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 №579689 МПК Н03Н 7/18, опубл. 5.11.1977 г.], содержащее входной и выходной эмиттерные повторители, блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого эмиттерного повторителя, генератор импульсов, фильтр нижних частот, включенный между выходом блока вычитания и входом второго эмиттерного повторителя, и блок выборки и запоминания, включенный между выходом первого эмиттерного повторителя и вторым входом блока вычитания, причем управляющий вход блока выборки и запоминания соединен с генератором импульсов.
Недостатком данного устройства является низкая точность в широком диапазоне частот, обусловленная наличием фильтра нижних частот с фиксированной постоянной времени.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство сдвига фазы 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.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является невысокая его точность, обусловленная тем, что оно не обеспечивает равенства амплитуд входного и выходного напряжений в широком диапазоне частот.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство сдвига фазы на 90°, содержащее управляемый делитель напряжения и сумматор, дополнительно введены дифференциатор, 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.
Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение дифференциатора, первого и второго амплитудных детекторов и ПИ-регулятора. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение точности устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На чертеже приведена функциональная схема устройства.
Устройство (см. чертеж) содержит дифференциатор 1, управляемый делитель напряжения 2, первый 3 и второй 4 амплитудные детекторы, дифференциальный сумматор 5 и ПИ-регулятор 6. Амплитудные детекторы 3, 4 формируют на выходах постоянные напряжения, равные амплитуде напряжений на их входах.
вх
mвх
1
вх
Устройство работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u=Usinωt подается на входы дифференциатора 1 и амплитудного детектора 3. На выходе дифференциатора 1 формируется напряжение u, сдвинутое по фазе относительно u на угол 90° в сторону опережения:
m вх
где U - амплитуда измеряемого входного напряжения;
ω - круговая частота входного напряжения;
R - сопротивление резистора дифференциатора;
С - емкость конденсатора дифференциатора.
1
вх
вых
вх
Из выражения (1) видно, что амплитуда выходного напряжения u дифференциатора 1 зависит от частоты ω входного напряжения u. Отсюда, для того чтобы напряжение u на входе устройства было одинаковой амплитуды с входным напряжением u, необходимо выдержать следующие соотношения параметров управляемого делителя напряжения 2 дифференциатора 1:
д
К=RCω,
д
где К - коэффициент деления управляемого делителя напряжения 2.
Тогда на выходе управляемого делителя напряжения 2 и выходе устройства будем иметь напряжение:
д
вх
Таким образом, коэффициент деления К управляемого делителя напряжения 2 компенсирует изменение коэффициента передачи дифференциатора 1 в зависимости от частоты ω входного сигнала u.
вых
вх
вх
вых
6
вх
вых
вх
Для поддержания равенства амплитуд выходного u и входного u напряжений в устройство введена система автоматического регулирования амплитуды, включающая амплитудные детекторы 3 и 4, дифференциальный сумматор 5 и ПИ-регулятор 6. Амплитудные значения напряжений u и u, сформированные амплитудными детекторами 3 и 4, сравниваются в дифференциальном сумматоре 5, и их разность поступает на вход ПИ-регулятора 6. Выходное напряжение u ПИ-регулятора 6, поступая на управляющий вход управляемого делителя напряжения 2, изменяет его коэффициент передачи таким образом, чтобы общий коэффициент передачи дифференциатора 1 и делителя 2 был равен единице во всем рабочем диапазоне частот. В результате ПИ-регулятор 6 поддерживает равенство амплитудных значений напряжений u и u вне зависимости от изменения частоты ω входного напряжения u. ПИ-регулятор 6 обеспечивает наибольшее быстродействие системы при перерегулировании не более 5%.
вх
вых
Таким образом, дифференциатор 1 обеспечивает сдвиг фазы на 90 градусов, а система автоматического регулирования на базе ПИ-регулятора 6 поддерживает равенство амплитуд входного u и выходного u напряжений в широком диапазоне частот. 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 время-задающей RC-цепью. Управляемый делитель напряжения можно выполнить на ОУ, включив перемножитель сигналов на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Амплитудные детекторы 3 и 4 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). Дифференциальный сумматор 5 представляет собой параллельный сумматор на ОУ. ПИ-регулятор 6 может быть выполнен на ОУ по известной схеме (Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1987, стр. 151, рис. 5.7, а).