ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ В НАПРЯЖЕНИЕ

Полезная модель относится к радиотехнике и связи, которая может быть использована при построении многофазных генераторов, в управляемых фазовращателях, а также в устройствах допускового контроля, например реле частоты.
Известно устройство [1], содержащее источник гармонического сигнала и RC-цепь, обладающую свойствами реального дифференцирующего звена с передаточной функцией H(s)=[τ·s/(τ·s+1)], где τ=R·С - постоянная времени цепи; R - сопротивление резистора; С - емкость конденсатора; s - комплексная переменная.
I
Напряжение на выходе цепи зависит не только от частоты f, но и амплитуды А входного сигнала, что является существенным недостатком подобного преобразователя. Кроме того, при изменении частоты f в широких пределах неизбежно возникает дополнительная погрешность, связанная с не идеальностью дифференцирующей цепочки, поскольку коэффициент передачи реального дифференцирующего звена отличается от коэффициента передачи идеального дифференцирующего звена H(f)=2πƒτ.
Наиболее близким устройством к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, преобразователь однофазного напряжения в трехфазное [2], который содержит два фазовращателя и блок коррекции, выполненный из двух пиковых детекторов, двух интеграторов и двух сумматоров, при этом входы первого и второго фазовращателей соединены с входной шиной преобразователя, первый, второй и третий входы блока коррекции соединены, соответственно, с входом преобразователя однофазного напряжения в трехфазное, с выходом первого фазовращателя и с выходом второго фазовращателя.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства.
Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в расширении функциональных возможностей путем получения на выходе сигнала, пропорционального частоте входного источника, при изменении его параметров в широком диапазоне.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в преобразователь, содержащий первый и второй фазовращатели, первый и второй пиковые детекторы, причем входы первого и второго фазовращателей соединены с входной шиной преобразователя частоты в напряжение, дополнительно введены инвертор, делитель и масштабирующий усилитель, при этом выход первого фазовращателя соединен с входом инвертора и вторым входом пикового детектора, к выходу которого подключен второй вход делителя, между выходом которого и выходом преобразователя частоты в напряжение включен масштабирующий усилитель, выход второго фазовращателя соединен с первым входом первого пикового детектора и вторым входом второго пикового детектора, к выходу которого подключен первый вход делителя, причем первый вход второго пикового детектора соединен с выходом инвертора.
Первый фазовращатель выполнен из операционного усилителя, резистора и конденсатора, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом фазовращателя, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя включен резистор.
Второй фазовращатель выполнен из операционного усилителя, конденсатора и резистора, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом второго фазовращателя, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя включен конденсатор.
Первый и второй пиковые детекторы выполнен аналогично, каждый из которых включает компаратор, одновибратор и устройство выборки-хранения, выход которого соединен с выходом первого пикового детектора, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с неинвертирующим входом компаратора и вторым входом устройства выборки-хранения, первый вход которого подключен к выходу одновибратора, вход которого соединен с выходом компаратора, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».
Введение в предлагаемый преобразователь частоты в напряжение инвертора, делителя и масштабирующего усилителя, а также выполнение пикового детектора и организация новых связей между функциональными элементами позволило получить на выходе преобразователя сигнал с высокой линейностью, пропорциональный частоте входного источника, при изменении его параметров в широком диапазоне.
Полезная модель поясняется структурной схемой преобразователя частоты в напряжение, изображенной на фиг.1 и графиками, поясняющими принцип работы преобразователя частоты в напряжение - на фиг.2.
Преобразователь частоты в напряжение содержит первый 1 и второй 2 фазовращатели, первый 3 и второй 4 пиковые детекторы, инвертор 5, делитель 6 и масштабирующий усилитель 7, причем входы первого 1 и второго 2 фазовращателей соединены с входной шиной преобразователя частоты в напряжение, выход первого фазовращателя 1 соединен с входом инвертора 5 и вторым входом пикового детектора 3, к выходу которого подключен второй вход делителя 6, между выходом которого и выходом преобразователя частоты в напряжение включен масштабирующий усилитель 7, выход второго фазовращателя 2 соединен с первым входом первого пикового детектора 3 и вторым входом второго пикового детектора 4, к выходу которого подключен первый вход делителя 6, причем первый вход второго пикового детектора 4 соединен с выходом инвертора 5.
При этом первый фазовращатель 1 выполнен из операционного усилителя 14, резистора 15 и конденсатора 16, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя 14, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом фазовращателя 1, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя 14 включен резистор 15. Второй фазовращатель 2 выполнен из операционного усилителя 17, конденсатора 18 и резистора 19, включенного между общей шиной и неинвертирующим входом операционного усилителя 17, выход которого соединен с его инвертирующим входом и с выходом второго фазовращателя 2, между входом которого и неинвертирующим входом операционного усилителя 17 включен конденсатор 18. Первый пиковый детектор 3 выполнен из компаратора 8, одновибратора 10 и устройства выборки-хранения 12, выход которого соединен с выходом первого пикового детектора 3, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с неинвертирующим входом компаратора 8 и вторым входом устройства выборки-хранения 12, первый вход которого подключен к выходу одновибратора 10, вход которого соединен с выходом компаратора 8, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной. Второй пиковый детектор 4 выполнен из компаратора 9, одновибратора 11 и устройства выборки-хранения 13, выход которого соединен с выходом второго пикового детектора 4, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с неинвертирующим входом компаратора 9 и вторым входом устройства выборки-хранения 13, первый вход которого подключен к выходу одновибратора 11, вход которого соединен с выходом компаратора 9, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной.
