ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в измерительных устройствах, средствах автоматического контроля и управления.
8
Известно устройство для измерения частоты и амплитуды гармонического сигнала [Авторское свидетельство СССР №1023246 МПК G01R 23/00, опубл. 15.06.1983 г.], содержащее три последовательно соединенные с входом устройства блока дифференцирования, два блока умножения, два блока вычитания, два блока деления, два блока возведения в квадрат и два блока извлечения квадратного корня.
Недостатком данного устройства является большая погрешность, вызванная значительным ослаблением входного сигнала в процессе тройного дифференцирования.
8
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измеритель частоты гармонического сигнала [Авторское свидетельство СССР №1160327 МПК G01R 23/00, опубл. 07.06.1985 г.], содержащий квадратор, два последовательно соединенные блока дифференцирования, последовательно соединенные умножитель, блок вычитания, блок деления, блок извлечения квадратного корня, индикатор и усилитель с автоматической регулировкой усиления, первый вход которого соединен с входной шиной, выход соединен с его вторым входом, с первым входом умножителя и с входом первого блока дифференцирования, выход которого соединен с входом квадратора, выход второго блока дифференцирования соединен со вторым входом умножителя, выход квадратора соединен со вторым входом блока вычитания.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного измерителя является низкое быстродействие, обусловленное применением усилителя с автоматической регулировкой усиления, схема которого, как правило, содержит детектор и фильтр нижних частот в цепи его отрицательной обратной связи. При этом, постоянная времени фильтра нижних частот выбирается достаточно большой, исходя из обеспечения заданных пульсаций напряжения управления на самой нижней частоте рабочего диапазона, что предопределяет низкое быстродействие устройства во всем рабочем диапазоне частот.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия измерителя частоты.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный измеритель частоты гармонического сигнала, содержащий блок дифференцирования, блок деления, первый блок вычитания, блок извлечения квадратного корня и квадратор, выход которого соединен со вторым входом первого блока вычитания, дополнительно введены амплитудный детектор, первый и второй блоки выделения модуля, источник опорного сигнала, второй блок вычитания и фильтр нижних частот, причем вход измерителя соединен с первым входом блока деления, входом амплитудного детектора и входом первого блока выделения модуля, выход амплитудного детектора соединен со вторым входом блока деления, выход которого присоединен к входу квадратора, выход источника опорного сигнала соединен с первым входом первого блока вычитания, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с первым входом второго блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого блока выделения модуля, выход второго блока вычитания через блок дифференцирования соединен с входом второго блока выделения модуля, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом измерителя.
Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение дополнительно амплитудного детектора, двух блоков выделения модуля, источника опорного сигнала, второго блока вычитания, фильтра нижних частот и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение быстродействия измерителя частоты.
вх
1
8
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема измерителя частоты, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u-u и u.
Измеритель частоты содержит (фиг. 1) амплитудный детектор 1, блок деления 2, квадратор 3, источник опорного сигнала 4, два блока вычитания 5 и 8, блок извлечения квадратного корня 6, два блока выделения модуля 7 и 10, блок дифференцирования 9 и фильтр нижних частот 11.
вх
m вx
m вх
1
2
1
Устройство работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u=Usinωt (фиг. 2) с частотой ω подается на входы амплитудного детектора 1 и блока деления 2. После деления входного напряжение на его амплитуду U, формируемую амплитудным детектором 1, в блоке деления 2, на его выходе формируется напряжение u=sinωt с единичной амплитудой, которое поступает на вход квадратора 3. На выходе квадратора 3 формируется напряжение u, полученное после возведения в квадрат напряжения u (фиг. 2):
2
3
После вычитания полученного напряжение u, из единичного сигнала, вырабатываемого источником опорного сигнала 4, согласно известному тригонометрическому уравнению, на его выходе формируется напряжение u (фиг. 2):
3
2
2
u=1-sinωt=cosωt.
6
После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 6, на его выходе формируется напряжение u (фиг. 2):
5
При этом на выходе первого блока выделения модуля 7 формируется напряжение u (фиг. 2):
4
5
Напряжения u и u имеют форму напряжения двухполупериодного выпрямления, сдвинутые друг относительно друга на угол 90° (фиг. 2).
4
5
5
4
6
Напряжения u и u подаются соответственно на второй и первый входы блока вычитания 8, на выходе которого после операции вычитания u из u формируется переменное напряжение u, имеющее форму близкую к треугольной (фиг. 2).
6
7
В результате дифференцирования блоком дифференцирования 9 напряжения u на его выходе формируется переменное напряжение u, по форме близкое к прямоугольной (фиг. 2).
7
После выпрямления переменного напряжения u во втором блоке выделения модуля 10, на его выходе формируется постоянное напряжение ив, содержащее незначительные пульсации, которые эффективно сглаживаются фильтром нижних частот 11, имеющим небольшую постоянную времени (фиг. 2).
вых
вх
В результате на выходе фильтра нижних частот 11 и на выходе устройства формируется постоянное напряжение u, которое не содержит переменной составляющей, а его величина пропорциональна измеряемой частоте со входного синусоидального напряжения u.
10
Таким образом, коэффициент пульсаций напряжения u на выходе второго блока выделения модуля 10 предлагаемого измерителя значительно ниже, чем на выходе детектора усилителя с автоматической регулировкой усиления прототипа. Это позволило применить фильтр нижних частот 11 со значительно меньшей постоянной времени, что привело к повышению быстродействия измерителя более, чем в три раза.
При практической реализации предлагаемого измерителя амплитудный детектор 1 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). Блок деления 2 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ), включив перемножитель напряжений на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. В качестве квадратора 3 можно использовать перемножитель сигналов на микросхеме К525ПС3, объединив при этом ее информационные входы х и у. В качестве источника опорного сигнала 4 можно использовать интегральный стабилизатор напряжения с прецизионным делителем. Блоки вычитания 5,8 представляют собой обычный параллельный сумматор на операционном усилителе (ОУ). В качестве блока извлечения квадратного корня 6 можно использовать схему на ОУ, включив квадратор на микросхеме перемножителя напряжений К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Блоки выделения модуля 7, 10 можно выполнить по схеме двухполупериодного выпрямителя на ОУ (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 315, рис. 11.37). Блок дифференцирования 9 представляет собой дифференциатор, выполненный по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. Фильтр нижних частот 12 можно выполнить по схеме фильтра нижних частот первого порядка на ОУ (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 105, рис. 6.10).