ДВУХКАНАЛЬНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР АМПЛИТУДЫ

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована в измерительной технике и автоматике при построении прецизионных формирователей и генераторов квадратурных сигналов.
Известно устройство [А.с. СССР №1702514, кл. Н03В 27/00, опубл. 26.02.90, Бюл. №48], содержащее два квадратора, источник опорного напряжения, а также последовательно соединенные сумматор, блок извлечения квадратного корня, аналоговый делитель и аналоговый перемножитель, выход которого является выходом стабилизатора амплитуды, причем входы квадраторов соединены с соответствующими входами квадратурных сигналов, а их выходы - с входами сумматора, при этом источник опорного напряжения соединен с управляющим входом перемножителя, информационный вход делителя соединен с первым входом стабилизатора амплитуды.
Устройство стабилизации работает на известном принципе векторного вычисления амплитуды квадратурных сигналов и только при равенстве их амплитудных значений. Малейшие отклонения амплитуды одного из квадратурных сигналов приводят к появлению погрешности вычисления, что является существенным недостатком. В статических и, особенно, в динамических режимах при перестройке частоты квадратурных сигналов неизбежно возникают «перекосы» амплитудных значений, по этой причине данное устройство не может выполнять функции стабилизации в прецизионных устройствах формирования квадратурных сигналов.
Наиболее близким устройством к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является, принятый за прототип, преобразователь однофазного напряжения в трехфазное (А.с. СССР №1803955, кл. Н02М 5/14, опубл. 23.03.93, Бюл. №11), который содержит два управляемых фазовращателя, два сумматора, блок преобразования «частота-напряжение» и блок коррекции, причем вход устройства соединен с входами управляемых фазовращателей и входом блока преобразователя «частота-напряжение», выход которого соединен с первыми входами сумматоров, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами блока коррекции, входы которого соединены с выходами фазовращателей и входом устройства, выходы которого соединены с выходами управляемых фазовращателей, управляющие входы которых соединены с соответствующими входами сумматоров, при этом первый управляемый фазовращатель выполнен из двухвходового интегратора, перемножителя и инвертирующего сумматора, второй управляемый фазовращатель выполнен из двухвходового интегратора перемножителя и неинвертирующего сумматора, а блок коррекции содержит два двухвходовых усилителя, три пиковых детектора и два сумматора.
Устройство предназначено для преобразования однофазного напряжения в трехфазное и не может выполнять функцию стабилизации амплитуды входного сигнала.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства и обеспечение высокой точности поддержания на постоянном уровне амплитудных значений канальных выходных сигналов даже в случае значительных отклонений входных сигналов, как в статических, так и динамических режимах.
Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в расширении функциональных возможностей предлагаемого устройства путем введения дополнительного источника опорного напряжения и организации новых связей между элементами, что позволило обеспечить высокую точность стабилизации на заданном уровне амплитудных значений выходных канальных сигналов при значительных отклонениях входных сигналов, как в статических, так и динамических режимах.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в двухканальный стабилизатор амплитуды, содержащий первый и второй перемножители, первый и второй пиковые детекторы, первый и второй сумматоры, первый и второй двухвходовые усилители, причем первый вход первого перемножителя соединен с первым входом двухканального стабилизатора амплитуды, второй вход которого соединен с первым входом второго перемножителя, вторые входы первого и второго сумматоров соединены между собой, неинвертирующие входы первого и второго усилителей также соединены между собой, при этом первый и второй выходы двухканального стабилизатора амплитуды соединены, соответственно, с выходами первого и второго перемножителей, дополнительно введен источник опорного напряжения, плюсовой вывод которого соединен с общей шиной, а минусовой - с общей точкой соединения вторых входов первого и второго сумматоров, причем к выходу первого перемножителя подключен вход первого пикового детектора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, к выходу которого подключен инвертирующий вход первого усилителя, к выходу второго перемножителя подключен вход второго пикового детектора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, к выходу которого подключен инвертирующий вход второго усилителя, при этом общая точка соединения неинвертирующих входов первого и второго усилителей соединена с общей шиной, а вторые входы первого и второго перемножителей подключены к выходам, соответственно, первого и второго усилителей.
