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 синусоидального напряжения [Авторское свидетельство СССР №524138 МПК, G01R 23/00 опубл. 05.08.1976 г.], содержащее пороговое устройство, ключ, дифференцирующую и интегрирующую цепи, фазосдвигающую цепь, детекторы, аналого-цифровой преобразователь и индикатор.
Однако данное устройство позволяет измерять частоту только в диапазоне не более двух декад.
8
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измеритель частоты гармонического сигнала [Авторское свидетельство СССР №813289 МПК G01R 23/00, опубл. 15.03.1981 г.], содержащий усилитель с дискретной регулировкой коэффициента усиления, блок выделения модуля, пороговый блок, два дифференциатора, коммутатор, два ключа, два диода, два элемента памяти, усилитель с плавной регулировкой коэффициента усиления, блок сравнения и указатель диапазонов, при этом усилитель с дискретной регулировкой коэффициента усиления, блок выделения модуля, пороговый блок и дополнительный дифференциатор соединены последовательно, выход первого элемента памяти соединен с входом коммутатора, выход которого подключен к управляющему входу усилителя с дискретной регулировкой коэффициента усиления и к первому входу указателя диапазонов, выход дополнительного дифференциатора через диоды соединен с управляющими входами ключей, выход блока выделения модуля соединен с входом основного ключа, выход которого подключен к входу второго элемента памяти, выход основного дифференциатора соединен со входом дополнительного ключа, выход которого подключен ко входу первого элемента памяти, выход второго элемента памяти соединен со входом усилителя с плавной регулировкой коэффициента усиления, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, а второй вход блока сравнения соединен с входом первого элемента памяти, выход блока сравнения соединен с управляющим входом усилителя с плавной регулировкой коэффициента усиления и с вторым входом указателя диапазонов.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения частоты, обусловленная большим числом преобразований сигналов и большим количеством нелинейных элементов.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности измерения частоты.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный измеритель частоты гармонического сигнала, содержащий дифференциатор и блок выделения модуля, причем выход дифференциатора присоединен к входу блока выделения модуля, дополнительно введены амплитудный детектор, блок деления и арксинусный преобразователь, причем вход измерителя соединен с входами амплитудного детектора и первым входом блока деления, выход которого соединен с входом арксинусного преобразователя, выход которого соединен с входом дифференциатора, выход амплитудного детектора соединен со вторым входом блока деления, а выход блока выделения модуля является выходом измерителя.
Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение дополнительно амплитудного детектора, блока деления и арксинусного преобразователя и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения точности измерения частоты.
вх
1
3
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, арксинусный преобразователь 3, дифференциатор 4 и блок выделения модуля 5.
вх
m вх
m вх
1
1
2
2m
Устройство работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u=Usinωt (фиг. 2) с частотой со подается на входы амплитудного детектора 1 и блока деления 2. На выходе амплитудного детектора 1 формируется напряжение U, равное амплитуде входного напряжения. После деления входного напряжение на его амплитуду в блоке деления 2, на его выходе формируется напряжение u=sinωt с единичной амплитудой, которое поступает на вход арксинусного преобразователя 3. Арксинусный преобразователь 3 вычисляет угол, синус которого равен напряжению u на его входе, и формирует на выходе напряжение u треугольной формы с амплитудой U, равной π/2.
2
3
2
вых
3
Дифференциатор 4 дифференцирует напряжение u треугольной формы, в результате на его выходе получается напряжение u прямоугольной формы (меандр) с амплитудой, пропорциональной скорости изменения сигнала u на его входе. На выходе блока выделения модуля 5 и на выходе измерителя формируется напряжение u постоянного тока величиной равной амплитуде выходного сигнала дифференциатора u (фиг. 2).
2
вх
m вх
вых
1
В связи с тем, что скорость изменения напряжения u на выходе дифференциатора 4 пропорциональна частоте ω входного сигнала u, то и выходное напряжение измерителя пропорционально этой частоте ω. При этом изменение амплитуды U входного сигнала не влияет на величину выходного напряжения u, так как на входе арксинусного преобразователя 3 во всех режимах работы поддерживается напряжение u с единичной амплитудой.
Небольшие импульсные всплески в выходном напряжении в реальной схеме, обусловленные неидеальностью блоков преобразования, можно подавить фильтром нижних частот с небольшой постоянной времени, включенным на выходе измерителя, что существенно не скажется на быстродействии устройства.
При практической реализации предлагаемого устройства 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 К525ПСЗ в цепь его отрицательной обратной связи.
Арксинусный преобразователь 3 можно выполнить по одной из схем (Авт. свид. СССР, №467365, G06G 7/22, 15.04.1975; Авт. свид. СССР, №1256051, G06G 7/22, 07.09.1986.) или на ОУ, включив формирователь синуса, выполненный по одной из схем (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 270, рис. 10.9; Хоровиц П. и Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: БИНОМ, 2014, стр. 311, рис. 539; Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982, стр. 66, рис. 4.22), в цепь его отрицательной обратной связи. Дифференциатор 4 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. В качестве блока выделения модуля 5 можно использовать схему двухполупериодного выпрямителя на ОУ, выполненного по схеме (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 315, рис. 11.37).