Устройство для сравнения амплитуд двух низкочастотных гармонических напряжений Советский патент 1984 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использов.ано для измерения разности амплитуд низкочастотных гармонически напряжений. Известно устройство для сравнения амплитуд низкочастотных гармонических сигналов, содержаще последовательно соединенные коммутатор входных сигналов, усилитель«сигнала несущей частоты, детектор, избирательный усилитель огибающей частоты коммутации, синхронный вьтрямитель и измёрительньй прибор, последовательно соединенные сумматор входных напряжений и триггерный делитель частоты, выход которого подключен к управлякицим входам коммутато1 а и синхронного вьтрямителя, последовательно соединенные преобразователь частоты в постоянное напряжение, элемент памяти и дифференциальный усилитель, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход - с управляющим входом избирательного усилителя огибающей частоты коммутации, причем вход преобразователя частоты в постоянное напряжение соединен с выходом триггерного делителя частоты lj , Недостатками этого устройства яв ляются невысокая точность сравнения, обусловленная неточной настройкой электрически перестраиваемого избирательного усилителя огибающей частоты, относительно частоты коммут тации, и невысокая чувствительность, обусловленная наличием в канале огибающей частоты квадратурной составляющей комбинационной частоты, которая погрешности не вносит, но снижает чзгвствйтельность, поскольку ограничивает коэффициент усиления в канале огибающей. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является,устройство для сравнения амплитуд низко частотных гармонических сигналов, содержащее последовательно соединенные коммутатор сравниваемых сигналов, усилитель сигнала несущей частоты, первый квадратор, первый сумма .тор, усилитель сигнала огибаю1|ей . частоть1, синхронный выпрямитель и измерительный прибор, последовательно соединенные дифференциатор и вто рой квадратор, причем вход дифференциатора подключен к выходу усилите я сигнала несущей частоты, а выход второго квадратора подключен к другому входу первого сумматора, последовательно соединенные второй сумматор, квадратурный фазовращатель и делитель частоты, выход которого подключен к управляюгщм входам коммутатора и синхронного выпрямителя, а входы второго сумматора подключены к соответствующим входам коммутатора 2. Недостаток известного устройства состоит в том, ч.то высокая точность , сравнения амплитуд низкочастотных гармонических сигналов, обусловленная отсутствием аддитивлой погрешности от комбинационных составляющих, возникающих на выходе детектора, обеспечивается лишь на одной фиксированной частоте сравниваемых сигналов, при которой на выходе делителя частоты образуется частота коммутации, на которую настроен избирательный усилитель сигнала огибающей частоты. В этом устройстве изменение частоты сравниваемьк сигналов приводит к изменению частоты коммутации, относительно которой избирательный усилитель огибающей оказывается расCTjioeHHbiM. При этом сразу снижается чувствительность устройства. Снижение чувствительности обуславливает погрешность измерений. Кроме того, квадратурный фазовращатель сдвигает синхронизирующий сигнал на т также только на фиксированной частоте. При изменении частоту этот сдвиг по фазе отличается от и коммутация происходит в моменты, когда мгновенные значения сравниваемых сиг налов не равны в результате этого при дифференцировании возникают 8-импульсы, которые при большой чувствительности вносят погрешность в измерения. Цель изобретения - повышение точности и чувствительности сравнения амплитуд гармонических сигналов прозвольной частоты в диапазоне низих частот. Поставленная цель достигается ем, что в устройство для сравнения мплитуд двух низкочастотных гармоических напряжений, содержащее поседовательно соединенные коммутатор равниваемых сигналов, усилитель игнала несущей частоты, первы квадатор и первый сумматор, последова|тельно соединенные дифференциатор и второй квадраторj причем вход дифференциатора подключен к выходу .усилителя сигнала несущей частоты, а выход второго квадратора - к дру:гому входу первого сумматора, после-довательно соединенные усилитель . сигнала о -ибающей частоты, синхрон;ньй выпрямитель и измерительный прибор, второй сумматор, триггерный делитель частоты, вьгход которого -подключен к управляющим входим коммутатора сравниваемых сигналов и синхрон ного вьтрямителя, а первьм вход второго сумматора подключен к первом входу .коммутатора сравниваемых сигналов, дополнительно введены инвертор, второй и третий коммутаторы, управляемый резистор, два преобразователя переменного напряжения в постоянное, дифференциальный усилитель, резистор и конденсатор, причем вход инвертора подключен к второму входу коммутатора сравниваемых сигналов, .а выход - к второму входу второго сумматора, выход которого подключен к входу триггерного делителя частоты, резистор одним вьшодом подключен к выходу первого сумматора, а другим - к входу усилителя сигнала огибающей частоты и входу второго коммутатора, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам третьего коммутатора, между которьми включен конденсатор,.управляющие входы второго и третьего коммутаторов подключены к выходу триггерного делителя частоты, выход третьего коммутатора подключен.к.общей пшне устройства, зтравляемый резистор включен в цепь отрицательной обратной связи диффере циатора, .вход первого преобразователя переменного напряжения в постойное подключен к входу дифференциатора, вход второго преобразователя ю выходу дифференциатора, входы диф ференциального усилителя подключены к выходам преобразователей переменного напряжения в постоянноеj а вы. ход - к угф Являющему входу управляемого резистора. Hd чертеже представлена структур- ная схема устройства.. Устройство содержит последователь.