RU223943U1

RU223943U1 - HARMONIC SIGNAL FREQUENCY METER

Info

Publication number: RU223943U1
Application number: RU2023130216U
Authority: RU
Inventors: Евгений Борисович Колесников
Original assignee: Евгений Борисович Колесников
Filing date: 2023-11-20
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в измерительных устройствах, средствах автоматического контроля и управления. Устройство содержит амплитудный детектор, блок деления, квадратор, усилитель, первый и второй блоки вычитания, фазосмещатель, первый, второй и третий блоки выделения модуля, блок дифференцирования и фильтр нижних частот. Вход измерителя соединен с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, а выход первого блока выделения модуля соединен со вторым входом первого 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. Выход блока деления через квадратор соединен с входом усилителя, выход которого соединен с первым входом второго блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом источника опорного сигнала, выход второго блока вычитания соединен с входами фазосмещателя и третьего блока выделения модуля, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания, а выход фазосмещателя соединен с входом первого блока выделения модуля. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия измерителя частоты. 2 ил.

The utility model relates to electrical measuring equipment and can be used in measuring devices, automatic monitoring and control equipment. The device contains an amplitude detector, a division block, a quadrator, an amplifier, first and second subtraction blocks, a phase shifter, first, second and third module extraction blocks, a differentiation block 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, and the output of the first module selection block is connected to the second input of the first subtraction block, the output of which is connected to the input of the differentiation block, the output of which is through the second selection block module is connected to the input of a low-pass filter, the output of which is the output of the meter. The output of the division block is connected through a quadrator to the input of the amplifier, the output of which is connected to the first input of the second subtraction block, the second input of which is connected to the output of the reference signal source, the output of the second subtraction block is connected to the inputs of the phase shifter and the third module selection block, the output of which is connected to the first input the first subtraction block, and the output of the phase shifter is connected to the input of the first extraction block of the module. The technical result of the claimed utility model is to increase the performance 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, automatic monitoring and control equipment.

Известен 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.A known 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 subtraction block.

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 its low performance 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 to be large enough based on ensuring the specified control voltage ripples at the lowest frequency of the operating range, which determines the low performance of the device over the entire operating frequency range.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измеритель частоты гармонического сигнала [Патент на ПМ №196115 РФ, МПК G01R 23/02, опубл. 18.02.2020 г.], содержащий блок деления, первый и второй блоки дифференцирования, блок умножения, блок вычитания, блок извлечения квадратного корня, амплитудный детектор, интегратор, инвертор, два блока 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 входами первого блока дифференцирования, интегратора и первого блока выделения модуля, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, выход первого блока дифференцирования соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого подключен к выходу интегратора, выход блока умножения через инвертор соединен с входом блока извлечения квадратного корня, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, выход которого соединен с входом второго блока дифференцирования, выход которого через второй блок выделения модуля соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом измерителя.The closest analogue to the proposed utility model is a harmonic signal frequency meter [Patent for PM No. 196115 of the Russian Federation, IPC G01R 23/02, publ. 02/18/2020], containing a division block, the first and second differentiation blocks, a multiplication block, a subtraction block, a square root extraction block, an amplitude detector, an integrator, an inverter, two module extraction blocks and a low-pass filter, with the meter input connected to the first the 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 inputs of the first differentiation block, the integrator and the first module selection block, the output of which is connected to the second input of the subtraction block, the output of the first differentiation block is connected to the first input a multiplication block, the second input of which is connected to the output of the integrator, the output of the multiplication block is connected through an inverter to the input of the square root extraction block, the output of which is connected to the first input of the subtraction block, the output of which is connected to the input of the second differentiation block, the output of which is connected through the second extraction block of the module with a low-pass filter input, the output of which is the output of the meter.

