УСТРОЙСТВО СДВИГА ФАЗЫ НА 90 ГРАДУСОВ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике, и может быть использована в различных радиотехнических устройствах, использующих квадратурное расщепление синусоидального сигнала, а также в счетчиках реактивной электрической энергии.
Известно устройство для сдвига фаз на 90° [Авторское свидетельство СССР №1511705 МПК G01R 25/04, G01R 25/00, опубл. 30.09.1989 г.], содержащее фазосдвигающий элемент, фазовый детектор, интегратор, управляемый делитель напряжения и сумматор, причем вход интегратора соединен с выходом фазового детектора, один из входов которого соединен с входом фазосдвигающего элемента, являющегося входом устройства, выход сумматора является выходом устройства и соединен со вторым входом фазового детектора, а входы сумматора - соответственно с выходами фазосдвигающего элемента и управляемого делителя напряжения, а управляющий вход - с выходом интегратора.
Недостатком данного устройства является невысокая его точность, обусловленная тем, что оно не обеспечивает равенства амплитуд входного и выходного напряжений в широком диапазоне частот.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство сдвига фазы на 90° [Патент на ПМ №168431 РФ, МПК G01R 25/04, опубл. 02.02.2017 г.], содержащее дифференциатор, сумматор, управляемый делитель напряжения, первый и второй амплитудные детекторы и ПИ-регулятор, а сумматор выполнен дифференциальным, причем вход устройства соединен с входом первого амплитудного детектора и входом дифференциатора, выход которого соединен с входом управляемого делителя напряжения, выход которого соединен с входом второго амплитудного детектора и является выходом устройства, а выходы первого и второго амплитудных детекторов подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам сумматора, выход которого через ПИ-регулятор соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа. Устройство в установившемся режиме обеспечивает равенства амплитуд входного и выходного напряжений в широком диапазоне частот. Однако наличие в устройстве ПИ-регулятора приводит к снижению его быстродействия в переходных режимах, а значит и потере точности. Это объясняется наличием определенного времени переходного процесса при обработке ПИ-регулятором сигнала ошибки в переходных режимах, обусловленном наличием в регуляторе интегральной составляющей коэффициента передачи.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство сдвига фазы на 90°, содержащее дифференциатор, первый и второй амплитудные детекторы, причем вход устройства соединен с входами дифференциатора и первого амплитудного детектора, дополнительно введены блок деления и аналоговый перемножитель, выход дифференциатора соединен с первым входом блока деления и входом второго амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с первым входом аналогового перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного детектора, а выход аналогового перемножителя соединен с выходом устройства.
Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение блока деления и аналогового перемножителя и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение точности устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
вх
1
2
вых
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений U, U, U и U.
Преобразователь (фиг. 1) содержит дифференциатор 1, блок деления 2, аналоговый перемножитель 3 и два пиковых детектора 4 и 5.
вх
m вх
Преобразователь работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u=Usinωt подается на входы дифференциатора 1 и амплитудного детектора 5.
2
вх
вх
На выходе дифференциатора 1 формируется напряжение u, сдвинутое по фазе относительно u на угол 90° в сторону опережения, амплитуда которого пропорциональна частоте ю входного сигнала u (фиг. 2):
m вх
где U - амплитуда входного напряжения;
1m
U - амплитуда выходного напряжения дифференциатора;
ω - круговая частота входного напряжения;
R - сопротивление резистора дифференциатора;
С - емкость конденсатора дифференциатора.
1m
2
После деления выходного напряжения дифференциатора на его амплитуду U, формируемую амплитудным детектором 4, в блоке деления 2, на его выходе формируется напряжение u=cosωt с единичной амплитудой, которое поступает на первый вход аналогового перемножителя 3.
2
m вх
вых
m вх
m вх
вых
вх
В аналоговом перемножителе 3 производится перемножение напряжения u с амплитудным значением входного напряжения U, поступающим с амплитудного детектора 5, в результате на его выходе и на выходе устройства формируется напряжение u=Ucosωt, тем самым происходит восстановление амплитуды входного напряжения U. В результате на выходе устройства формируется напряжение u, сдвинутое по фазе относительно u на угол 90°.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели исключение ПИ-регулятора приводит к повышению быстродействия устройства в переходных режимах, тем самым достигается технический результат - повышение точности устройства.
При практической реализации предлагаемого устройства дифференциатор 1 можно выполнить по известной схеме на операционном усилителе (ОУ) с времязадающей RC-цепью. Аналоговый перемножитель 3 можно выполнить на микросхеме КР525ПС3. Блок деления 2 можно выполнить на ОУ, включив перемножитель на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Амплитудные детекторы 4 и 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).