УСТРОЙСТВО СДВИГА ФАЗЫ НА 90 ГРАДУСОВ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в различных радиотехнических устройствах, использующих квадратурное расщепление синусоидального сигнала, а также в счетчиках реактивной электрической энергии.
Известно устройство сдвига фазы на 90° [Авторское свидетельство СССР №1511705 МПК G01R 25/04, G01R 25/00, опубл. 30.09.1989 г.] содержащее фазосдвигающий элемент, фазовый детектор, интегратор, управляемый делитель напряжения и сумматор, причем вход интегратора соединен с выходом фазового детектора, один из входов которого соединен с входом фазосдвигающего элемента, являющегося входом устройства, выход сумматора является выходом устройства и соединен со вторым входом фазового детектора, а входы сумматора - соответственно с выходами с выходами фазосдвигающего элемента и управляемого делителя напряжения, а управляющий вход - с выходом интегратора.
Недостатком данного устройства является невысокая его точность, обусловленная тем, что оно не обеспечивает равенства амплитуд входного и выходного напряжений в широком диапазоне частот.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство сдвига фазы на 90° [Патент на ПМ №168431 РФ, МПК G01R 25/04, опубл. 02.02.2017 г.], содержащее дифференциатор, управляемый делитель напряжения, два амплитудных детектора, дифференциальный сумматор и ПИ-регулятор, причем вход устройства соединен с входом первого амплитудного детектора и входом дифференциатора, выход которого соединен с входом управляемого делителя напряжения, выход которого соединен с входом второго амплитудного детектора и является выходом устройства, а выходы первого и второго амплитудных детекторов подключены соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входам сумматора, выход которого через ПИ-регулятор соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Данное устройство обеспечивает равенство амплитуд входного и выходного напряжений в широком диапазоне частот. Однако применение ПИ-регулятора предопределяет наличие интегрирующего звена, постоянная времени которой выбирается исходя из обеспечения требуемого качества переходного процесса. В результате данное устройство в переходных режимах обладает низким быстродействием, определяемым временем переходного процесса.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия устройства за счет отсутствия в нем интегрирующих элементов.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство сдвига фазы на 90°, причем вход устройства соединен с входом амплитудного детектора, содержащее амплитудный детектор и делитель напряжений, дополнительно введены арксинусный преобразователь, формирователь косинуса и блок умножения, причем вход устройства соединен с первым входом делителя напряжений, выход которого соединен с входом арксинусного преобразователя, выход которого через формирователя косинуса соединен с первым входом блока умножения, выход которого является выходом устройства, а выход амплитудного детектора подключен соответственно ко вторым входам делителя напряжений и блока умножения.
Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение арксинусного преобразователя, формирователя косинуса, блока умножения и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение быстродействия устройства.
вх
1
3
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u-u и u.
Устройство (фиг. 1) содержит делитель напряжений 1, амплитудный детектор 2, арксинусный преобразователь 3, формирователь косинуса 4 и блок умножения 5.
1
1
2
3
1
3
Устройство работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока  подается на входы делителя напряжений 1 и амплитудного детектора 2. После деления входного напряжение на его амплитуду  формируемую амплитудным детектором 2, в блоке деления 1, 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  равной π/2. Это напряжение поступает на вход формирователя косинуса 4, и на его выходе формируется u=cosωt с единичной амплитудой, сдвинутое по фазе относительно напряжения u=sinωt на угол 90° В блоке умножения 5 производится перемножение напряжения u с напряжением  поступающим с амплитудного детектора 2, тем самым происходит восстановление амплитуды входного напряжения.
Таким образом, устройство обеспечивает сдвиг фазы входного синусоидального напряжения на 90° без изменения его амплитуды. Устройство не содержит интегрирующих элементов, тем самым достигается технический результат - повышение быстродействия устройства.
При практической реализации предлагаемого устройства делитель напряжений 1 можно выполнить на ОУ, включив перемножитель сигналов на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Амплитудный детектор 2 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). 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; 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. Формирователь косинуса 4 можно выполнить на микросхеме AD639 по схеме (Хоровиц П. и Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: БИНОМ, 2014, стр. 311, рис. 5.39). Блок умножения представляет собой перемножитель напряжений на микросхеме КР525ПС3.