Фазосдвигающее устройство Советский патент 1983 года по МПК G01R25/04 

cyfrtMarop соединен с выходом первого усилителя и с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен с выходом четвертого усилителя, а выход четвертого сумматора через последовательно соединенные четвертыйсинвертор, десятый усилитель, шестой сумматор и восьмой усилитель соединен с вторым входом седьмого сумматора, при этом второй вхбд шее-

того сумматора через последовательно соединенные девятый усилитель и третий сумматор соединен с первым входом второго сумматора и через пятый инвертор с выходом третьего усилителя, выход второго усилителя соединен с вторыми входами второго и третьего сумматоров, а выход второго сумматора через шестой усилитель соединен с вторым входом пятого сумма

i

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а точнее к устройствам, обеспечивающим создание искусственных фазовых сдвигов между напряжениями синусоидальной формы. Эти устройства широко применяются для измерения фазовых сдвигов, например, систем автоматического управления, а также для градуировки и проверки фаземетрической аппаратуры, в качестве калибраторов угла фазового сдвига.

Известно устройство для сдвига ( фаз, выполненное на основе усилительного каскада, имеющего два выхода. Один из них обеспечиеает усиление сигнала в К раз, а друг)й в (-к) раз.

Такое выполнение устройства позволяет расширить диапазон фазовых сдайгов от О до 180° и обеспечить при этом постоянство амплитуды выходного сигнала 1 }.

Однако устройство обладает рядом существенных недостатков, главными из которых являются зависимость величины фазового угла от частоты, ограниченный диапазон рабочих частот и отсутствие регистратора фазового угла,. . .

Известно также фазосдвигающее устройство, содержащее сумматор, операционный усилитель, выход которого через параллельно соединенные электрический конденсатор и первый переменный резистор соединен с его входом цепью отрицательной обратндй связи. При этом вход усилителя через второй переменный резистор соединен с входом устройства и одним из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом усилителя.

Устройство содержит также регистратор фазового сдвига, проградуированный в величинах Постоянной времени, равной произведению величины

5- электрической емкости конденсатора на величину электрического сопротивления переменного резистора в обратной связи усилителя. Регистратор фазового сдвига механически связан

0 с движками первого и второго переменных резисторов.

Данное устройство благодаря по.стоянству амплитуды сигнала на выходе усилителя и наличию регистратора

5 фазового сдвига может быть использовано для измерения фазовых сдвигов и модулей гармонических сигналов в диапазоне фазовых углов от О до 180° 2.

Q Однако данное устройство также

. имеет рад недостатков. Главным из них являются недостаточная точность (не .выше 10 ), низкая чувствительность :(не лучше 2 °J, ограниченный диапазон

J низких частот, малое быстродействие из-за резкого увеличения величин электрического конденсатора с умены шением частоты и невозможность непосредственного отсчета величины фазового угла по регистратору фаз, так как фазовый угол определяется по формуле. Целью изобретения является повышеНие быстродействия, точности, чувствительности и расширения диапазона инфранизких частот.

5 Для достижения этой цели в фазосдвигающее устройство, содержащее регистратор фазового сдвига, последовательно соединенные первый усилитель jC регулируемым коэффициентом усиления

