utility model is to increase the speed of the frequency meter.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный измеритель частоты гармонического сигнала, содержащий блок деления, первый квадратор, первый блок извлечения квадратного корня, блок вычитания и блок дифференцирования, дополнительно введены амплитудный детектор, фазовращатель, второй квадратор, второй блок извлечения квадратного корня, блок выделения модуля и фильтр нижних частот, причем вход измерителя соединен с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с входом первого квадратора и входом фазовращателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, выход которого через второй блок извлечения квадратного корня соединен со вторым входом блока вычитания, а выход первого квадратора через первый блок извлечения квадратного корня соединен с первым входом блока вычитания, выход которого соединен с входом блока дифференцирования, выход которого через блок выделения модуля соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом измерителя.This technical result is achieved by the fact that in the well-known harmonic signal frequency meter, containing a division block, the first quadrator, the first square root extraction unit, the subtraction unit and the differentiation unit, an amplitude detector, a phase shifter, a second quadrator, a second square root extraction unit, a block module extraction and a low-pass filter, the input of the meter is connected to the first input of the division block and the input of the amplitude detector, the output of which is connected to the second input of the division block, the output of which is connected to the input of the first quadrator and the input of the phase shifter, the output of which is connected to the input of the second quadrator, the output which is connected through the second square root block to the second input of the subtractor, and the output of the first quadrator is connected through the first square root block to the first input of the subtractor, the output of which is connected to the input of the differentiation block, the output of which is through the module extraction unit connected to the input of the low-pass filter, the output of which is the output of the meter.

Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение дополнительно амплитудного детектора, фазовращателя, второго квадратора, второго блока извлечения квадратного корня, блока выделения модуля, фильтра нижних частот и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение быстродействия измерителя частоты.The essential differences of the proposed device are the introduction of an additional amplitude detector, a phase shifter, a second quadrator, a second square root extraction unit, a module extraction unit, a low-pass filter and the organization of new connections between the elements of the device. The combination of elements and connections between them provide a positive effect - increasing the speed of the frequency meter.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема измерителя частоты, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u_вх, u₁-u₈ и u_вых.The essence of the utility model is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a functional diagram of the frequency meter, Fig. 2 - time diagrams of voltages u _in , u ₁ -u ₈ and u _out .

Измеритель частоты содержит (фиг. 1) амплитудный детектор 1, блок деления 2, фазовращатель 3, первый и второй квадраторы 4 и 5, первый и второй блоки извлечения квадратного корня 6 и 7, блок вычитания 8, блок дифференцирования 9, блок выделения модуля 10 и фильтр нижних частот 11.The frequency meter contains (Fig. 1) an amplitude detector 1, a division block 2, a phase shifter 3, the first and second quadrators 4 and 5, the first and second blocks for extracting the square root 6 and 7, a subtraction block 8, a differentiation block 9, a module extraction unit 10 and low pass filter 11.

Измеритель частоты работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока

(фиг. 2) с частотой ω подается на входы амплитудного детектора 1 и блока деления 2. После деления входного напряжение на его амплитуду

, формируемую амплитудным детектором 1, в блоке деления 2, на его выходе формируется напряжение u₁=sinωt с единичной амплитудой, которое поступает на вход фазовращателя 3 и вход первого квадратора 4.The frequency meter works as follows. Input sinusoidal AC voltage

(Fig. 2) with a frequency ω is fed to the inputs of the amplitude detector 1 and division block 2. After dividing the input voltage by its amplitude

, formed by the amplitude detector 1, in the division unit 2, at its output a voltage u ₁ =sinωt with a unit amplitude is formed, which is fed to the input of the phase shifter 3 and the input of the first quadrator 4.

Фазосмещатель 3 сдвигает фазу его входного напряжения u₂ на угол 90° в сторону опережения и на его выходе формируется напряжение (фиг. 2):The phase shifter 3 shifts the phase of its input voltage u ₂ by an angle of 90° towards the advance and a voltage is formed at its output (Fig. 2):

После возведения в квадрат напряжений u₁ и u₂ в квадраторах 4, 5, на их выходах формируются напряжения соответственно из u₃ и u₄:After squaring the voltages u ₁ and u ₂ in quadrators 4, 5, voltages are formed at their outputs, respectively, from u ₃ and u ₄ :

При этом на выходах блоков извлечения квадратного корня 6 и 7 формируются напряжения соответственно u₅ и u₆, имеющие форму напряжения двухполупериодного выпрямления, сдвинутые друг относительно друга на угол 90° (фиг. 2):At the same time, voltages u ₅ and u ₆ , respectively, are formed at the outputs of square root extraction blocks 6 and 7, having the form of a full-wave rectification voltage, shifted relative to each other by an angle of 90° (Fig. 2):

Напряжения u₅ и u₆ имеют форму напряжения двухполупериодного выпрямления, сдвинутые друг относительно друга на угол 90° (фиг. 2).The voltages u ₅ and u ₆ have the form of a full-wave rectification voltage, shifted relative to each other by an angle of 90° (Fig. 2).

Напряжения u₅ и u₆ подаются соответственно на первый и второй входы блока вычитания 8, на выходе которого после операции вычитания u₅ и u₆ формируется переменное напряжение u₇, имеющее форму близкую к треугольной с единичной амплитудой (фиг. 2).Voltages u ₅ and u ₆ are supplied respectively to the first and second inputs of the subtraction block 8, at the output of which, after the operation of subtracting u ₅ and u ₆ , an alternating voltage u ₇ is formed, which has a shape close to triangular with a unit amplitude (Fig. 2).