но соединенные коммутатор 1 сравниваемых Сигналов, усилитель 2 сигнала несущей частоты, первый квадратор 3, первый сумматор 4, гезистор 5, усилитель 6 сигнала огибающей частоты, синхронный выпрямитель 7 и измерительный прибор 8, последовательно соединенные дифференциатор 9 и второй квадратор 10, включенные между выходом усилителя 2 сигнала несущей частоты и вторым входом первого сумматора 4, коммутатор 11, вход которого подключен к входу усилителя 6 сигнала огибающей частоты, .коммутатор 12, выход которого заземлен, конденсатор 13, включенный между входами соммутатора 12,которые подключены к соответствующим выходам коммутатора 11, последовательно соединённые второй сумматор 14, первый вход которого соединен с первым входом коммутатора 1, а второй вход через инвертор 15 соответственно с вторым входом коммутатора 1, и триггерный делитель 16 частоты, выход которого подключен к управляющим входам коммутаторов 1,11, .12 и синхронного выпрямителя 7, управляемый резистор 17, включенный в цепь отрицательной обратной связи дифференциатора 9, два преобразователя 18 и 19 переменного напряжения в постоянное, выходы которых подключены соответственно к входу и выходу дифференциатора 9, дифференциальный усилитель 20, входы которого подключены к соответствзпощим выходам преобразователей 18 и 19 переменного напряжения в постоянное, а выход - к управляющему входу управляемого резисто.ра-17. Устройство работает следующим образом. Сравниваемые сигналы поочередно и периодически с частотой коммутации подключаются коммутатором 1 к входу усилителя 2 сигнала несущей частоты, вькодное амплитудно-фазомодулированное напряжение усилителя 2 обрабатывается двз фазным детектором, состоящим из первого квадратора 3, дифференциатора 9, второго квадратора 10 и сумматора 4. На вход этого двухфазного детек- . тора поступает сигнал с усилителя 2,который описьгоается вьфажением U,4Uif .г ЧгГ. . 11 , 5 где ;К„ - коэффициент передачи усили теля 2; (J,,U2,Cp,,c()j;(X) - соответственно амплитуды, начальные фазы и частота входных сравниваемых сигналов; Я, - частота и начальная фаза напряжения, управл1п щего коммутаторами 1, 11, 12 и синхронным вып рями.телем 7. Поскольку начальная фаза Cf подбирается таким образом, что коммутация входных сравниваемых сигналов производится в моменты равенства их мгновенных значений, то. выходной сигнал усилителяUg не имеет разрьгоов, т.е при коммутации нет скачков напряжения на выходе коммутатора, а имеет место переход в точке от одной сиНусоиды к другой. , В результате этого имеется возможность с помощью дифференциатора 5 преобразовать сигнал (/g в сигнал U,, сопряженный по Гимберту с сигна лом Ug . Поэтому выходной сигнал дифферен циатора 9 можно представить так t U,Uzr. U,-U UTUTe eV .Ц«,У,.,;„(«4.,,5, где Kg- - коэффициент ; передачи дифференциатора поддерживается .равным единице при изме нении частоты сравниваемых сигналов. д Затем сигн.алы Uj и U2 возводятс .е квадрат соответственно с помощью квадраторов 3 и 10, после чего они суммируются сз мматором 4, на выходе KOToporq получаем 2(U,+U2lr U,-U2 Ч ТипГг f u.fHUru f . Шги) LHiLlk4 f.---1| HW ч ( Ч 4 xs«gr 5 n(fl-t + tp), сигнале первый член представляет собой постоянную составляю пщо, а второй - составляющую прямоугольной формы частоты коммутации, синфазную сигналу, управляющему ком мутаторами 1, 11, 12 и синхронным выпрямителем 7, Этот второй член, амплитуда которого пропорциональна разности квад{ атов амплитуд входньгк 996 сигналов ( (j - U ), выделяют с помощью резистора 5 коммутаторов 11 12 и конденсатора 13, представляющих собой фильтр для вьщеления сигнала прямоугольной формы частотой коммутации, синфазного с прямоуголь ным сигналом, управляющим работой коммутаторов 1, 11, 12. Поскольку цепь, состоящая из резистора 5, коммутаторов 11, 12, конденсатора 13 представляет собой квазилинейную цепь, то для нее спра-.. ведлив принцип суперпозиции. В связи с этим удобно анализировать ее работу при прохождении через нее сигнала со сложной спектральной структурой отдельно для различных спектральных составляющих. Так, в установившемся режиме при поступлении на вход резистора 5, наприметр, отрицательной полуволны прямоугольного напряжения частоты коммутации, управляющим напряжением коммутаторов 11 и 12 замыкаются контакты так, как это показано на чертеже. Тогда конденсатор 13 заряжается до отрицательного напряжения, равного амплитуде прямоугольного сигнала., поступившего на вход резистора 5. С-выхода конденсатора 13 это напряжение подается на вход усилителя 6. В момент изменения полярности (прихода положительной полуволны) вьщеляемого напряжения на входе резистора 5 изменяется и полярность прямоугольного напряжения, управляющего работой коммутаторов 11j 12, и замкнутые контакты коммутаторов 11 и 12 размыкаются, а разомкнутые - замыкаются. При этом отрицательно заряженная обкладка конденсатора 13 заземляется, а положительно заряженная - подключается к выходу резистора 5 о Так как амплитуда положительной полуволны прямоугольного сигнала, поступающего на вход резистора 5, равна амплитуде отрицательной полуволны, то при переключении конденсатор 13 оказывается уже заряженным до полоуительного напряжения, равного амплитуде положительной полуволны. Таким образом, входной сигнал прямоугольной формы повторяется на выходе фильтра. И этот процесс повторяется в каждый полупериод. В результате этого напряжение прямоугольной формы, поступившее на вход езистора 5 вьщеляется на входе

