УПРАВЛЯЕМЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при построении измерительных преобразователей, где необходимо управление фазой синусоидального сигнала.
Известен управляемый фазовращатель [Авторское свидетельство СССР №1402962 МПК G01R 25/00, опубл. 15.06.1988 г.], два управляемых делителя напряжения, блок сдвига фазы на 90°, сумматор, блок сравнения и инвертор, в котором сигнальный вход соединен непосредственно с первым входом блока сравнения и с сигнальным входом первого управляемого делителя напряжения, а через блок сдвига фазы на 90° - с сигнальным входом второго управляемого делителя напряжения, управляющие входы первого и второго управляемого делителя напряжения соединены соответственно с управляющим входом фазовращателя и выходом блока сравнения, а выходы - соответственно с первым и вторым входами сумматора, соединенного своим выходом непосредственно с вторым входом блока сравнения и первым выходом фазовращателя, а через инвертор - с вторым выходом фазовращателя.
Недостатком известного фазовращателя является низкое быстродействие, обусловленное инерционностью блока сравнения.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является управляемый фазовращатель [Авторское свидетельство СССР №1721536 МПК G01R 25/00, опубл. 23.03.1992 г.], содержащий два управляемых делителя напряжения, блок сдвига фазы на 90°, два квадратора, два сумматора, источник опорного напряжения и инвертор, в котором сигнальный вход соединен непосредственно с сигнальным входом первого, а через блок сдвига фазы на 90° - с сигнальным входом второго управляемого делителя напряжения, управляющий вход второго управляемого делителя напряжения соединен с управляющим входом фазовращателя, а выход - с первым входом первого сумматора, второй вход первого сумматора соединен с выходом второго управляемого делителя напряжения, а выход - непосредственно с первым, а через инвертор - с вторым выходами фазовращателя, при этом первый (прямой) вход второго сумматора соединен с выходом источника опорного напряжения, второй (инверсный) вход - с выходом первого квадратора, соединенного своим входом с управляющим входом фазовращателя, третий (инверсный) вход - с выходом второго квадратора, а выход - с четвертым (прямым) входом, с входом второго квадратора и с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного фазовращателя является большое количество операционных блоков, что снижает точность работы устройства. Кроме этого, в устройстве используется источник опорного напряжения, пропорционального квадрату амплитудного значения сигнала управления, от стабильности которого также зависит точность работы устройства. При этом при вычислении синуса угла сдвига фазы производится операция извлечения квадратного корня, что приводит к повышению в квадрат раз сигнала ошибки нестабильности источника опорного напряжения.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение устройства и повышение точности.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный управляемый фазовращатель, содержащий два управляемых делителя напряжения, блок сдвига фазы на 90°, сумматор и инвертор, сигнальный вход устройства соединен с входами первого управляемого делителя напряжения и блока сдвига фазы на 90°, выход которого соединен с входом второго управляемого делителя напряжения, выходы первого и второго управляемых делителей напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход которого соединен с первым выходом устройства и инвертором, выход которого является вторым выходом устройства, дополнительно введены арккосинусный преобразователь, формирователь синуса и блок масштабирования, причем управляющий вход устройства соединен с входом блока масштабирования, выход которого соединен с управляющим входом первого управляемого делителя напряжения и входом арккосинусного преобразователя, выход которого через формирователь синуса соединен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения.
Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение дополнительно арккосинусного преобразователя, формирователя синуса, блока масштабирования и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - упрощения устройства и повышение точности фазовращателя.
2
4
y
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема измерителя частоты, на фиг. 2 - зависимости угла сдвига фазы ϕ и напряжений u и u от напряжения управления U.
Управляемый фазовращатель содержит (фиг. 1) блок сдвига фазы на 90° 1, первый и второй управляемых делителя напряжения 2 и 3, сумматор 4, блок масштабирования 5, арккосинусный преобразователь 6, формирователь синуса 7 и инвертор 8.
