RU225928U1 - Измерительный преобразователь переменного тока в постоянный - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к измерительным преобразователям, и может быть использована в приборах для измерения переменного напряжения путем преобразования его в постоянное. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия и расширение полосы рабочих частот измерительного преобразователя. Измерительный преобразователь содержит первый и второй управляемые фазовращатели, удвоитель частоты, фазосмещатель, первый, второй и третий детекторы нуля, сумматор, двоичный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, источник опорного сигнала и блок масштабирования, двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий фильтр, выход которого является выходом измерительного преобразователя. Вход измерительного преобразователя соединен с входами первого и второго управляемого фазовращателя. Выход второго управляемого фазовращателя соединен с входами первого детектора нуля и удвоителя частоты, выход которого соединен с входами второго детектора нуля и фазосмещателя, выход которого через третий детектора нуля соединен со вторым входом сумматора, первый вход которого подключен к выходу второго детектора нуля, выход сумматора соединен со счетным входом двоичного счетчика, вход сброса которого подключен к выходу первого детектора нуля, первый и второй выходы двоичного счетчика соединены соответственно с первым и вторым входами цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом первого управляемого фазовращателя, выход которого подключен к входу двухполупериодного выпрямителя, а выход источника опорного сигнала соединен с входом опорного напряжения цифроаналогового преобразователя и входом блока масштабирования, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого фазовращателя. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области электроизмерений, в частности к измерительным преобразователям, и может быть использована в приборах для измерения переменного напряжения путем преобразования его в постоянное.

Известен измерительный преобразователь переменного тока в постоянный [патент RU №2093842, МПК⁸ G01R 19/22, опубл. 20.10.1997 г.], содержащий два операционных усилителя, четыре диода, сглаживающий фильтр и три резистора, соединенных между собой звездой, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с источником измеряемого переменного напряжения, инвертирующий вход со вторым выводом первого диода и с первым выводом первого резистора, выход с первым выводом первого диода и вторым выводом второго диода, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен со вторым выводом третьего диода и первым выводом третьего резистора, выход с первым выводом третьего диода и вторым выводом четвертого диода, выход сглаживающего фильтра является выходом преобразователя, первые выводы второго и четвертого диодов и первый вывод второго резистора соединены с входом сглаживающего фильтра, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к средней точке резистивного делителя напряжения, включенного между выходом сглаживающего фильтра и общей шиной.

Недостатком данного преобразователя является то, что он обладает низким быстродействием.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измерительный преобразователь переменного тока в постоянный [Патент на ПМ №162314 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 10.06.2016 г.], содержащий первый двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий фильтр, выход которого является выходом преобразователя, вход которого соединен с входом первого двухполупериодного выпрямителя, фазосмещатель, второй двухполупериодный выпрямитель и сумматор, причем вход преобразователя соединен с входом фазосмещателя, выход которого подключен к входу второго двухполупериодного выпрямителя, а выходы первого и второго двухполупериодных выпрямителей подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого соединен с входом сглаживающего фильтра.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком данного преобразователя является то, что он также обладает низким быстродействием и работоспособен только на одной частоте, так как фазосмещатель обеспечивает фазовый сдвиг в 90° только на частоте 50 Гц.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия преобразователя за счет увеличения пульсности преобразования входного сигнала, а также расширение полосы рабочих частот посредством применения широкополосных узлов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий двухполупериодный выпрямитель, фазосмещатель, сумматор и сглаживающий фильтр, выход которого является выходом преобразователя, дополнительно введены первый и второй управляемые фазовращатели, удвоитель частоты, первый, второй и третий детекторы нуля, двоичный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, источник опорного сигнала и блок масштабирования, причем вход преобразователя соединен с информационными входами первого и второго управляемого фазовращателя, выход второго управляемого фазовращателя соединен с входами первого детектора нуля и удвоителя частоты, выход которого соединен с входами второго детектора нуля и фазосмещателя, выход которого через третий детектора нуля соединен со вторым входом сумматора, первый вход которого подключен к выходу второго детектора нуля, выход сумматора соединен со счетным входом двоичного счетчика, вход сброса которого подключен к выходу первого детектора нуля, первый и второй выходы двоичного счетчика соединены соответственно с первым и вторым входами цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом первого управляемого фазовращателя, выход которого подключен к входу двухполупериодного выпрямителя, а выход источника опорного сигнала соединен с входом опорного напряжения цифроаналогового преобразователя и входом блока масштабирования, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого фазовращателя.

Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение первого и второго управляемого фазовращателя, удвоителя частоты, первого, второго и третьего детекторов нуля, двоичного счетчика, цифроаналогового преобразователя, источника опорного сигнала и блока масштабирования. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение технического результата - повышение быстродействия и расширение полосы рабочих частот преобразователя.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u_вх, u₁-u₄, u₇-u₉, u₁₂-u₁₄ и u_выхb.

Измерительный преобразователь (фиг. 1) содержит первый и второй управляемые фазовращатели 1 и 2, удвоитель частоты 3, фазосмещатель 4, первый 5, второй 6 и третий 7 детекторы нуля, сумматор 8, двоичный счетчик 9, цифроаналоговый преобразователь 10, источник опорного сигнала 11 и блок масштабирования 12, двухполупериодный выпрямитель 13 и сглаживающий фильтр 14.

Измерительный преобразователь работает следующим образом. Измеряемое напряжение переменного тока u_вх=U_mвхsintωt с частотой ω подается на входы первого 1 и второго 2 управляемого фазовращателя. В устройстве применены управляемые фазовращатели 1 и 2, которые позволяют линейно изменять фазу ω входного сигнала от -180° до +180° при изменении величины управляющего напряжения от -10 В до+10 В.

