ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и автоматике и может быть использована для фазочувствительного измерения и преобразования сигналов переменного напряжения в постоянное в цепях обратной связи следящих систем, в устройствах фазовой автоподстройки частоты и схемах фазочувствительного выпрямления.
Известен измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №163230 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 10.07.2016 г.], содержащий фазосмещатель, первый и второй квадраторы, суммирующее устройство и блок извлечения квадратного корня, причем вход преобразователя соединен с входами первого квадратора и фазосмещателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам суммирующего устройства, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя.
Недостатком данного преобразователя является то, что наряду с высоким быстродействием и точностью его область применения ограничивается только измерением напряжения промышленной частоты, так как фазосмешатель обеспечивает фазовый сдвиг в 90° только на этой частоте. На других частотах преобразователь не выполняет своей функции, так как его выходное напряжение будет иметь значительную переменную составляющую, соизмеримую с постоянной.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №168459 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 3.02.2017 г.], содержащий два квадратора, дифференциатор, блок деления, сумматор, блок извлечения квадратного корня, компаратор и преобразователь частота-напряжение, причем вход измерительного преобразователя соединен с входом первого 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 измерительного преобразователя, дополнительно введены дифференциатор, блок деления, компаратор и преобразователь частота-напряжение, вход которого соединен с выходом компаратора, вход которого соединен с входом измерительного преобразователя и входом дифференциатора, выход которого соединен с первым входом блока деления, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выход преобразователя частота-напряжение соединен со вторым входом блока деления.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного преобразователя является то, что устройство не обладает чувствительностью к изменению фазы входного напряжения.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей измерительного преобразователя за счет обеспечения фазочувствительности.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий компаратор, преобразователь частота-напряжение и сумматор, причем выход компаратора подключен к входу преобразователя частота-напряжение, дополнительно введены инвертор, управляемый фазовращатель, одновибратор, интегратор со сбросом и источник задающего сигнала, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, выход которого соединен с выходом измерительного преобразователя, причем вход синхронизации соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом сброса интегратора со сбросом, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход преобразователя частота-напряжение соединен с входом интегратора со сбросом, а вход измерительного преобразователя соединен через инвертор с входом управляемого фазовращателя.
Существенными отличиями предлагаемого фазочувствительного измерительного преобразователя являются введение инвертора, управляемого фазовращателя, одновибратора, интегратора со сбросом и источника задающего сигнала, а также организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширение функциональных возможностей измерительного преобразователя за счет обеспечения фазочувствительности.
вх
1
оп
2
4
5
7
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема фазочувствительного измерительного преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u, u, u, u, u, u и U; на фиг.3 - фазовая характеристика преобразователя
Фазочувствительный измерительный преобразователь (фиг. 1) содержит инвертор 1, управляемый фазосмещатель 2, компаратор 3, преобразователь частота-напряжение 4, одновибратор 5, интегратор со сбросом 6, сумматор 7 и источник задающего сигнала 8.
вх
m вх
вх
оп
m оп
вх
вх
1
1
Фазочувствительный измерительный преобразователь работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение u=Usin(ωt+Ψ) с частотой ω=2πƒ подается на вход измерительного преобразователя. Одновременно на вход компаратора 3 подается опорное синусоидальное напряжение u=Usinωt с той же частотой ω=2πƒ. Инвертор 1 сдвигает фазу входного напряжения u на 180°, так что напряжения u и u находятся в противофазе (фиг. 2). Напряжение u подается на вход управляемого фазосмещателя 2:
1
m вх
вх
u=Usin(ωt+Ψ+180°),
m вх
вх
где U - амплитуда входного напряжения u;
вх
вх
Ψ - начальная фаза входного напряжения u.
оп
2
Компаратор 3 преобразует синусоидальное опорное напряжение u в напряжение u прямоугольной формы (фиг. 2), которое подается на входы преобразователя частота-напряжение 4 и одновибратора 5.