усилителя 6 с коэффициентом передачи, равным единице, .

Рассмотрим прохождение постоянной составляющей В о через эту же цепь. Пусть контакты Коммутаторов 11 и -12 замкнуты-так, как это показано на чертеже. Тогда обкладка конденсаfTopa- 13, подключенная к выходу усилителя Ь, .будет заряжена положительно. В момент изме.нения полярности напряжения, управляющего коммутаторами 11 и 12, происходит переключение обкладок конденсатора 13 и к выходу резистора 5 подключается ее отрицательно заряженная обкладка, а положительно заряженная - заземляется. С момента начинается перезаряд конденсатора 13., Допустив, что перезаряд конденсатора 13 происходит по линейному закону, в установившемся режиме можно определить максимальное значение напряжения на конденсаторе 13, как Е„.т

У

4

t- т RC - постоянная времени последовательно включенных резистора 5 и конденсатора 13i Т - период напряжения, управляющего работой коммутаторов 11 и 12. Коэффициент передачи постоянной составляющей равен Выбрав получим зна чительное подавление постоянной составляющей. Так, например, если Т 0,1 с, а Т 100с, то tuo 2,5. . , . При необходимости можно включить последовательно второе звено такого фильтра, развязав звенья между собой с помощью буферного каскада. Другие переменные составляющзш спектра сигнала, поступающие на вход резистора 5, подавляются также, как и обычным фильтром нижних частот. Сигнал с выхода фильтра, образо. ванного резисторами 5, коммутаторами 11, 12, конденсатором 13 усиливается усилителем 6 сигнала огибающей частоты, вьшрямляется синхронным выпрямителем 7, работающим синх

ронно с коммутатором 1, и затем измеряется измерительным прибором 8, Напряжение, управляющее коммутаторами 1, 11, 12 и синхронным выпря- мителем 7, вьфабатьшается триггер- ным делителем 16 частоты, который запускается суммой входного сигнала и (wi +СР,) и инвертирован,ного другого входного сигнала (G0i + .{f2 разностью , входных сигналов

: и,- Icot + Cf,) -Uj 5т((01 + ) ,U2C05Ct,-CfiVsin coU i.. , / II /, P4+4iiff l U,sin c|2 -j-Uae n q-j - -)