40 v( первый сумматор, инвертор и переключатель, дополнительно введены вто рой, третий, четвертый, пятый, шестой седьмой, восьмой, девятый и десятый усилители с регул фуемыми коэффициентами усиления по закону синуса у четных номеров усилителей и по закону косинуса у нечетных номеров усилителей, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой сумматоры. блок постоянного фазового сдвига, второй, третий, четвертый и пятый инверторы, а также второй перекш):чатель, причем регистратор фазового (Сдвига выполнен в виде трех групп взаимоевяЗанмых кнопок и двух отдель ных кнопок, при этом первая группа кнопок проградуирована в десятых долях фазового угла, вторая группа кнопок - в единицах фазового угла, третья группа кнопок - в десятках фавов го угла, при этом первая отдельнвя кнопка имеет градуировку Э0°, а вторая отдельная кнопка 180°, первая группа кнопок механичес ки связана с первым, вторым, третьим и четвертым усилителями с регулируемымй коэ1ффициентами усиления, вторая rijynna кнопок механически связан соответственно с пятым, шестым, девятым и десятым усилителями, с регулируемыми коэффициентами усиления, третъя группа кнопок механически сея зана с седьмым и восьмым усилителями а первая отдельная кнопка механически связана с первым переключателем, первый подвижный контакт которого соединен с входами первого и второго усилителей, второй подвижный контакт - с входами третьего и четверто го усилителей, а первый неподвижный KOHTaifT - непосредственно с входом устройства и через первый инвертор с вторым неподвижным контактом, а третий неподвижный контакт, - с выходом 6ло1 постоянного фазового сдвиг вход которого соединен с входом устройства и через второй инвертор с четвертым н-егюдвижным контактом, при этом выход устройства соединен с подвижным контактом второго переключателя, механически связанного с второ отдельной кнопкой -регистратора фазовых сдвигов, первый неподвижный контакт второго перекяочателя соединен с выходом седьмого сумматора непосредственно, а второй неподвижный ко такт - с выходом седьмого сумматора через третий инвертор, лри этом перв вход седьмого сумматора через последовательно соединенные седьмой усили 1 2 тель, пятый сумматор, пятый усилитель и первый сумматор соединен с выходам первого усилителя и с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен с выходом четвертого усилителя, а выход четвертого сумматора через последовательно соединенные четвертый инвертор, десятый усилитель, шестой суг4мат6р и .восьмой усилитель соединен с вторым входом седьмого сумматора, при этом второй вход шестого сумматора через последовательно соединенные девятый усилитель и третий сумматор соединен с первым , входом второго суиматоЕ а и через пятый инвертор с выходом третьего усилителя, выход второго усилителя соединен с вторыми входами второго и третьего сумматоров, а выход второго сумматора через шестой усилитель соединен с вторым входом пятого сумматора. На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит первый I, второй 2, третий 3, четвертый , пятый 5, шестой 6, седьмой 7, восьмой 8Г, девятый 9 и десятый 10 УСИЦИТЙ- . ли, коэффициент усиления которых регулируется посредством переключателей (не показанных )по закону синуса у четных и по закону косинуса у нечетных номеров усилителей. При этом устройство содержит первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 1А, пятый 15, шестой 16 и седьмой 17 сумматбры, блок 18 постоянного фазового сдвига, первый 19,, второй 20, третий 21, четвертый 22.и пятый 23 инверторы, а также перекйючатели 2 и 25. . В устройстве имеется регистратор 26 фазового сдвига, который выполнен в виде трех групп 27-29 взаимосвязанных кнопок и двух отдельных кнопок 30 и 31. При этом первая группа 27 кнопок проградуирована, например, в десятых долях фазового угла, вторая группа 28 кнопок - в единицах фазового угла, третья группа 29 кнопок - в йесятках.