ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПРЕЦИЗИОННЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Заявляемое устройство относится к информационно-измерительной технике и системам с фазовым электрическим управлением сигнала, может быть использовано для поверки фазометров, фазоиндикаторов, фазокомпараторов. В частности, фазовращатели и калибраторы фазы применяются в составе прецизионных двухфазных генераторов, в полярно-координатных компенсаторах, компенсационных фазометрах, вектормерах, а также для градуировки, аттестации и поверки фазометрической аппаратуры, в системах управления с фазовой автоподстройкой, с фазовой синхронизацией, трансиверах, в системе фазового управления силовыми преобразователями и тиристорными усилителями, в станках ЧПУ с фазовым управлением, в фазовых пеленгаторах и др.
Известный калибратор фазы [Патент РФ №2024884, МПК G01R 25/04. Калибратор фазы / Кравченко С.А., Фоменков В.В., Шохор И.Х., Красавина С.О. Опубл. 15.12.1994] содержит опорный генератор, блок опорных частот, два фазозадающих канала, каждый из которых содержит блок фазозадания, синтезатор частоты, преобразователь частоты и избирательный фильтр, а также введены в калибратор узлы развязки, каждый из которых состоит из последовательно соединенных усилителя и аттенюатора, позволяет повысить точность воспроизведения угла фазового сдвига за счет уменьшения взаимовлияния между фазозадающими каналами.
Недостатками устройства являются невысокая точность на низкочастотном диапазоне, сложность сопряжения и регулирования отдельно частоты и отдельно фазы своими отдельными блоками, коррекция погрешностей осуществляется с помощью специальных развязок усилителя и аттенюатора.
Известен калибратор фазы звукового диапазона частот, в которых индикация производится на экране электронно-лучевой трубки в виде фигуры Лиссажу [А.с. 134727 СССР, МПК G01R 35. Калибратор фазы звукового диапазона частот / Колтик Е.Д.]. Основной недостаток подобных калибраторов фазы состоит в том, что они не обеспечивают высокой точности измерения при форме напряжения, отличного от синусоидального напряжения.
В книге [Сапельников В.М. Кравченко С.А., Чмых М.К. Проблемы воспроизведения смещаемых во времени электрических сигналов и их метрологическое обеспечение / Изд-е Башкирск. гос. ун-та. - Уфа, 2000. - 196 с.] приведены основные известные способы и конструкции калибраторов фазы и фазовращателей. Практически все описанные потенциометрические, мостовые фазовращатели и калибраторы фазы, фазовращатели на линиях задержки RC и LC, на операционных усилителях являются частотозависимыми и не обеспечивающими в широком диапазоне частот такие параметры, как высокая разрешающая способность по углу фазового сдвига (УФС) менее 0,1° с абсолютной погрешностью менее 0,1°. Как правило, такие схемы применяются для регулировки угла фазового сдвига (УФС) на одной заданной частоте и имеют погрешность 0,1° и более.
В книге [Сапельников В.М. Кравченко С.А., Чмых М.К. Проблемы воспроизведения смещаемых во времени электрических сигналов и их метрологическое обеспечение / Изд-е Башкирск. гос. ун-та. - Уфа, 2000. - 196 с.] отмечено, что для прецизионного воспроизведения смещаемых во времени электрических сигналов необходимо применять только дискретные калибраторы фазы и фазовращатели с вещественными коэффициентами деления. С этой целью должны применяться цифроаналоговые преобразователи. Известны способ и устройство нелинейных ЦАП [Сапельников В.М. Кравченко С.А., Чмых М.К. Проблемы воспроизведения смещаемых во времени электрических сигналов и их метрологическое обеспечение / Изд-е Башкирск. гос. ун-та. - Уфа, 2000. - 196 с. Патент №74022 МПК Н03М 1/66. Устройство нелинейного цифро-аналогового преобразования сигнала / Сапельников В.М., Канарейкин В.И. и др. - №74022: заявитель Сапельников В. М.; заявл. 2007, опубл. 2008, бюл. №16. - 4 с.: ил. Патент №2408136 МПК Н03М 1/66. Функциональный ЦАП / Сапельников В.М., Канарейкин В.И., Клименко С.С. - №2408136: заявитель ГОУВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»; заявл. 2009, опубл. 2010, бюл. №36. - 6 с.: ил.].
В нашей стране промышленностью выпускается калибратор фазы Ф1-4 с дискретностью регулирования УФС 10°, что является недостатком при применении его в качестве прецизионного фазовращателя в системах управления с высокой разрешающей способностью по УФС.
Устройство, принятое за прототип, содержит квадратурное устройство, функциональные ЦАП, обеспечивающие воспроизведение синусной и косинусной зависимости, сумматор, фильтр [Сапельников В.М. Кравченко С.А., Чмых М.К. Проблемы воспроизведения смещаемых во времени электрических сигналов и их метрологическое обеспечение / Изд-е Башкирск. гос. унта. - Уфа, 2000. - 33-35, 41 с. Преобразователи фазового сдвига на основе функциональных ЦАП [Текст]: автореферат дис. …канд. техн. наук: 05.13.05: защищена 2011 / Канарейкин В.И. - Уфа, 2011. - 4 с.].
