RU222789U1 - Измеритель частоты гармонического сигнала - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в измерительных устройствах, средствах автоматического контроля и управления. Устройство содержит удвоитель частоты, первый и второй блоки выделения модуля, компаратор, переключатель полярности, источник опорного сигнала, блок деления, блок вычитания, блок дифференцирования и фильтр низкой частоты, причем вход измерителя частоты соединен с входами компаратора и удвоителя частоты, выход которого через первый блок выделения модуля соединен с входом переключателя полярности, вход управления которого подключен к выходу компаратора, выход переключателя полярности соединен с первым входом блока деления, второй вход которого присоединен к выходу источника опорного сигнала, выход блока деления соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого соединен с входом блока дифференцирования, выход которого через второй блок выделения модуля соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом измерителя, а первый вход блока вычитания соединен с входом измерителя. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия измерителя частоты. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в измерительных устройствах, средствах автоматического контроля и управления.

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.

Недостатком данного устройства является большая погрешность, вызванная значительным ослаблением входного сигнала в процессе тройного дифференцирования.

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.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

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.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия измерителя частоты.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный измеритель частоты гармонического сигнала, содержащий блок деления, блок вычитания и блок дифференцирования, дополнительно введены удвоитель частоты, первый и второй блоки выделения модуля, компаратор, переключатель полярности, источник опорного сигнала и фильтр низкой частоты, причем вход измерителя частоты соединен с входами компаратора и удвоителя частоты, выход которого через первый блок выделения модуля соединен с входом переключателя полярности, вход управления которого подключен к выходу компаратора, выход переключателя полярности соединен с первым входом блока деления, второй вход которого присоединен к выходу источника опорного сигнала, выход блока деления соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого соединен с входом блока дифференцирования, выход которого через второй блок выделения модуля соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом измерителя, а первый вход блока вычитания соединен с входом измерителя.

Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение дополнительно удвоителя частоты, первого и второго блоков выделения модуля, компаратора, переключателя полярности, источника опорного сигнала, фильтра низкой частоты и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного результата - повышение быстродействия измерителя частоты.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема измерителя частоты, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u_вх, u₁-u₄, u₇, u₈ и u_вых.

Измеритель частоты содержит (фиг. 1) удвоитель частоты 1, первый и второй блоки выделения модуля 2 и 9, компаратор 3 переключатель полярности 4, блок деления 5, источник опорного сигнала 6, блок вычитания 7, блок дифференцирования 8 и фильтр нижних частот 10.

Измеритель частоты работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u_вх=U_{m вx}sinωt (фиг. 2) с частотой ω подается на входы удвоителя частоты 1, компаратора 3 и первый вход сумматора 7.

На выходе удвоителя частоты 1 формируется напряжение u1=U_{m вx}sin2ωt, удвоенной частотой 2ω и амплитудой U_{m вх}, которое подается на вход первого блока выделения модуля 2 (фиг. 2).

После выпрямления первым блоком выделения модуля 2 напряжение u₂ имеет форму двухполупериодного выпрямления (фиг. 2) и подается на вход переключателя полярности 4 (фиг. 1).

Одновременно компаратор 3 преобразует входное синусоидальное напряжение u_вx в напряжение u₃ прямоугольной формы, которое подается на управляющий вход переключателя полярности 4 и управляет полярностью его выходного напряжения. В устройстве используется инвертирующий компаратор 3. При этом нулевое выходное напряжение компаратора 3 u₃ не изменяет полярность напряжения u₂, а положительное выходное напряжение компаратора 3 u₃ приводит к изменению полярности выходного напряжения u₂ первого блока выделения модуля 2 на противоположную. Коэффициент передачи переключателя полярности выбран равным единице, поэтому в первый полупериод входного напряжения u_вх он работает как повторитель, а во второй - как инвертор (фиг. 2). В результате на выходе управляемого усилителя 4 формируется несинусоидальное напряжение u₄, которое подается на первый вход блока деления 5, где делится на стабильное напряжение U₅=5,56 В, поступающее на его второй вход от источника опорного сигнала 6.

Сформированное выходное несинусоидальное напряжение u₆ блока деления 5 поступает на второй вход блока вычитания 7, где из входного синусоидального напряжения u_вх. В результате на выходе блока вычитания 7 формируется напряжение u₇ треугольной формы (фиг. 2).

Это напряжение u₇ поступает на вход блока дифференцирования 8 и на его выходе формируется напряжение u₈ практически прямоугольной формы. После двуполупериодного выпрямления во втором блоке выделения модуля 9 напряжение u₈ преобразуется в постоянное напряжение с незначительными пульсациями, обусловленными некоторой нелинейностью напряжения u₇ треугольной формы, которые эффективно сглаживаются фильтром нижних частот 10, имеющим небольшую постоянную времени (фиг. 2).

В результате на выходе фильтра нижних частот 10 и на выходе устройства формируется постоянное напряжение u_вых, которое пропорционально измеряемой частоте ω входного сигнала u_вх и не содержит переменной составляющей.

Таким образом, коэффициент пульсаций напряжения u₉ на выходе второго блока выделения модуля 9 предлагаемого измерителя значительно ниже, чем на выходе детектора усилителя с автоматической регулировкой усиления прототипа. Это позволило применить фильтр нижних частот 10 со значительно меньшей постоянной времени, что привело к повышению быстродействия измерителя более, чем в два раза.

При практической реализации предлагаемого измерителя частоты гармонического сигнала удвоитель частоты 1 можно выполнить по схеме [Патент на ПМ №189067 РФ, МПК Н03В 19/00, опубл. 07.05.2019 г.]. Блоки выделения модуля 2 и 9 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ) по схеме (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 315, рис. 11.37). В качестве компаратора 3 можно использовать микросхему К554СА3. Переключатель полярности 4 можно выполнить по схеме управляемого усилителя (Патент на ПМ №168550 РФ, МПК G01R 25/00, опубл. 8.02.2017 г.).). Блок деления 5 можно выполнить на ОУ, включив перемножитель напряжений на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Источник опорного сигнала 6 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. Блок вычитания 7 представляет собой обычный параллельный сумматор на ОУ. Блок дифференцирования 8 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. Фильтр нижних частот 10 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).

Claims (1)

1. Измеритель частоты гармонического сигнала, содержащий блок деления, блок вычитания и блок дифференцирования, отличающийся тем, что в него дополнительно введены удвоитель частоты, первый и второй блоки выделения модуля, компаратор, переключатель полярности, источник опорного сигнала и фильтр низкой частоты, причем вход измерителя частоты соединен с входами компаратора и удвоителя частоты, выход которого через первый блок выделения модуля соединен с входом переключателя полярности, вход управления которого подключен к выходу компаратора, выход переключателя полярности соединен с первым входом блока деления, второй вход которого присоединен к выходу источника опорного сигнала, выход блока деления соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого соединен с входом блока дифференцирования, выход которого через второй блок выделения модуля соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом измерителя, а первый вход блока вычитания соединен с входом измерителя.

Images