(3)1азового угла. Первая отдельная кнопка 3О имеет градуировку 90.. а вторая отдельная кнопка 31 предназначена для измерения фазовых сдвигов, больших 180°, и имеет соответствующую этому градуировку. Первая группа. 27 кнопок механически связана с переключателем, регулирующим коэффициенты усиления Первого 1, второго 2,,тре- , тьего 3 и четвертого А усилителей.Вторая группа кнопок 28 механически свя зана с переключателем, регулирующим коэффициенты усиления пятого 5, шестого 6, девятого 9 и десятого 10 уси лителей. Третья группа 29 кнопок механически связана с переключателем, регулирующим коэффициенты усиления седьмого 7 и восьмого 8 усилителей, а первая отдельная кнопка 30 механически связана с переключателем , первый подвижный контакт 32 которого соединен с входами первого 1 и .второ го 2 усилителей, второй подвижный контакт - с входами третьего 3 и четвертого усилителей, Первый неподвижный контакт 3 переключателя 2k соединен непосредственно с входом 35 устройства и через первый инвертор 19 с вторым неподвижным контактом Зб этого пере, ключателя, а третий неподвижный кон. такт 37 соединен с выходом блока 18 постоянного фазового сдвига, вход которого соединен с входом 35 устрой ства и через второй инвертор 20 с четвертым неподвижным контактом 38 переключателя 2. Выход устройства 2 соединен с подвижным контактом 0 переключателя 25, механически связан ного с второй отдельной кнопкой 31 регистратора 26 фазовых сдвигов. Пер вый неподвижный контакт 1 переключа теля 25 соединен с выходом седьмого сумматора 17 непосредственно, а второй неподвижный контакт Ц2 соединен с выходом седьмого сумматора 17 через третий инвертор 21. Первый вход седьмого сумматора 17 через последовательно соединенные седьмой усилитель 7, пятый сумматор Т5, пятый усилитель 5 и первый сумматор 11 соединен с выходом первого усилителя 1 и с первым входом четвертого сумматора 1, второй вход которого соединен с выходом четвертого усилителя k Выход четвертого сумматора 1 через последовательно соединенные четвертый инвертор 22, десятый усилитель .10, шестой сумматор 16 и восьмой усилитель 8 соединен с вторым вх дом седьмого сумматора 17. Второй вход шестого сумматора 16 через последовательно соединенные девятый ус литель 10 и третий сумматор 13 соединен с первым входом второго сумматора 12 и через пятый инвертор 23 с выходом третьего усилителя 3. Выход второго усилителя 2 соединен с вторыми входами второго 12 и третьего 13 сумматоров, авыход второго сумматора 12.через шестой усилитель 6 соединен с вторым -входом пятого сумматора 15. Устройство работает следующим образом. Входной сигнал U А-sinujt в виде синусоидальных электрических колебаний подается на вход 35 устройства. Благодаря наличию блока 18 постоянного фазового сдвига, равного 90°, этот сигнал на выходе блока 18 преобразуется в сигнал электрических колебаний косинусоидальной формы Ол а A costot. Принцип фазового сдвига сигнала на выходе устройства основан на суммировании указанных сигналов U i А.sincut и 2 AjjCoscot с различными коэффициентами усиления, изменяю щимися в зависимости от требуемого угла фазового сдвига по-нелинейному закону. Остановимся на этом несколько подробнее. Известно, что если имеется гармонический сигнал A sinuJt и его необходимо сдвинуть по фазе на угол Чу, то сдвинутый сигнал U2 равен 2 - () (1). Сдвинутый сигнал U2 можно представить в виде суммы нескольких сигналов, каждый из которых изменяется функционально изменению либо аргумента - частоты гармонических колебаний, либо аргумента г - угла фазового сдвига, а именно ()A(5iniui out ). (2) Для того, чтобы, реализовать эту зав(симость, необходимо получить сигнал, пропорциональный coscut, умножит-ь его на синал, пропорциональный синусу заданного угла Vj; , и просуммировать его с сигналом, пропорциональным косинусу заднногоугла , умноженному на входной сигнал, пропорциональный sin IX t. Однако использование для этого блоков умножения, которые в настоящее время являются достаточно сложны ми и недостаточно