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

Недостатком данного устройства является невысокое быстродействие, особенно в переходных режимах, обусловленное наличием на выходе фильтра нижних частот, частота среза которого выбирается из условия получения достаточной точности измерения на низшей рабочей частоте.The disadvantage of this device is its low performance, especially in transient modes, due to the presence of a low-pass filter at the output, the cutoff frequency of which is selected from the condition of obtaining sufficient measurement accuracy at the lowest operating frequency.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия устройства.The technical result of the claimed utility model is to increase the performance of the device.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный измеритель частоты гармонического сигнала, содержащий амплитудный детектор, блок деления, первый и второй блоки выделения модуля, первый блок вычитания, блок дифференцирования 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, а выход первого блока выделения модуля соединен со вторым входом первого 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, дополнительно введены квадратор, усилитель, второй блок вычитания, источник опорного сигнала, фазосмещатель и третий блок выделения модуля, причем выход блока деления через квадратор соединен с входом усилителя, выход которого соединен с первым входом второго блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом источника опорного сигнала, выход второго блока вычитания соединен с входами фазосмещателя и третьего блока выделения модуля, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания, а выход фазосмещателя соединен с входом первого блока выделения модуля.This technical result is achieved by the fact that in a known harmonic signal frequency meter containing an amplitude detector, a division block, first and second module selection blocks, a first subtraction block, a differentiation block and a low-pass filter, the input of the meter is connected to the first input of the division block and the input amplitude detector, the output of which is connected to the second input of the division block, and the output of the first module selection block is connected to the second input of the first subtraction block, the output of which is connected to the input of the differentiation block, the output of which, through the second module selection block, is connected to the input of a low-pass filter, the output of which is the output of the meter, a quadrator, an amplifier, a second subtraction block, a reference signal source, a phase shifter and a third module selection block are additionally introduced, and the output of the division block is connected through the quadrator to the input of the amplifier, the output of which is connected to the first input of the second subtraction block, the second input of which is connected with the output of the reference signal source, the output of the second subtraction block is connected to the inputs of the phase shifter and the third module extraction block, the output of which is connected to the first input of the first subtraction block, and the output of the phase shifter is connected to the input of the first module selection block.

Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение дополнительно квадратора, усилителя, второго блока вычитания, источника опорного сигнала, фазосмещателя, третьго блока выделения модуля и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение быстродействия измерителя частоты.Significant differences of the proposed device are the introduction of an additional quadrator, an amplifier, a second subtraction block, a reference signal source, a phase shifter, a third module isolation block and the organization of new connections between the elements of the device. The combination of elements and connections between them ensures the achievement of a positive effect - increasing the speed of the frequency meter.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. The essence of the utility model is illustrated by drawings.

На фиг.1 приведена функциональная схема измерителя частоты, Figure 1 shows a functional diagram of a frequency meter,

на фиг.2 - временные диаграммы напряжений Fig. 2 - voltage timing diagrams

Измеритель частоты содержит (фиг.1) амплитудный детектор 1, блок деления 2, квадратор 3, усилитель 4, первый и второй блоки вычитания 10 и 5, фазосмещатель 7, первый, второй и третий блоки выделения модуля 9, 12 и 8, блок дифференцирования 11 и фильтр нижних частот 13.The frequency meter contains (Fig. 1) an amplitude detector 1, a division block 2, a quadrator 3, an amplifier 4, the first and second subtraction blocks 10 and 5, a phase shifter 7, the first, second and third module selection blocks 9, 12 and 8, a differentiation block 11 and low pass filter 13.

Устройство работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока (фиг.2) с частотой 2ω 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 с единичной амплитудой, которое поступает на вход квадратора 3 (фиг.2).The device works as follows. Input sine wave AC voltage (Fig.2) with a frequency of 2ω is supplied to the inputs of the amplitude detector 1 and the division unit 2. After dividing the input voltage by its amplitude , generated by amplitude detector 1, in division block 2, a voltage is generated at its output with unit amplitude, which is supplied to the input of quadrator 3 (Fig. 2).

