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 два блока дифференцирования, умножитель, квадратор, блок вычитания, блок деления и блок извлечения квадратного корня, причем вход первого блока дифференцирования соединен со вторым входом умножителя, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом квадратора, вход которого соединен с выходом первого блока дифференцирования и входом второго блока дифференцирования, выход которого соединен с первым входом умножителя, а выход блока вычитания соединен с входом блока извлечения квадратного корня, выход которого является выходом измерителя, дополнительно введены компаратор, одновибратор и блок выборки и хранения, причем вход измерителя соединен с входом блока выборки и хранения и с первым входом блока деления, выход которого соединен с входом первого блока дифференцирования, выход которого через последовательно соединенные компаратор и одновибратор соединен с управляющим входом блока выборки и хранения, выход которого соединен со вторым входом блока деления.
Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение дополнительно компаратора, одновибратора и блока выборки и хранения и организации новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения точности измерения частоты.
вх
1
7
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) блок деления 1, два дифференциатора 2 и 3, квадратор 4, умножитель 5, блок вычитания 6, блок извлечения квадратного корня 7, компаратор 8, одновибратор 9 и блок выборки и хранения 10.
вх
mвх
8
mвх
1
Устройство работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u=U sinωt (фиг. 2) с частотой ω подается на входы блока деления 1 и блока выборки и хранения 10. После деления входного напряжение на его амплитуду u=U блоке деления 1, на его выходе формируется напряжение u=sinωt с единичной амплитудой, которое поступает на вход первого дифференциатора 2 и второй вход умножителя 5.
2
вх
На выходе первого дифференциатора 2 формируется напряжение u, амплитуда которого пропорциональна частоте ω входного сигнала u:
1m
1
где U=1 - амплитуда напряжения u;
ω - круговая частота входного напряжения;
R - сопротивление резистора дифференциатора;
С - емкость конденсатора дифференциатора.
3
вх
2
На выходе второго дифференциатора 3 формируется напряжение u, амплитуда которого пропорциональна квадрату частоты ω входного сигнала u:
4
2
На выходе квадратора 4 формируется напряжение u, равное квадрату напряжения u:
5
3
1
На выходе умножителя 5 формируется напряжение u, равное результату перемножения напряжений u и u:
5
3
1
2
2
2
2
2
2
2
u=u×u=(-RCωsinωt)×sinωt=-RCωsinωt.
5
4
6
В результате вычитания напряжения u из напряжения u в блоке вычитания 5, на его выходе имеем напряжение u:
6
4
5
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
u=u-u=RCωcosωt-(-RCωsinωt)=RCω(cosωt+sinωt)=RCω.
вых
вх
После извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 7 на его выходе и выходе измерителя формируется напряжение u постоянного тока величиной пропорциональной частоте ω входного напряжения u (фиг. 2):
вх
2
6
6
7
Стабилизация амплитуды входного напряжения u производится при помощи компаратора 8, одновибратора 9 и блока выборки и хранения 10, которые играют роль быстродействующего пикового детектора. Выходное напряжение первого дифференциатора 2 поступает на вход компаратора 8, который выделяет положительные полуволны напряжения u, и на его выходе формируются импульсы прямоугольной формы u. По фронту импульсов u одновибратор 9 формирует узкие импульсы u, поступающие на управляющий вход блока выборки и хранения 10.
7
вх
8
mвх
вх
вх
mвх
mвх
1
Так как момент времени прихода управляющих импульсов u всегда совпадает с амплитудными напряжениями u, а их длительность намного меньше периода, то постоянное напряжение u, формируемое на выходе блока выборки и хранения 10, будет практически равно амплитудному значению U напряжения u на всех частотах рабочего диапазона измерителя. В результате деления входного напряжения u=Usinωt на его амплитуду U в блоке деления 1, на его выходе формируется напряжение u=sinωt с единичной амплитудой.
вх
1
вых
При изменении частоты ω входного напряжения u (фиг. 2) амплитуда напряжения u не изменяется, в результате чего выходное напряжение u измерителя зависит только от частоты ω.
Таким образом, за счет исключения из схемы фильтра нижних частот, входящего в состав усилителя с автоматической регулировкой усиления, достигается технический результат-повышение быстродействия измерителя частоты.
При практической реализации предлагаемого устройства дифференциаторы 2, 3 можно выполнить по известной схеме на операционном усилителе (ОУ) с времязадающей RC-цепью. Квадратор 4 и умножитель 5 можно выполнить на микросхеме перемножителя напряжений К525ПС3. Блок деления 1 можно выполнить на ОУ, включив перемножитель в цепь его отрицательной обратной связи. Блок вычитания 6 представляет собой обычный дифференциальный (параллельный) сумматор на ОУ. В качестве блока извлечения квадратного корня 7 можно использовать схему на ОУ, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи. В качестве компаратора 8 можно использовать интегральный компаратор типа К554СА3. Одновибратор 9 можно выполнить на микросхеме К561АГ1. В качестве блока выборки и хранения 10 можно использовать микросхему 1100СК2.