точными, привело бы к уменьшению точности и усложнению устройства. Поэтому в предлагаемом устройстве блоки умножения отсутствуют, а их роль выполняют усилители, коэффициенты усиления которых изменяются либо по закону синуса, либо по закону косинуса от величины заданного угла фазового сдвига . Таким образом, 3:ависимость U2 Ц-( wi COS fcoswisin )пpeoбpaзy ется благодаря электрической схеме устрЬйства в зависимости вида U-e/L .c(sin(i;tK -co5u;tK2|, где к -является коэффициентом усиления усилителя и изменяется по закону синуса от угл Vjr { It-i - Sin Vjr )f э PC2 является коэффициентом усиления другого усилите ля и изменяется по закону косинуса от угла f2:.() Для того, чтдбы повысить точность и чувствительность устройства, полны фазовый угол 4 j-представляется, например, в виде суммы трех слагаемых 1 При этом Ч соответствует десятым долям заданного угла фазового сдвига f2 - единицам фазового сдвига, а Чз десяткам угла фазового сдвига В этом случае формула 2 , харакг теризующая изменение сигнала на выхо де устройства, имеет следующим вид (uji, + tfg-1 Л sin w-k cos ..j.(4:,.4 uit S f, cos Ч-cos V ,. 1L 123 -Sin wi ainW. sin % cos4 -3in(A)t . . 1 .-.- ; . Э ./.,(S ri4 -5tnUJtcos « «Sin 4 Sin - sit% 4 COS X005 COS U/t sin 4 COS4L t ФЗ tot СЛЗ 5in COS Wt XStn4:j54n4 5in 4, Эта зависимость реализуется предлагаемым устройством. БЛОК постс янн6 го фазового сдвига формирует сигнал, V : n J4 J4 , - сдвинутый на SO по фазе по отношению к входному сигналу, т.е. сигнал A costot Этот сигнал поступает через переключатель,2и на вход третьего 3 и четвертого i усилителей и вход второго инвертора 20. При этом коэффициенты усиления первого1 и третьего 3 усилителей из меняются по закону косинуса от угла второго 2 и четвертого усилителей - по закону синуса от угла Ч.; пятого 5 и девятого 9 усилителей - п закону косинуса от угла 2, шестого 10 2 6 и десятого 10 усилителей по закону синуса от угла седьмсм о 7 усилителя - по закону косинуса У и восьмого 8 усилителя - по закону синуса от угла Чз- Изменение коэффициентов усиления указанных усилителей производится при помощи нажатия соответствующей кнопки регистратора 26 фазового сдвига, в котором группа i кнопок 27 ссютветствует десятым долям; фазового .угла, группа кнопок 28 единицам фазового угла, группа кнопок 29 - десяткам фазового угла. Для получения фазового сдвига больше 90° включается отдельная кнопка 26 а для получения фазовы х сдвигов больших 180 - вторая отдельная.кнопка 31. Включение кнопок 2б и 31 изменяет соответствующим образом коммутацию имеющихся в схеме усилителей, сумматоров и инверторов для получения необ ходимых математических зависимостей.. Изобретение позволяет сократит время установки фазового угла, т.е. повысить быстродействие, с 300 с до Зев диапазоне частот ниже 0,01 Гц, расширить диапазон частот, особенно в области инфранизких частот, до частот порядка 0,0001 Гц и ниже, а так- же увеличить точность -установки фазового угла с 10% у известного до 0,1 у предлагаемого устройства. Объясняется это тем, что при нажатии соответствующей .к 1опки фазовый сдвиг на выходе предлагаемого устройства получается практически мгновенно и без ка|Л1х -либо перерегулирований благодаря тому, что в схеме уст ройства полностью отсутствуют sneKtрические конденсаторы, которые имеются в известном устройстве. При этом точность фазового угла определяется только коэффициентами усиления усилителей 1-10, которые при использовании высокоточных резисторов можно выполнить с большой точностью до 0,01 , например при исгт пользовании резисторов типа CS-JtB. Построение регистратора фазраого сдвига в виде нескольких групп кнопок, взаимосвязанных между собой, благодаря которым осуществляется дискретное изменение коэффициента усиления усилителей, повышает чувствительностьи точность устройства во всем диапазоне фазовых углов от .0,1 до ЗбО. .

Й-ЙООтЕНЙ

л

.,,(,,. J

n/-|jhM-rU474

/g|7giJg{40|jgigg}7gj g-).. J f fi

4

31

7Щ