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 деления, первый квадратор, первый блок извлечения квадратного корня, блок вычитания и блок дифференцирования, дополнительно введены амплитудный детектор, фазовращатель, второй квадратор, второй блок извлечения квадратного корня, блок выделения модуля и фильтр нижних частот, причем вход измерителя соединен с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с входом первого квадратора и входом фазовращателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, выход которого через второй блок извлечения квадратного корня соединен со вторым входом блока вычитания, а выход первого квадратора через первый блок извлечения квадратного корня соединен с первым входом блока вычитания, выход которого соединен с входом блока дифференцирования, выход которого через блок выделения модуля соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом измерителя.
Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение дополнительно амплитудного детектора, фазовращателя, второго квадратора, второго блока извлечения квадратного корня, блока выделения модуля, 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, фазовращатель 3, первый и второй квадраторы 4 и 5, первый и второй блоки извлечения квадратного корня 6 и 7, блок вычитания 8, блок дифференцирования 9, блок выделения модуля 10 и фильтр нижних частот 11.
1
Измеритель частоты работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока  (фиг. 2) с частотой ω подается на входы амплитудного детектора 1 и блока деления 2. После деления входного напряжение на его амплитуду , формируемую амплитудным детектором 1, в блоке деления 2, на его выходе формируется напряжение u=sinωt с единичной амплитудой, которое поступает на вход фазовращателя 3 и вход первого квадратора 4.
2
Фазосмещатель 3 сдвигает фазу его входного напряжения u на угол 90° в сторону опережения и на его выходе формируется напряжение (фиг. 2):
1
2
3
4
После возведения в квадрат напряжений u и u в квадраторах 4, 5, на их выходах формируются напряжения соответственно из u и u:
5
6
При этом на выходах блоков извлечения квадратного корня 6 и 7 формируются напряжения соответственно u и u, имеющие форму напряжения двухполупериодного выпрямления, сдвинутые друг относительно друга на угол 90° (фиг. 2):
5
6
Напряжения u и u имеют форму напряжения двухполупериодного выпрямления, сдвинутые друг относительно друга на угол 90° (фиг. 2).
5
6
5
6
7
Напряжения u и u подаются соответственно на первый и второй входы блока вычитания 8, на выходе которого после операции вычитания u и u формируется переменное напряжение u, имеющее форму близкую к треугольной с единичной амплитудой (фиг. 2).
7
8
В результате дифференцирования блоком дифференцирования 9 напряжения u на его выходе формируется переменное напряжение u, по форме близкое к прямоугольной (фиг. 2).
8
9
9
7
После выпрямления переменного напряжения u в блоке выделения модуля 10, на его выходе формируется постоянное напряжение u, содержащее незначительные пульсации, которые эффективно сглаживаются фильтром нижних частот 11, имеющим небольшую постоянную времени (фиг. 2). Небольшие пульсации напряжения u обусловлены незначительной нелинейностью напряжения u треугольной формы.
вых
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 ω входного синусоидального напряжения
10
Таким образом, коэффициент пульсаций напряжения u на выходе 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. Фазосмещатель на 90° 3 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №127554 РФ, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). При построении квадраторов 4 и 5 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3, объединив при этом их входы х и у. В качестве блоков извлечения квадратного корня 6 и 7 можно использовать схему на ОУ, включив квадратор на микросхеме перемножителя напряжений К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Блок вычитания 8 представляет собой обычный параллельный сумматор на ОУ. Блок дифференцирования 9 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. В качестве блока выделения модуля 10 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). 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).