Недостатком данной схемы является применение функциональных ЦАП с кусочно-линейной аппроксимацией, со ступенчатой, полиномиальной аппроксимацией, декадное регулирование угла фазового сдвига, отсутствие узла, распределяющего сигналы переменного тока по своим рабочим каналам, работающим на заданные частотные диапазоны, что приводит к увеличению методических погрешностей фазовращателя и уменьшению точности регулирования угла фазового сдвига со снижением разрешающей способности, а также ограничивает диапазон рабочих частот фазовращателя, что приводит к сокращению области применения устройства.
Задачей полезной модели является создание нового устройства - широкополосного прецизионного фазовращателя с достижением следующего технического результата: повышение разрешающей способности и точности воспроизведения и регулирования угла фазового сдвига (УФС) в широком диапазоне частот.
Поставленная задача решается тем, что в широкополосный прецизионный фазовращатель, содержащий широкополосное квадратурное устройство, функциональные цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), реализующие синусную и косинусную зависимости, сумматор, фильтр, согласно полезной модели дополнительно на входной аналоговый электрический сигнал введен коммутатор частот для подачи согласованного электрического сигнала заданного диапазона на широкополосные квадратурные устройства, соединенные с функциональными ЦАП, работающими на согласованной с ними частоте сигнала, при этом функциональные ЦАП выполнены на гибридном методе с применением сплайновой аппроксимации n-го порядка, а широкополосные квадратурные устройства выполнены по схеме фазоразностной RC-цепи, имеющей чебышевский характер приближения к 90° фазовому сдвигу.
При этом в качестве функциональных ЦАП применяются прецизионные функциональные ЦАП со сплайновой аппроксимацией с разрядностью не менее 12. Широкополосные квадратурные устройства на RC-цепи обеспечивают коэффициент перекрытия по частоте сигнала не более 10, при этом погрешности квадратурных напряжений по амплитуде не более 0,1%, по углу фазового сдвига не более 0,1°. В качестве функциональных ЦАП могут быть применены прецизионные функциональные ЦАП со сплайновой аппроксимацией, основанные на гибридном методе реализации синусной и косинусной зависимости с количеством интервалов аппроксимации от 4-х и выше и порядком сплайна от 3-х и выше.
На фигуре показана структурная схема широкополосного прецизионного фазовращателя.
Широкополосный прецизионный фазовращатель содержит коммутатор 1, широкополосные квадратурные устройства 2 с заданным коэффициентом перекрытия частоты, функциональные ЦАП 3, реализующие синусную зависимость в заданном диапазоне частот, функциональные ЦАП 4, реализующие косинусную зависимость в заданном диапазоне частот, сумматор 5, фильтр 6 заданного диапазона частот.
Устройство работает следующим образом.
1
2
Принцип работы широкополосного прецизионного фазовращателя. На коммутатор 1 подается аналоговый сигнал, определенный частоты, коммутатор замыкает электрическую цепь, работающую на заданном диапазоне частот №1, 2, … или n, соединяется с квадратурным устройством 2, работающим в этом же диапазоне частот. Соответственно все узлы и блоки фазовращателя выполнены так, что работают на определенные полосы частот (диапазон частот №1, диапазон частот №2, … диапазон частот №n): низкочастотный диапазон, высокочастотный диапазон и сверхвысокочастотный диапазон. Широкополосное квадратурное устройство сдвигает входное напряжение на угол 90°, на его выходе формируются два квадратурных напряжения, которые подаются на входы соответствующих прецизионных функциональных ЦАП 3, 4, реализующих синусную и косинусную зависимости, с аналоговых выходов функциональных ЦАП сигнал проходит через сумматор 5, фильтр 6 формируя на выходе напряжение по формуле: . Изменение и регулировка угла фазового сдвига осуществляется функциональными синусно-косинусными преобразователями 3, 4 за счет подачи по цифровым каналам цифрового сигнала N, N соответствующего углу фазового сдвига фазовращателя.
Таким образом, фазовращатель имеет модульную систему и работает в зависимости от исходной частоты аналогового электрического сигнала. Вход и выход у фазовращателя аналоговые, что позволяет встраивать его в любые информационно-измерительные системы в качестве вторичного преобразователя сигнала.
Рекомендации по выбору функциональных ЦАП для обеспечения высокой разрешающей способности требуемой в поставленной задаче. Определения разрешающей способности без учета интегральной и дифференциальной погрешностей функциональных ЦАП со сплайновой аппроксимацией.
Для 12-разрядного ЦАП разрешающая способность углу фазового сдвига составляет: .
Для 16-разрядного ЦАП разрешающая способность углу фазового сдвига составляет: .
Для 32-разрядного ЦАП разрешающая способность углу фазового сдвига составляет: .
Максимальная погрешность фазовращателя определяется шагом квантования ЦАП и не может превышать 1 ЕМР, что соответствует номинальному значению разрешающей способности фазовращателя.
Перед началом работы необходимо произвести калибровку фазовращателя. Калибровка фазовращателя осуществляется аппаратно и программно, что позволяет более точно настраивать фазовращатель на этапе подготовке к работе при проверке на тестовых сигналах.
Проведя анализ построения широкополосных квадратурных устройств и функциональных ЦАП для структурной схемы на фигуре для обеспечения разрешающей способности по углу фазового сдвига (УФС) менее 0,1° с абсолютной погрешностью менее 0,1° следует использовать широкополосные квадратурные устройства с коэффициентом перекрытия по частоте не более 10 выполненные по схеме фазоразностной RC-цепи, имеющей чебышевский характер приближения к 90° фазовому сдвигу, прецизионные функциональные ЦАП со сплайновой аппроксимацией с разрядностью не менее 12.