При этом источник задающего сигнала 11 вырабатывает стабильное напряжение постоянного тока величиной U₁₀= +10 В, которое подается на вход блока масштабирования 12 и вход опорного напряжения цифроаналогового преобразователя 10. Блок масштабирования 12 имеет коэффициент передачи равный K_n= -0,375. Поэтому на выходе блока масштабирования 12 устанавливается постоянное напряжение U₁₁= -3,75 В, которое подается на управляющий вход второго управляемого фазовращателя 2. Под действием этого напряжения U₁₁ второй управляемый фазовращатель 2 сдвигает входное напряжение u_вх на угол 67,5° в сторону отставания (фиг. 2).

Полученное напряжение u₁ поступает на входы первого детектора нуля 5 и удвоителя частоты 3, на выходе которого формируется синусоидальное напряжение u₂ с удвоенной частотой 2ω такой же амплитуды U_mвх. Это напряжение u₂ сдвигается по фазе фазосмещателем 4 на угол 90° в сторону отставания (фиг. 2).

Детекторы нуля 6 и 7 формируют узкие импульсы в моменты перехода через ноль соответственно напряжений u₂ и u₃, которые подаются на входы сумматора 8. В результате на выходе сумматора 8 формируется последовательность узких импульсов u₇ частотой в восемь раз превышающей частоту входного напряжения u_вх, то есть 8ω (фиг. 2). Эти импульсы u₇ подаются на счетный вход двоичного счетчика 9, на вход сброса которого подаются импульсы сброса u₄, с выхода первого детектора нуля 5, сформированные в моменты перехода через ноль синусоидального напряжения u₁.

Двоичный счетчик 9 считает количество входных импульсов и преобразует его в цифровой двоичный код (напряжения u₈ и u₉) эквивалентный этому количеству (фиг. 2). Полученный двоичный код (напряжения u₈ и u₉) поступает на соответствующие входы цифроаналогового преобразователя 10, на вход опорного напряжения которого подается напряжение U₁₀= +10 В с выхода источника опорного сигнала 11.

При этом на выходе цифроаналогового преобразователя 10 формируется ступенчатое нарастающее напряжение u₁₂ отрицательной полярности со ступенью квантования ΔU= -2,5 В. Это напряжение u₁₂ подается на управляющий вход первого управляемого фазовращателя 1 и сдвигает по фазе входное синусоидальное напряжение u_вх в сторону отставания на угол, соответствующий управляющему напряжению u₁₂ с выхода цифроаналогового преобразователя 10.

В результате на выходе первого управляемого фазовращателя 1 формируется переменное напряжение по форме близкое к прямоугольной (фиг. 2). После выпрямления двухполупериодным выпрямителем 13 на его выходе формируется восьмипульсное постоянное напряжение u₁₄, которое сглаживается сглаживающим фильтром 14, и на его выходе и на выходе измерительного преобразователя формируется постоянное напряжение пропорциональное действующему значению входного напряжения u_вх.

Таким образом, частота пульсаций напряжения u₁₄ на выходе двухполупериодного выпрямителя 13 в два раза выше и имеют меньшую амплитуду, чем у прототипа. В результате этого для достижения требуемого уровня амплитуды пульсаций выходного напряжения фильтр нижних частот 14 имеет значительно меньшую постоянную времени. Следовательно, имеет место повышение быстродействия устройства. Кроме того, преобразователь выполнен из широкополосных узлов, следовательно, имеет место расширение полосы его рабочих частот.

При практической реализации предлагаемого преобразователя управляемые фазовращатели 1 и 2 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R 19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). Удвоитель частоты 3 можно выполнить по схеме [Патент на ПМ №189067 РФ, МПК Н03В 19/00, опубл. 07.05.2019 г.]. Фазосмещатель на 90° 4 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №127554 РФ, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). Детекторы нуля 5, 6 и 7 можно выполнить по схеме (Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. - М.: Мир, 1985. - стр. 236, рис. 9.3, а). Сумматор 8 представляет собой обычный неинвертирующий сумматор на операционном усилителе (ОУ). В качестве двоичного счетчика 9 можно использовать микросхему К561ИЕ10. В качестве цифроаналогового преобразователя 10 можно использовать микросхему К572ПА1 с ОУ. Источник задающего сигнала 11 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. В качестве блок масштабирования 12 можно использовать инвертирующий усилитель на ОУ с коэффициент передачи равным K_n= -0,375. Двухполупериодный выпрямитель 13 можно выполнить на ОУ по схеме (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 315, рис. 11.37). Фильтр нижних частот 14 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. Измерительный преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий двухполупериодный выпрямитель, фазосмещатель, сумматор и сглаживающий фильтр, выход которого является выходом измерительного преобразователя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй управляемые фазовращатели, удвоитель частоты, первый, второй и третий детекторы нуля, двоичный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, источник опорного сигнала и блок масштабирования, причем вход измерительного преобразователя соединен с входами первого и второго управляемого фазовращателя, выход второго управляемого фазовращателя соединен с входами первого детектора нуля и удвоителя частоты, выход которого соединен с входами второго детектора нуля и фазосмещателя, выход которого через третий детектор нуля соединен со вторым входом сумматора, первый вход которого подключен к выходу второго детектора нуля, выход сумматора соединен со счетным входом двоичного счетчика, вход сброса которого подключен к выходу первого детектора нуля, первый и второй выходы двоичного счетчика соединены соответственно с первым и вторым входами цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом первого управляемого фазовращателя, выход которого подключен к входу двухполупериодного выпрямителя, а выход источника опорного сигнала соединен с входом опорного напряжения цифроаналогового преобразователя и входом блока масштабирования, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого фазовращателя.

Images