В результате дифференцирования блоком дифференцирования 9 напряжения u₇ на его выходе формируется переменное напряжение u₈, по форме близкое к прямоугольной (фиг. 2).As a result of differentiation by the differentiation unit 9 of the voltage u ₇ , an alternating voltage u ₈ is formed at its output, which is close to rectangular in shape (Fig. 2).

После выпрямления переменного напряжения u₈ в блоке выделения модуля 10, на его выходе формируется постоянное напряжение u₉, содержащее незначительные пульсации, которые эффективно сглаживаются фильтром нижних частот 11, имеющим небольшую постоянную времени (фиг. 2). Небольшие пульсации напряжения u₉ обусловлены незначительной нелинейностью напряжения u₇ треугольной формы. After rectifying the alternating voltage u ₈ in the extraction unit of the module 10, a constant voltage u ₉ is formed at its output, containing insignificant ripples, which are effectively smoothed out by the low-pass filter 11, which has a small time constant (Fig. 2). Small voltage ripple u ₉ due to a slight nonlinearity of the voltage u ₇ triangular shape.

В результате на выходе фильтра нижних частот 11 и на выходе устройства формируется постоянное напряжение u_вых, которое не содержит переменной составляющей, а его величина пропорциональна измеряемой частоте ω входного синусоидального напряженияAs a result, a constant voltage u _out is formed at the output of the low-pass filter 11 and at the output of the device, which does not contain a variable component, and its value is proportional to the measured frequency ω of the input sinusoidal voltage

Таким образом, коэффициент пульсаций напряжения u₁₀ на выходе блока выделения модуля 10 предлагаемого измерителя значительно ниже, чем на выходе детектора усилителя с автоматической регулировкой усиления прототипа. Это позволило применить фильтр нижних частот 11 со значительно меньшей постоянной времени, что привело к повышению быстродействия измерителя более, чем в три раза.Thus, the voltage ripple factor u ₁₀ at the output of the extraction unit module 10 of the proposed meter is much lower than at the output of the amplifier detector with automatic gain control of the prototype. This made it possible to apply the low-pass filter 11 with a much shorter time constant, which led to an increase in the performance of the meter by more than three times.

При практической реализации предлагаемого измерителя амплитудный детектор 1 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). Блок деления 2 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ), включив перемножитель напряжений на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Фазосмещатель на 90° 3 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №127554 РФ, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). При построении квадраторов 4 и 5 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3, объединив при этом их входы х и у. В качестве блоков извлечения квадратного корня 6 и 7 можно использовать схему на ОУ, включив квадратор на микросхеме перемножителя напряжений К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Блок вычитания 8 представляет собой обычный параллельный сумматор на ОУ. Блок дифференцирования 9 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. В качестве блока выделения модуля 10 можно использовать схему двухполупериодного выпрямителя на ОУ, выполненного по схеме (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 315, рис. 11.37). Фильтр нижних частот 12 можно выполнить по схеме фильтра нижних частот первого порядка на ОУ (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 105, рис. 6.10). With the practical implementation of the proposed meter, the amplitude detector 1 can be performed according to one of the known schemes (A. J. Peyton, V. Volsh. Analog electronics on operational amplifiers. - M .: BINOM, 1994, p. 292, Fig. 11.17; p. 304, Fig. 11.29). Division 2 can be performed on an operational amplifier (op-amp) by including a voltage multiplier on the K525PS3 chip in its negative feedback circuit. A 90° phase shifter 3 can be made according to the scheme (Patent for PM No. 127554 of the Russian Federation, H03V 27/00. Quadrature signal shaper, publ. 04/27/2013). When building quads 4 and 5, you can use voltage multipliers on the KR525PS3 chip, while combining their x and y inputs. As blocks for extracting the square root 6 and 7, you can use the op-amp circuit by including a quadrator on the K525PS3 voltage multiplier chip in its negative feedback circuit. Subtraction block 8 is a conventional parallel adder on the op-amp. The differentiation block 9 can be performed according to a well-known scheme on an op-amp with a timing RC circuit. As a block for selecting module 10, you can use the circuit of a full-wave rectifier on an op-amp, made according to the scheme (A. J. Peyton, V. Volsh. Analog electronics on operational amplifiers. - M .: BINOM, 1994, p. 315, Fig. 11.37) . The low-pass filter 12 can be performed according to the first-order low-pass filter circuit on the op-amp (A. J. Peyton, V. Volsh. Analog electronics on operational amplifiers. - M .: BINOM, 1994, p. 105, Fig. 6.10).

Claims

Harmonic signal frequency meter, containing a division block, a first quadrator, a first square root extraction unit, a subtraction unit, and a differentiation unit, characterized in that it additionally includes an amplitude detector, a phase shifter, a second quadrator, a second square root extraction unit, a modulus extraction unit, and low-pass filter, wherein the input of the meter is connected to the first input of the division block and the input of the amplitude detector, the output of which is connected to the second input of the division block, the output of which is connected to the input of the first quadrator and the input of the phase shifter, the output of which is connected to the input of the second quadrator, the output of which is through the second the square root extraction unit is connected to the second input of the subtractor, and the output of the first quadrator is connected through the first square root extraction unit to the first input of the subtractor, the output of which is connected to the input of the differentiation unit, the output of which is connected through the module extraction unit to the input of the low-frequency filter stot, the output of which is the output of the meter.