ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике, и может быть использована для измерения переменного напряжения в широком диапазоне частот путем преобразования его в постоянное.
Известен измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №163230 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 10.07.2016 г.], содержащий фазосмещатель, первый и второй квадраторы, суммирующее устройство и блок извлечения квадратного корня, причем вход преобразователя соединен с входами первого квадратора и фазосмещателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам суммирующего устройства, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя.
Недостатком данного преобразователя является то, что наряду с высоким быстродействием и точностью его область применения ограничивается только измерением напряжения промышленной частоты, так как фазосмешатель обеспечивает фазовый сдвиг в 90° только на этой частоте. На других частотах преобразователь не выполняет своей функции, так как его выходное напряжение будет иметь значительную переменную составляющую, соизмеримую с постоянной.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №166785 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 10.12.2016 г.], содержащий управляемый фазосмещатель, первый и второй квадраторы, сумматор и блок извлечения квадратного корня, фазовый детектор, ПИ-регулятор и источник задающего сигнала, причем вход преобразователя соединен с входами первого квадратора и управляемого фазосмещателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя, вход и выход управляемого фазосмещателя соединены соответственно с первым и вторым входами фазового детектора, выход которого соединен с первым входом ПИ-регулятора, второй вход которого соединен с выходом источника задающего сигнала, а выход ПИ-регулятора присоединен к управляющему входу управляемого фазосмещателя.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного преобразователя является наличие в нем ПИ-регулятора, работа которого характеризуется временем регулирования, обусловленным наличием интегральной составляющей у ПИ-регулятора. В результате этого регулируемая величина достигает требуемого значения через некоторое время, называемое временем установления, и преобразователь обладает низким быстродействием. Кроме того, наличие переходного процесса снижает точность преобразователя в переходных режимах.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия и точности преобразователя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий управляемый фазосмещатель, вход которого подключен к входу измерительного преобразователя, источник задающего сигнала и сумматор, дополнительно введены неуправляемый фазосмещатель, компаратор, счетный триггер, усилитель-ограничитель, преобразователь частота-напряжение, перемножитель, интегратор и управляемый усилитель, причем вход измерительного преобразователя через неуправляемый фазосмещатель соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом преобразователя частота-напряжение и входом счетного триггера, выход которого соединен с управляющим входом управляемого усилителя и с первым входом сумматора, выход которого через усилитель-ограничитель соединен с первым входом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом преобразователя частота-напряжение, выход перемножителя через интегратор соединен с входом управляемого усилителя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазосмещателя, выход которого соединен с выходом измерительного преобразователя, а второй вход сумматора соединен с выходом источника задающего сигнала.
Существенными отличиями предлагаемого измерительного преобразователя являются введение неуправляемого фазосмещателя, компаратора, счетного триггера, усилителя-ограничителя, преобразователя частота-напряжение, перемножителя, интегратора, управляемого усилителя, а также организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение быстродействия и точности преобразователя.
вх
1
2
3
6
9
10
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема измерительного преобразователя, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u, u, u, u, u, u и u.
Измерительный преобразователь (фиг. 1) содержит управляемый фазосмещатель 1, неуправляемый фазосмещатель 2, компаратор 3, счетный триггер 4, сумматор 5, усилитель-ограничитель 6, преобразователь частота-напряжение 7, источник задающего сигнала 8, перемножитель 9, интегратор 10 и управляемый усилитель 11.
вх
mвх
1
mвх
вх
1
mвх
2
2
3
Измерительный преобразователь работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение u=Usinωt с частотой ω=2πƒ подается на входы управляемого фазосмещателя 1 и неуправляемого фазосмещателя 2. На выходе неуправляемого фазосмещателя 2 формируется напряжение u с неизменной амплитудой U, сдвинутое по фазе относительно u на угол 90° в сторону опережения u=Ucosωt и подается на вход компаратора 3 (фиг. 2). Компаратор 3 преобразует это напряжение в напряжение u прямоугольной формы (фиг. 2), которое подается на входы преобразователя частота-напряжение 4 и вход счетного триггера 4 (фиг. 2). Счетный триггер 4 делит частоту его входного напряжения u на два, и на его выходе формируется напряжение u прямоугольной формы с частотой ƒ/2 (фиг. 2).