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, заявляемая полезная модель соответствует условию «новизна».
Введение в предлагаемое устройство дополнительного источника опорного напряжения и организация новых связей между элементами позволило расширить функциональные возможности устройства и обеспечить высокую точность поддержания на одном уровне амплитудных значений канальных выходных сигналов даже в случае значительных отклонений входных сигналов, как в статических, так и динамических режимах.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где: фиг.1 - блок схема двухканального стабилизатора амплитуды; фиг.2 - графики, поясняющие принцип работы двухканального стабилизатора амплитуды.
Двухканальный стабилизатор амплитуды (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 перемножители, первый 3 и второй 4 пиковые детекторы, первый 5 и второй 6 сумматоры, первый 7 и второй 8 двухвходовые усилители, а также источник опорного напряжения 9, причем первый вход первого перемножителя 1 соединен с первым входом двухканального стабилизатора амплитуды, второй вход которого соединен с первым входом второго перемножителя 2, вторые входы первого 5 и второго 6 сумматоров соединены между собой и подключены к минусовому выводу источника опорного напряжения, плюсовой вывод которого соединен с общей шиной, неинвертирующие входы первого 7 и второго 8 усилителей также соединены между собой и общей шиной, при этом первый и второй выходы двухканального стабилизатора амплитуды соединены, соответственно, с выходами первого 1 и второго 2 перемножителей, к выходу первого перемножителя 1 подключен вход первого пикового детектора 3, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 5, к выходу которого подключен инвертирующий вход первого усилителя 7, к выходу второго перемножителя 2 подключен вход второго пикового детектора 4, выход которого соединен с первым входом второго сумматора 6, к выходу которого подключен инвертирующий вход второго усилителя 8, вторые входы первого 1 и второго 2 перемножителей подключены к выходам, соответственно, первого 7 и второго 8 усилителей.
Работа предлагаемого двухканального стабилизатора амплитуды осуществляется следующим образом.
На первый вход стабилизатора (фиг.1), а, следовательно, на первый вход первого умножителя 1 подается сигнал
1
0
1
0
где А - амплитуда, а ω - круговая частота сигнала S(t), связанная с циклической частотой f известным соотношением ω=2πf.
На второй вход стабилизатора, а, следовательно, на первый вход второго умножителя 2 подается сигнал
1
2
сдвинутый по отношению к сигналу S(t) на угол φ=π/2 и с амплитудным значением А.
3
4
1
2
Выходные сигналы S(t) и S(t) связаны с входными S(t) и S(t) следующими соотношениями:
y1
y2
где E и E - управляющие напряжения перемножителей 1 и 2;
3
1
y1
4
2
y2
3
4
А=А·E и А=А·E - амплитудные значения выходных сигналов S(t) и S(t).
1
3
3
1
2
4
4
2
На выходе первого пикового детектора 3 напряжение U практически равно амплитудному значению А выходного сигнала S(t), следовательно коэффициент передачи Кпв первого пикового детектора можно принять равным единице. На выходе второго пикового детектора 4 напряжение U также равно амплитудному значению А выходного сигнала S(t), следовательно коэффициент передачи Кпв второго пикового детектора также будет равен единице. Таким образом, напряжения на выходах пиковых детекторов будут определяться с помощью следующих соотношений:
0
1
2
Сумматоры 5 и 6 - это схемы сравнения, на вторые входы которых подается отрицательное опорное напряжение U, а на первые входы - измеряемые напряжения U и U с выходов пиковых детекторов 3 и 4. При единичных коэффициентах усиления по обоим входам сумматоров 5 и 6 на их выходах получим соответствующие напряжения:
y1
y2
1
2
Усилители 7 и 8 являются инвертирующими, поэтому их выходные напряжения E и E будут находиться в противофазе с сигналами рассогласования е и e,:
y1
y2
где К и К - коэффициенты усиления усилителей 7 и 8.