На выходе квадратора 3 формируется постоянное напряжение u₂ с единичной амплитудой пульсирующее с частотой 2ω и подается на вход усилителя 4. Коэффициент передачи усилителя 4 выбран равным K_п=2, поэтому на его выходе формируется пульсирующее напряжение амплитудой равной которое поступает на первый вход второго блока вычитания 5. Во втором блоке вычитания 5 из этого напряжения вычитается напряжение u₄ единичного уровня, поступающего на его второй вход с выхода источника опорного сигнала 6. В результате этого на выходе второго блока вычитания 5 формируется переменное напряжение с единичной амплитудой и удвоенной частотой 2ω, которое подается на входы фазосмещателя 7 и третьего блока выделения модуля 8 (фиг.2).At the output of quadrator 3, a constant voltage u ₂ with a unit amplitude is generated, pulsating with a frequency of 2ω and supplied to the input of amplifier 4. The transmission coefficient of amplifier 4 is chosen equal to K _p = 2, therefore, a pulsating voltage with an amplitude equal to which arrives at the first input of the second subtraction block 5. In the second subtraction block 5, the unit level voltage u ₄ supplied to its second input from the output of the reference signal source 6 is subtracted from this voltage. As a result, an alternating voltage is formed at the output of the second subtraction block 5 with unit amplitude and double frequency 2ω, which is supplied to the inputs of the phase shifter 7 and the third selection block of module 8 (Fig. 2).

Фазосмещатель 7 сдвигает фазу его входного напряжения u₅ на угол 90° в сторону опережения, и на его выходе формируется напряжение (фиг.2)Phase shifter 7 shifts the phase of its input voltage u ₅ by an angle of 90° in the leading direction, and a voltage is generated at its output (Fig. 2)

При этом на выходе третьего блока выделения модуля 8 формируется напряжение u₄ (фиг.2)In this case, voltage u ₄ is generated at the output of the third isolation block of module 8 (Fig. 2)

А на выходе первого блока выделения модуля 9 формируется напряжение u₈ (фиг.2)And at the output of the first isolation block of module 9, voltage u ₈ is generated (Fig. 2)

Напряжения u₇ и u₈ имеют форму напряжения двухполупериодного выпрямления, сдвинутые друг относительно друга на угол 90° (фиг.2).Voltages u ₇ and u ₈ have the form of a full-wave rectification voltage, shifted relative to each other by an angle of 90° (Fig. 2).

Напряжения u₇ и u₈ подаются соответственно на первый и второй входы первого блока вычитания 10, на выходе которого после операции вычитания u₈ из u₇ формируется переменное напряжение u₉, имеющее форму близкую к треугольной с частотой равной 4ω (фиг.2).Voltages u ₇ and u ₈ are supplied respectively to the first and second inputs of the first subtraction block 10, at the output of which, after the operation of subtracting u ₈ from u ₇ , an alternating voltage u ₉ is formed, having a shape close to triangular with a frequency equal to 4ω (Fig. 2).

В результате дифференцирования блоком дифференцирования 11 напряжения u₉ на его выходе формируется переменное напряжение u₁₀, по форме близкое к прямоугольной с частотой равной учетверенной частоте 4ω входного синусоидального напряжения u_вх (фиг.2).As a result of differentiation by the differentiation block 11 of the voltage u ₉ , an alternating voltage u ₁₀ is formed at its output, a shape close to rectangular with a frequency equal to quadruple frequency 4ω of the input sinusoidal voltage u _in (Fig. 2).

После выпрямления переменного напряжения u₁₀ во втором блоке выделения модуля 12, на его выходе формируется постоянное напряжение u₁₁, содержащее незначительные пульсации, которые эффективно сглаживаются фильтром нижних частот 13, имеющим небольшую постоянную времени (фиг.2).After rectifying the alternating voltage u ₁₀ in the second isolation block of module 12, a constant voltage u ₁₁ is formed at its output, containing minor ripples, which are effectively smoothed out by a low-pass filter 13, which has a small time constant (Fig. 2).