Преобразователь частоты в напряжение работает следующим образом.
На вход первого 1 и второго 2 фазовращателей поступает гармонический сигнал
0
0
где A - амплитуда сигнала N(t); x=ωt - текущее значение угла, выраженное в радианах.
1
1
1
После окончания переходного процесса на выходе первого фазовращателя 1 также устанавливаются гармонические колебания N(t) с той же самой частотой ω, но с другой амплитудой А и фазой φ
2
2
2
а на выходе второго фазовращателя 2 - гармонические колебания N(t) c амплитудой A и фазой φ
1
2
Для нахождения амплитудных значений и фазовых сдвигов воспользуемся операторным методом, для этого найдем передаточные функции Н(s) и H(s), соответственно, первого 1 и второго 2 фазовращателей.
Операционный усилитель 14, резистор 15 и конденсатор 16 образуют фазовращатель 1 с передаточной функцией
1
1
1
1
1
где τ=R·C - постоянная времени фазовращателя 1; R - сопротивление резистора 15; C, - емкость конденсатора 16; s - комплексная переменная.
Операционный усилитель 17, конденсатор 18 и резистор 19 образуют второй фазовращатель 2 с передаточной функцией
2
2
2
2
2
где τ=R·C - постоянная времени второго фазовращателя 2; R - сопротивление резистора 19; С - емкость конденсатора 18.
1
2
Передаточная функция Н(s) соответствует инерционному (апериодическому) звену первого порядка, а передаточная функция Н(s) - реальному дифференцирующему звену.
1
2
1
2
При R=R=R и C=С=С передаточная функция первого фазовращателя
а передаточная функция второго фазовращателя
1
2
Подставив значение комплексной переменной s=jω в уравнения (6) и (7) найдем комплексные частотные функции первого H(jω) и второго Н(jω) фазовращателей
1
1
Коэффициент передачи первого фазовращателя 1 (модуль комплексной частотной функции), определяющий изменение амплитуды A сигнала N(t} от частоты ω=2πf,
Коэффициент передачи второго фазовращателя 2
1
1
0
Фазовый сдвиг φ(ω) между выходным N(t) и входным N(t) колебаниями определяется выражением
2
2
0
а фазовый сдвиг φ(ω) между выходным N(t) и входным N(t) колебаниями определяется выражением
2
1
Фазовый сдвиг ψ(ω) между колебаниями N(t) и N(t)
2
1
Из (14) следует, что фазовый сдвиг между выходными колебаниями N(t) и N(t) при любых изменениях частоты ω и постоянной времени τ будет неизменным и составлять 90 электрических градусов.
1
0
0
Выходной сигнал N(t) будет зависеть от амплитуды A входного сигнала N(t) и коэффициента передачи первого фазовращателя 1
2
0
0
Выходной сигнал N(t) будет зависеть от амплитуды A входного сигнала N(t) и коэффициента передачи второго фазовращателя 2
2
1
1
2
Первый компаратор 8 формирует из сигнала N(t) сигнал D(t) прямоугольной формы (фиг.2), а второй компаратор 9 формирует из инвертированного (с помощью инвертора 5) сигнала N(t) сигнал прямоугольной формы D(t).
1
2
1
2
Одновибраторы 10 и 11, срабатывающие по переднему фронту поступающих на их входы импульсов D(t) и D(t), формируют узкие импульсы T и Т, поступающие на соответствующие входы первого 12 и второго 13 устройств выборки-хранения.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Поскольку время прихода импульсов T и Т на входы устройств выборки-хранения 12 и 13 всегда совпадает с максимальными (экстремальными) значениями соответствующих сигналов N(t) и N(t), поступающими на вторые входы устройств выборки-хранения 12 и 13, а длительность управляющих импульсов Tи T чрезвычайно мала, то постоянные напряжения E и Е, формируемые на выходах устройств выборки-хранения 12 и 13 будут в точности равны пиковым (амплитудным) значениям А и А сигналов N(t) и N(t), то есть
На выходе делителя 7 формируется сигнал
0
0
0
который не зависит от амплитуды A входного сигнала N(t), и величина F которого (при фиксированном значении постоянной времени τ) будет изменяться по линейному закону при изменении частоты f входного сигнала N(t).
Источники информации
1. Кузнецов Э. Два аналоговых частотомера. Журнал «Радио», 2009, №7, с.74 - рис.1.
2. Авт. св-во СССР №1803955, Н02М 5/14. Дубровин B.C. Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное 1993 г., бюл. №11.