2
4
3
По фронтам импульсов напряжения u запускается одновибратор 5 и на его выходе формируются узкие импульсы u фиксированной длительности с частотой ω, которые подаются на вход сброса интегратора со сбросом 6. Одновременно преобразователь частота-напряжение 4 преобразует частоту этих импульсов в постоянное напряжение U положительной полярности величиной:
пчн
где К - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 4;
ƒ - частота входного напряжения;
max
ƒ - максимальная рабочая частота входного напряжения преобразователя.
пчн
3
max
пчн
max
При этом значение К выбирается из условия получения максимального выходного напряжения U=10 В при ƒ, т.е. К=10/ƒ.
3
Выходное напряжение U преобразователя частота-напряжение 4 поступает на вход интегратора со сбросом 6.
5
На выходе интегратора со сбросом 6 формируется пилообразное напряжение u отрицательной полярности с частотой ƒ входного напряжения преобразователя, амплитуда которого определяется по формуле:
5m
где U - амплитуда выходного напряжения интегратора со сбросом 6;
вх
T - период входного напряжения u;
вх
ƒ - частота входного напряжения u;
R - сопротивление резистора интегратора со сбросом 6;
С - емкость конденсатора интегратора со сбросом 6.
max
оп
Таким образом, при выборе постоянной интегрирования RC интегратора со сбросом 6 равной RC=1/ƒ амплитуда его выходного напряжения не зависит от частоты опорного напряжения u во всем рабочем диапазоне частот.
5
6
см
7
Выходное напряжение u интегратора со сбросом 6 суммируется в сумматоре 7 с напряжением смещения u=U=5 В от источника задающего сигнала 8, в результате чего на выходе сумматора 7 формируется переменное пилообразное напряжение u амплитудой 5 В. Это напряжение подается на управляющий вход управляемого фазосмещателя 2.
вх
Управляемый фазосмещатель 2 позволяет линейно изменять фазу ср входного сигнала от -180° до +180° при изменении величины управляющего напряжения от -5 В до +5 В (фиг. 2). Это пилообразное управляющее напряжение воздействуя на управляемый фазосмещатель 2, изменяет фазу ϕ его входного сигнала от -180° до +180° с частотой ƒ входного напряжения u (фиг. 2).
вых
В результате на выходе управляемого фазосмещателя 2 и на выходе измерительного преобразователя формируется выходное напряжение u:
вых
m вх
вх
m вх
вх
u=Usin(ωt+Ψ+180°+ϕ)=Usin{(ωt+Ψ+180°+(180°-ωt)}=
m вх
вх
=Usin(Ψ).
вых
m вх
вх
вх
1
вх
1
2
вх
2
Из полученного выражения видно, что величина выходного напряжения u измерительного преобразователя зависит от амплитуды входного напряжения U и от его начальной фазы Ψ, то есть схема обладает фазочувствительностью. Полученное выражение является уравнением фазовой характеристики, вид которой приведен на фиг. 3. Фазовая характеристика представляет собой синусоидальную зависимость. На фиг. 3 в качестве примера приведены временные диаграммы напряжений при начальной фазе входного напряжения Ψ=-90° (на интервале времени от t=0 до t=t), при Ψ=0° (на интервале времени от t=t до t=t), при Ψ=+90° (на интервале времени t>t).
Таким образом, применение в измерительном преобразователе инвертора, управляемого фазовращателя, одновибратора, интегратора со сбросом и источника задающего сигнала позволяет добиться требуемого технического результата - расширение функциональных возможностей измерительного преобразователя за счет обеспечения фазочувствительности.
При практической реализации предлагаемого измерительного преобразователя в качестве инвертора 1 можно применить обычный инвертирующий усилитель на операционном усилителе. Управляемый фазосмещатель 2 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R 19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). Компаратор 3 можно выполнить на микросхеме К554СА3. В качестве преобразователя частота-напряжение 4 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Одновибратор 5 можно выполнить на микросхеме К561АГ1. Интегратор со сбросом 6 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ) по схеме (В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высш. шк., 2005. - стр. 459, рис. 6.18,в). Сумматор 7 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ. Источник задающего сигнала 8 представляет собой обычный источник стабильного напряжения.