В результате на выходе фильтра нижних частот 13 и на выходе устройства формируется постоянное напряжение u_вых, которое не содержит переменной составляющей.As a result, a constant voltage _uout is formed at the output of the low-pass filter 13 and at the output of the device, which does not contain an alternating component.

Таким образом, частота переменного напряжения на выходе дифференциатора в два раза выше и имеет меньшую амплитуду пульсаций, чем у прототипа. В результате этого для достижения требуемого уровня амплитуды пульсаций выходного напряжения фильтр нижних частот 13 имеет значительно меньшую постоянную времени. Следовательно, имеет место повышение быстродействия устройства.Thus, the frequency of the alternating voltage at the output of the differentiator is twice as high and has a lower ripple amplitude than that of the prototype. As a result, to achieve the required level of output voltage ripple amplitude, the low-pass filter 13 has a significantly smaller time constant. Consequently, there is an increase in the performance of the device.

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 К525ПСЗ в цепь его отрицательной обратной связи. При построении квадратора 3 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3, объединив входы х и у. Усилитель 4 представляет собой обычный неинвертирующий усилитель на операционном усилителе (ОУ). Блоки вычитания 5, 10 представляют собой обычные параллельные сумматоры на ОУ. Источник опорного сигнала 6 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. Фазосмещатель на 90° 7 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №127554 РФ, НОЗВ 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). В качестве блоков выделения модуля 8, 9, 12 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). Блок дифференцирования 11 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. Фильтр нижних частот 13 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).In the practical implementation of the proposed meter, the amplitude detector 1 can be made according to one of the well-known circuits (A. J. Peyton, V. Volsh. Analog electronics on operational amplifiers. - M.: BINOM, 1994, p. 292, Fig. 11.17; p. 304, Fig. 11.29). Division block 2 can be performed on an operational amplifier (op-amp) by connecting the voltage multiplier on the K525PSZ microcircuit to its negative feedback circuit. When building quadrator 3, you can use voltage multipliers on the KR525PS3 microcircuit, combining the x and y inputs. Amplifier 4 is a conventional non-inverting operational amplifier (op-amp). Subtraction blocks 5, 10 are ordinary parallel op-amp adders. The reference signal source 6 is a conventional stable voltage source. The 90° phase shifter 7 can be made according to the scheme (Patent for PM No. 127554 of the Russian Federation, NOZV 27/00. Quadrature signal former, published 04/27/2013). As isolation blocks for module 8, 9, 12, you can use a full-wave rectifier circuit based on an op-amp, made according to the circuit (A. J. Peyton, V. Volsh. Analog electronics on operational amplifiers. - M.: BINOM, 1994, p. 315, Fig. 11.37). Differentiation block 11 can be implemented according to a well-known circuit using an op-amp with a timing RC circuit. Low-pass filter 13 can be performed according to the circuit of a first-order low-pass filter on an op-amp (A. J. Peyton, V. Volsh. Analog electronics on operational amplifiers. - M.: BINOM, 1994, p. 105, Fig. 6.10).

Claims

A harmonic signal frequency meter containing an amplitude detector, a division block, first and second module extraction blocks, a first subtraction block, a differentiation block and a 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 division block, and the output of the first module selection block is connected to the second input of the first subtraction block, the output of which is connected to the input of the differentiation block, the output of which, through the second module selection block, is connected to the input of a low-pass filter, the output of which is the output of the meter, characterized in that It additionally includes a quadrator, an amplifier, a second subtraction block, a reference signal source, a phase shifter and a third module extraction block, and the output of the division block is connected through the quadrator to the input of the amplifier, the output of which is connected to the first input of the second subtraction block, the second input of which is connected to the output of the source reference signal, the output of the second subtraction block is connected to the inputs of the phase shifter and the third module extraction block, the output of which is connected to the first input of the first subtraction block, and the output of the phase shifter is connected to the input of the first module selection block.