RU226073U1 - Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения переменного напряжения в широком диапазоне частот путем преобразования его в постоянное. Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия и точности преобразователя. Измерительный преобразователь содержит управляемый фазосмещатель, два неуправляемых фазосмещателя, делитель частоты, амплитудный детектор, блок деления, компаратор, управляемый усилитель, арксинусный преобразователь и блок масштабирования. Вход измерительного преобразователя соединен с входами первого неуправляемого фазосмещателя и управляемого фазосмещателя, выход которого является выходом измерительного преобразователя. Выход первого неуправляемого фазосмещателя подключен к входу делителя частоты, выход которого соединен с входами компаратора и второго неуправляемого фазосмещателя, выход которого соединен с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен с вторым входом блока деления, выход которого соединен с входом управляемого усилителя, выход которого соединен с входом арксинусного преобразователя, выход которого через блок масштабирования соединен с управляющим входом управляемого фазосмещателя, а выход компаратора соединен с управляющим входом управляемого усилителя. 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 №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.

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.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является Известен измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №211821 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 23.06.2022 г.], 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.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком данного преобразователя является низкое его быстродействие особенно в области низких частот, обусловленное применением в устройстве преобразователя частота-напряжение, в схеме которого на выходе используется фильтр нижних частот. При этом постоянная времени фильтра нижних частот выбирается достаточно большой исходя из обеспечения заданных пульсаций выходного напряжения управления на самой нижней частоте рабочего диапазона, что предопределяет низкое быстродействие и точность устройства особенно в переходных режимах во всем рабочем диапазоне частот.

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, первый неуправляемый фазосмещатель и компаратор, причем вход измерительного преобразователя соединен с входами первого неуправляемого фазосмещателя и управляемого фазосмещателя, выход которого является выходом измерительного преобразователя, дополнительно введены делитель частоты, второй неуправляемый фазосмещатель, амплитудный детектор, блок деления, управляемый усилитель, арксинусный преобразователь и блок масштабирования, причем выход первого неуправляемого фазосмещателя подключен к входу делителя частоты, выход которого соединен с входами компаратора и второго неуправляемого фазосмещателя, выход которого соединен с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с входом управляемого усилителя, выход которого соединен с входом арксинусного преобразователя, выход которого через блок масштабирования соединен с управляющим входом управляемого фазосмещателя, а выход компаратора соединен с управляющим входом управляемого усилителя.

Существенными отличиями предлагаемого измерительного преобразователя являются введение делителя частоты, второго неуправляемого фазосмещателя, амплитудного детектора, блока деления, управляемого усилителя, арксинусного преобразователя и блока масштабирования, а также организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение технического результата - 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-u₃, u₅-u₉ и u_вых.

Измерительный преобразователь (фиг. 1) содержит управляемый фазосмещатель 1, первый и второй неуправляемый фазосмещатель 2 и 4, делитель частоты 3, амплитудный детектор 5, блок деления 6, компаратор 7, управляемый усилитель 8, арксинусный преобразователь 9 и блок масштабирования 10.

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 первого неуправляемого фазосмещателя 2, на выходе которого выходное формируется напряжение u₁, сдвинутое по фазе относительно u_вх на угол 90° в сторону опережения u₁=U_{m вх}cosωt (фиг. 2). Это напряжение u₁ подается на вход делителя частоты 3 гармонического сигнала, который делит частоту входного синусоидального напряжения на 2. Выходное напряжение u₂ делителя частоты 3 подается на входы компаратора 7 и второго неуправляемого фазосмещателя 4, на выходе которого формируется напряжение u₃ с неизменной амплитудой U_{m вх}, сдвинутое по фазе относительно u₂ на угол 90° в сторону опережения (фиг. 2).

Выходное напряжение u₃ второго неуправляемого фазосмещателя 4 подается на входы амплитудного детектора 5 и блока деления 6. После деления напряжения u₃ на его амплитуду u₄=U_{m вх}, формируемую амплитудным детектором 5, в блоке деления 6, на его выходе формируется синусоидальное напряжение и₅ с единичной амплитудой, которое подается на вход управляемого усилителя 8.