При совместном решении уравнений (5), (6) и (7) получим:
Из (8) следует, что управляющие напряжения будут увеличиваться (уменьшаться) при уменьшении (увеличении) амплитудных значений сигналов.
y1
y2
Подставив найденные значения E и E в исходные уравнения (3) и (4) получим:
3
1
1
4
2
2
Отношение S(t)/S(t) будет определять эквивалентный (управляемый) коэффициент передачи M первого канала стабилизации, а отношение S(t)/S(t) будет определять эквивалентный (управляемый) коэффициент передачи M второго канала стабилизации:
10
10
0
0
y1
y1
10
30
30
При номинальном значении амплитуды A входного сигнала S(t) эквивалентный коэффициент передачи М=U·[К/(1+К·А)] будет определять номинальное значение амплитуды А выходного сигнала S(t):
y1
10
30
10
30
10
0
1
10
0
В уравнении (13) выражение в квадратных скобках будет незначительно отличаться от единицы при больших коэффициентах усиления, и это отличие будет тем меньше, чем больше коэффициент усиления К. Разность между номинальным значением амплитуды A и значением амплитуды А определяет статическую погрешность ε=А-А=A(1-M), которая может быть устранена (в номинальном режиме, при А=А) с помощью небольшого увеличения опорного напряжения U до значения
30
10
В этом случае амплитудное значение А будет в точности равно амплитудному значению A:
10
30
3
4
1min
1min
С целью упрощения дальнейших рассуждений введем в рассмотрение нормированные значения амплитуд и примем А=А=1. Принцип стабилизации амплитуды выходных сигналов S(t) и S(t) рассмотрим на примере одного канала. Стабилизация сигналов осуществляется следующим образом. Минимальному значению входного сигнала S(t), то есть минимальному значению A будет соответствовать максимальное значение эквивалентного коэффициента передачи
1max
1max
и наоборот максимальному значению входного сигнала S(t), то есть максимальному значению A будет соответствовать минимальное значение эквивалентного коэффициента передачи
1
1max
y1
2
1min
y1
3
4
Графики, поясняющие принцип стабилизации амплитудных значений сигналов, приведены на фиг.2. Увеличение амплитуды входного сигнала S(t) до значения A приводит к уменьшению управляющего напряжения E, а уменьшение амплитуды входного сигнала S(t) до значения A приводит к увеличению управляющего напряжения E. В соответствии с уравнениями (3) и (4) выходные сигналы S(t) и S(t) будут оставаться в этом случае практически постоянными:
3max
3min
Для первого канала максимальное A и минимальное A значения стабилизированного сигнала будут отличаться незначительно и определяются следующим образом:
Оценить точность стабилизации можно с помощью коэффициента:
Используя уравнения (19), (20) и (21) получим:
1
1
С помощью аналогичного коэффициента найдем относительную нестабильность амплитуды A входного сигнала S(t):
1
1
Эффективность стабилизации Δ определяется отношением коэффициентов δ и γ:
1
1
10
1
1max
1mim
10
10
10
10
y1
1
3
3
1
Если, например, амплитуда А входного сигнала S(t) изменяется по отношению к номинальному значению А на плюс (минус) 10%, то в этом случае нестабильность γ=(A-A)/A=[(1,1A-0,9А)/A]·100%=20%. При коэффициенте усиления К=70 нестабильность δ амплитуды А выходного сигнала S(t) составит δ=0,28%, а эффективность стабилизации в этом случае Δ=71,4.
Эффективность стабилизации второго канала определяется аналогичным образом.
Использование предлагаемой полезной модели позволит расширить функциональные возможности устройства и обеспечить высокую точность поддержания на одном уровне амплитудных значений канальных выходных сигналов даже в случае значительных отклонений входных сигналов, как в статических, так и динамических режимах.