вх
m вх
1
m вх
Устройство работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u=Usinωt (фиг. 2) с частотой ω подается на входы первого управляемого делителя напряжения 2 и блока сдвига фазы на 90° 1, на выходе которого формируется напряжение u=Ucosωt и подается на вход второго управляемого делителя напряжения 3.
y
v
п
2
y
2
y
Одновременно на вход блока масштабирования 5 подается напряжение управления U. При выборе величины напряжения управления U=±10 В коэффициент передачи блока масштабирования 5 выбран равным K=0,1. В результате этого на выходе блока масштабирования 5 получается напряжение u=cosϕ с единичной амплитудой, пропорциональное напряжению управления U (фиг. 2), которое подается на управляющий вход первого управляемого делителя напряжения 2. Зависимость u=f(U) линейная (фиг. 2).
2
3
3
4
4
y
После преобразования напряжения u=cosϕ в арккосинусном преобразователе 6, на его выходе формируется напряжение u пропорциональное величине угла сдвига фазы ϕ. Напряжение u поступает на вход формирователя синуса 7, на выходе которого формируется напряжение u=sinϕ с единичной амплитудой (фиг. 2) и подается на управляющий вход второго управляемого делителя напряжения 3. Зависимость u=f(U) представляет собой полуокружность с единичным радиусом (фиг. 2).
вх
m вх
1
m вх
2
4
вых1
Управляемые делители напряжения 2 и 3 производят операцию перемножения соответствующих входных сигналов u=Usinωt и u=tcosωt на полученные сигналы u=cosϕ и u=sinϕ (операцию умножения на сигналы величиной меньше единицы, т.е. фактически операцию деления). Выходные сигналы управляемых делителей напряжения 2 и 3 суммируются в сумматоре 4, на выходе которого и на первом выходе фазовращателя, согласно известному тригонометрическому выражению, формируется напряжение u:
вых1
m вх
m вх
m вх
u=(Usinωt)cosϕ+(Ucosωt)sinϕ=Usin(ωt+ϕ).
вых1
вых2
При этом на втором выходе фазовращателя, после инвертирования инвертором 8 напряжения u, формируется напряжение u:
вых2
m вх
m вх
u=Usin(ωt+180°+ϕ)=Usin[ωt-(180°-ϕ)].
y
1
2
Отсюда следует, что управляемый фазовращатель позволяет сдвигать фазу входного напряжения при изменении U в пределах от -10 В до +10 В на ϕ (на выходе 1) от 180° до 0°, и - на ϕ (на выходе 2) от 0° до -180° (фиг. 2).
y
1
2
y
В результате предлагаемый управляемый фазовращатель обеспечивает сдвиг фазы входного напряжения в пределах 180° при изменении величины напряжения управления U в пределах ±10 В. Зависимости углов сдвига фазы ϕ и ϕ от U приведены на фиг. 2.
Таким образом, введение в управляемый фазовращатель арккосинусного преобразователя, формирователя синуса и блока масштабирования и организация новых связей между элементами устройства привело к достижение технического результата - упрощения устройства и повышение точности.
При практической реализации предлагаемого управляемого фазовращателя блок сдвига фазы на 90° 1 можно выполнить по схеме (Патент РФ №127554, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, 27.04.2013). Управляемые делители напряжения 2 и 3 можно выполнить на микросхеме перемножителя напряжений К525ПС3 с коэффициентом передачи равным единицы, выполненный по схеме (Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991, стр. 75, рис. 3.12, а). Сумматор 4 представляет собой обычный двухвходовой неинвертирующий сумматор на операционном усилителе (ОУ). Блок масштабирования 5 представляет собой неинвертирующий усилитель на ОУ с коэффициентом усиления 0,1. Арккосинусный преобразователь 6 можно выполнить по одной из схем (Патент РФ №2072555, G06G 7/22. Арккосинусный преобразователь, 27.01.1997) или на ОУ, включив формирователь косинуса, выполненный по одной из схем (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 271, рис. 10.10; Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982, стр. 66, рис. 4.25), в цепь его отрицательной обратной связи. Формирователь синуса 7 может быть выполнен по схеме (Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. - М.: Радио и связь, 1982, с. 65, рис. 4.21, с. 66, рис. 4.22). Инвертор 8 представляет собой обычный инвертирующий усилитель на ОУ с единичным коэффициентом усиления.