+arcltf

I, / ч- ЦИ- „ ( UjCO-5(cf,)-UjC06 у, - -

А . / . P1 + 2 и As,n|ijU-L 3.±и ,, . и,5 П-U25in

«-ofci

u,,eo,fc:: : A4u Ul-2U,U2C06(cf,-(2) отсюда получаем UrU2 ,UzC09{cf,-cf,li -«И5 4-ч1; Ч(4 Начальная фаза сигнала коммутации определяется произведени о ачально фазы разностного сигнала 1) на коэффициент передачи делителя 16 г частоты ° 7j Ь) - COOT-, ветственно частота коммутации и частота сравниваемых сигналом, т.е. .Й(4Ц|. Еспи сравниваются напряжения с близкимя амплитудами, т.е.. . u,, то tfJiil +iV- г 2 ( . Коммутация сравниваемых сигналов происходит в моменты tv , когда значение коммутиру|ощего сигнала на выходе делителя 16 частоты U|( OK (at +Cf ) проходит через нуль. Это условие записывается как . Отсюда (tf qgtirv При этом мгновенные значения входных сравниваемых сигналов в момент комму тации UtCiK)(()tt,tci),V swl- -ср,. .U.)..Ucoa U2liO ll «(utK4c,VU.i«(- ll|ii tpj). tPi-tf f - Т и COS равны. 2 2 I 2 Тогда на выходе дифференциатора 9 8-импульсы не возникают, и погрешность измерений от них отсутствует. И это условие вьшолняется в широком диапазоне частот входных сравниваемых сигналов. В известном устройстве при измен нии частоты сравниваемых сигналов изменяется амплитуда сигнала на вых де дифференциатора, что приводит к возникновению комбинационных состав ляющих на выходе двухфазного детектора и обуславливает погрешность из мерений. Чтобы не допустить этого в предложенном устройстве к входу и вькод дифференциатора подключены преобразователи 18 и 19 переменного напряже |Ния в постоянное, выходные сигналы которых поступают на разные входы дифференциального усилителя 20, вьг:ходной сигнал которого подается на управляющий вход управляемого резистора 17, включенного в цепи обратной связи дифференциатора 9. При отклонении амплитуды выходного сигнала дифференциатора 9 от той, которз о имеет сигнал на его входе, на выходе дифференциального усилителя 20 появляется пропорциональный ЭТОМУ отклонению сигнал постоянного тока, который воздействует на управляюпщй вход управляемого резистора 17, изменяя его сопроти вление так, что амплитуды входного и выходного сигна лов дифференциатора 9 выравниваются. При этом не возникают комбинацион- , ные составляющие на выходе двухфазного детектора, и погрешность от них отсутствует. Таким образом, введение в устройство инвертора, двух коммутаторовj резистора, конденсатора управляемого резистора, двухпреобразователей переменного сигнала в постояйный позволяет повысить точность и чувствительность сравнения амплитуд гармонических сигналов в низкочастотном диапазоне произвольной частоты.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СРАВНЕНИЯ АМПЛИТУД ДВУХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ГА РМОНИ ЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержащее после-: довательно соединенные коммутатор сравниваемых сигналов, усилитель сигнала несущей частоты, первый квадратор и первь1й сумматор, последовательно соединенные дифференциатор и второй квадратор, вход дифференциатора подключен к выходу усилителя сигнала несущей частоты, а выход второго квадратора - к другому входу первого сумматора, .последовательно соединенные усилитель огибающей частоты, синхронный бьшрямиг тель и измерительный прибор, второй сумматор, триггерный делитель частоты, выход которого подключен к управлякщим входам ко мутатора сравниваемых сигналов и синхронного выпрямителя, а первый вход второго сумматора подключен к первому входу коммутатора сравниваемых сигналоВ| р т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности сравнения амплитуд низ кочастотных сигналов произвольной частоты, в него введены.инвертор, второй и третий коммутаторы, управляемый резистор, два преобразователя переменного напряжения в постоянное, дифференциальный усилитель, резистор и конденсатор, причем вход инвертора подключен к второму входу коммутатора сравниваемых сигналов, а выход - к второму входу второго -Сумматора, выход которого подключен . к входу тр.иггерного делителя частоты, резистор одним выводом подклю1чен к выходу первого сумматора, а , § (Л другим - к входу усилителя сигнала , огибающей .частоты и входу, второго коммутатора, первый и второй выходы которого подключены соответственно te первому и второму входам третьего, коммутатора, между которыми включен в е :конденсатор,/управляющие входы второго и третьего коммутаторов подклю:чены к выходу триггерного делителя Iчастоты, выход третьего коммутатора :подключен к общей шине устройства, 1управляемый резистор включен в цепь отрицательной обратной связи ;дифференциатора,..вход первого преобразователя переменного напряжения в постоянное подключен к входу диф:ференциатора, вход второго преобразователя - к выходу дифференциатора, входы дифференциального усилителя подключены к выходам преобразователей переменного напряжения в пос« тоянное, а выход - к управляющему входу управляемого резистора.