При этом компаратор 7 преобразует синусоидальное напряжение u₂ в напряжение u₆ прямоугольной формы (фиг. 2), которое подается на управляющий вход управляемого усилителя 8.

Это напряжение u₆ приводит к переключению полярности входного напряжения u₅ управляемого усилителя 8. Причем положительная полярность напряжения u₆ приводит к изменению полярности входного напряжения u₅ управляемого усилителя 7 на противоположную, а нулевое напряжение - не изменяет полярность напряжения u₅. Коэффициент передачи управляемого усилителя 8 выбран, равным единице, поэтому в первый полупериод напряжения u₂ он работает как повторитель, а во второй - как инвертор (фиг. 2). В результате на выходе управляемого усилителя 8 формируется напряжение u₇ с единичной амплитудой, состоящее из фрагментов косинусоид частотой ω, которое подается на вход арксинусного преобразователя 9. Арксинусный преобразователь 9 вычисляет угол, синус которого равен величине напряжения u₇ на его входе, и формирует на выходе пилообразное спадающее напряжение u₈ с амплитудой U_8m, равной π/2 (фиг. 2).

После прохождения блока масштабирования 10 размах пилообразного напряжения u₈ увеличивается и его амплитуда достигает ±10 В. Коэффициент передачи блока масштабирования 10 равен 20/π. Пилообразное напряжение ид амплитудой ±10 В с выхода блока масштабирования 10 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 -10 В до +10 В (фиг. 2). Это пилообразное управляющее напряжение u₉, воздействуя на управляемый фазосмещатель 1, изменяет фазу ϕ его входного сигнала от -180° до +180° с частотой ω (фиг. 2).

В результате того, что пилообразное управляющее напряжение u₉ опережает входное напряжение u_вх 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 делителя частоты, второго неуправляемого фазосмещателя, амплитудного детектора, блока деления, управляемого усилителя, арксинусного преобразователя и блока масштабирования позволяет избавиться от преобразователя частота-напряжение, ограничивающего его быстродействие и точность, и 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.). Неуправляемые фазосмещатели 2, 4 можно выполнить по схеме (Патент РФ №127554, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). Делитель частоты 3 гармонического сигнала можно выполнить по схеме (Авторское свидетельство СССР №668062 МПК Н03В 19/12, опубл. 15.06.1979 г.). Амплитудный детектор 5 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 6 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ), включив перемножитель сигналов на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Компаратор 7 можно выполнить на микросхеме К554СА3. Управляемый усилитель 8 можно выполнить по схеме управляемого усилителя (Патент на ПМ №168550 РФ, МПК G01R 25/00, опубл. 8.02.2017 г.). Арксинусный преобразователь 9 можно выполнить по одной из схем (Авт. свид. СССР, №467365, G06G 7/22, 15.04.1975; Авт. свид. СССР, №1256051, G06G 7/22, 07.09.1986.) или на ОУ, включив формирователь синуса, выполненный по одной из схем (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 270, рис. 10.9; Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982, стр. 66, рис. 4.22), в цепь его отрицательной обратной связи. Блок масштабирования 10 представляет собой неинвертирующий усилитель на ОУ с коэффициентом усиления 20/π.

Claims (1)

1. Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий управляемый фазосмещатель, первый неуправляемый фазосмещатель и компаратор, причем вход измерительного преобразователя соединен с входами первого неуправляемого фазосмещателя и управляемого фазосмещателя, выход которого является выходом измерительного преобразователя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены делитель частоты, второй неуправляемый фазосмещатель, амплитудный детектор, блок деления, управляемый усилитель, арксинусный преобразователь и блок масштабирования, причем выход первого неуправляемого фазосмещателя подключен к входу делителя частоты, выход которого соединен с входами компаратора и второго неуправляемого фазосмещателя, выход которого соединен с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с входом управляемого усилителя, выход которого соединен с входом арксинусного преобразователя, выход которого через блок масштабирования соединен с управляющим входом управляемого фазосмещателя, а выход компаратора соединен с управляющим входом управляемого усилителя.

Images