3
4
3
5
6
П1
2
max
В сумматоре 5 напряжение u суммируется с отрицательным напряжением uот источника задающего сигнала 8, величина которого выбирается около половины амплитуды u. В результате на выходе сумматора 5 формируется переменное напряжение u прямоугольной формы с частотой ƒ/2 и амплитудой близкой к 2,5 В, которое поступает на вход усилителя-ограничителя 6. Усилитель-ограничитель 6 формирует на своем выходе переменное напряжение u прямоугольной формы с фиксированным значением амплитуды, равным ±10 В. Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 9, на второй вход которого поступает напряжение с выхода преобразователя частота-напряжение 7, пропорциональное частоте ƒ входного сигнала измерительного преобразователя. При этом коэффициент передачи K=U/ƒ преобразователя частота-напряжение 7 выбирается таким образом, чтобы при максимальной рабочей частоте ƒ измерительного преобразователя,
П1
max
максимальное напряжение на втором входе перемножителя 9 не превышал 10 В, т.е. K=10/ƒ.
6
7
8m
В результате перемножения напряжений u и u в перемножителе 9, на его выходе и на входе интегратора 9 формируется прямоугольное напряжение, амплитуда которого U пропорциональна текущей частоте ƒ входного сигнала измерительного преобразователя:
П1
max
где K=10/ƒ - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 7;
П2
K=0,1 - коэффициент передачи перемножителя 9;
6m
8
U=10 В - амплитуда выходного напряжения усилителя-ограничителя 6. Интегратор 10 преобразует его входное напряжение u прямоугольной формы в переменное напряжение треугольной формы, амплитуда которого определяется выражением:
где Т=1/ƒ - период входного сигнала измерительного преобразователя.
7
9
10m
Так как амплитуда входного напряжения u интегратора 10 пропорциональна частоте ƒ, то выходное напряжение u интегратора 10 треугольной формы имеет стабильную амплитуду U=5 В и не зависит от частоты ƒ входного сигнала делителя частоты.
Отсюда следует, что для выбора параметров времязадающих элементов схемы интегратора 10 R и С необходимо выдержать следующее соотношение:
9
10
3
9
9
3
Выходное напряжение u интегратора 10 треугольной формы с частотой ƒ/2 подается на вход управляемого усилителя 11, на управляющий вход которого подается напряжение из прямоугольной формы с выхода счетного триггера 4. Это напряжение приводит к переключению полярности выходного напряжения uуправляемого усилителя 11. Причем положительная полярность напряжение uприводит к изменению полярности выходного напряжения u интегратора 10 на противоположную, а отрицательная полярность - не изменяет полярность напряжения u. Коэффициент передачи управляемого усилителя 11 выбран, равным единице, поэтому в первый полупериод выходного напряжения u счетного триггера 4 он работает как инвертор, а во второй - как повторитель (фиг. 2).
10m
10
В результате на выходе управляемого усилителя 11 формируется переменное пилообразное напряжение амплитудой равной U=5 В и частотой ƒ. Это напряжение u подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 1 (фиг. 2).
7
вх
В устройстве применен управляемый фазосмещатель 1, который позволяет линейно изменять фазу ϕ входного сигнала от -180° до +180° при изменении величины управляющего напряжения от -5 В до +5 В (фиг. 2). Это пилообразное управляющее напряжение u, воздействуя на управляемый фазосмещатель 1, изменяет фазу ϕ его входного сигнала от -180° до +180° с частотой ƒ входного напряжения u (фиг. 2).
вх
5
вых
В результате, учитывая то, что входное напряжение u отстает от выходного напряжения u интегратора со сбросом 6 на угол 90°, на выходе управляемого фазосмещателя 1 и на выходе измерительного преобразователя, формируется выходное напряжение u:
вых
вых
вх
Из полученного выражения и временных диаграмм (фиг. 2) видно, что частота выходного напряжения u преобразователя равна нулю, то есть имеет место преобразование переменного напряжения в постоянное. При этом величина выходного постоянного напряжения u преобразователя равна амплитуде входного напряжения u и пропорциональна его действующему значению:
Таким образом, применение в измерительном преобразователе неуправляемого фазосмещателя 2, компаратора 3, счетного триггера 4, усилителя-ограничителя 6, преобразователя частота-напряжение 7, перемножителя 9, интегратоа 10 и управляемого усилителя 11 позволяет добиться требуемого технического результата - повышение быстродействия и точности преобразователя.
При практической реализации предлагаемого измерительного преобразователя управляемый фазосмещатель 1 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R 19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). Неуправляемый фазосмещатель 2 можно выполнить по схеме (Патент РФ №127554, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). Компаратор 3 можно выполнить на микросхеме К554СА3. В качестве счетного триггера 4 можно использовать микросхему К561ТВ1. Сумматор 5 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ. Усилитель-ограничитель 6 может быть выполнен по схеме (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 267, рис. 11.10). В качестве преобразователя частота-напряжение 7 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Источник постоянного напряжения 8 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. Перемножитель 9 можно выполнить на микросхеме КР525ПС3. Интегратор 10 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. Управляемый усилитель 11 можно выполнить по схеме управляемого усилителя (Патент на ПМ №168550 РФ, МПК G01R 25/00, опубл. 8.02.2017 г.).