Фазовращатель Советский патент 1986 года по МПК G01R25/04 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для формирования напряжения переменного тока, фаза которого сдвинута на 90° от- -носительно другого напряжения переменного тока, и может быть использовано в фазоизмерительных устройствах.

Цель изобретения - повышение точности и надежности работы фазовращателя.

На фиг, 1 изображена функциональная схема предлагаемого фазовр.ащате- ля; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов.

Фазовращатель содержит источник 1 опорного напряжения положительной полярности, источник 2 опорного напряжения отрицательной полярности, первый 3, второй 4, третий 5, чет- вертьй 6, пятый 7, шестой 8, седьмой 9 и восьмой 10 масштабные резисторы,, первый 11 и второй 12 операционные усилители, первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16 формитзователи импульса, первый 17 и второй 8 интеграторы, первый 19 и второй 20 амплитудные детекторы, первый 21 и второй 22 делители напряжения, компаратор 23, дополнительный компара- тор 24, триггер 25, шину 26 нулевого потенциала, вход 27, выход 28.

Вход устройства через резистор 4 подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя П, а через резистор 5 подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя 12, Источник 1 и 2 опорных напряжений через делите;.;:: ;а пряжений, образованные из резисторов 7 и 9 (8 и 10) подключены к вторым входам усилителей 11 и 12. Выходы усилителей 11 и 12 через последовательно подключенные интеграторы 17 и 18, амплитудные детекторы 19 и 20, делители 21 и 22 напряжения, компараторы 23 и 24 подключены к входам триггера 25, выход которого ляется выходом устройства. Входы формирователей 13 и 14 подключены к выходам усилителей 11 и 12, а выходы их соединены с вторыми выходами интеграторов 17 и 18. Вторые входы компараторов 23 и 24 соединены с выходами интеграторов 17 и 18, а выходы компараторов 23 и 24 через формирователи 15 и,16 импульсов соединены с вторыми входами амплитудных

4739

детекторов 19 и 20, при этом резисторы 3 и 6 образуют цепи отрицатель ной обратной связи ; ля ус илителей П и 12.

5 Фазовращатель работает следующтлм образом.

С входа 27 синусоидальное напряжение (фиг. 2а, здесь и ниже, если специал:ьно не оговорено, рассматриО ваются диаграммы, изобрал;енные на фиг. 2 сплошными лнкт шми) через второй 4 и третий 5 масштабные резисторы поступает на инвертирующие входы первого 1 и второго 12 операцион5 нык усилителей, которые работа1от в режиме ограничения.

На неиквертирующие входы первого 11 и второго 12 операционных усилителей поступают напряжения от ис0 точнкков 1 и 2 опорных напряжений положительной и отрицательной полярностей (фиг. 2а - сплошные прямые линии), причем величины этих напря- жений устанавливаются делителями,

3 образованными соответственно пятым масштабнььм резистором 7 и седьмым иасштабныг- резистором 9, шестым масштабным резистором 8 и восьмьм масштабным резистором 10. В результате

S ограничения на выходах первого )1 и второго 12 операционных усилителей формируются прямоугольные импульсы напряжения (фиг. 26,Ь).Эти прямоугольные напряжения поступают на Формационные входы первох о 17 и

второ:го 18 интеграторов, где интегрируются. По заднему фронту прямоугольных напряжений (фиг. 26,6) первый 13 и второй i4 формирователи- им0 пульса вырабатывают сигналы, по ко- торым происходит сброс в исходное состояние первого 17 и второго 18 интеграторов. В результате форма выходных напряжений первого 17 и

S второго 18 интеграторов имеет вид :аклообразнь:гх импульсов (фиг. 22,3).

Первый 19 и второй 20 амилитуд- ные детекторы :вьщеляют максимальное значение выходных напряжений соот50 ветственно первого 17 и второго 18 интеграторов. На выходах первого 19 и второго 20 амплитудных детекторов формируются постоянные напрял;ения (фиг. 2е,ж). С помощью

55 первог о 21 и второго 22 делителей напряжения эти постоянные напряжения устанавливаются равными половине максимального значения вы3

ходных напряжений соответственно первого 17 и второго 18 интеграторов (фиг.2г,3;).

Таким образом, на входы компара- тора 23 и дополнительного компаратора 24 поступают: на первые входы - напряжения пилообразной формы (фиг. ), а на вторые входы - постоянные напряжения, величина каждого из которых равна половине максимального (амплитудного) значения соответствующего напряжения пилообразной формы. Компаратор 23 и дополнительный компаратор 24 в моменты сравнения формируют импульсы (фиг.2и л), причем в моменты сравнения входной синусоидальньй сигнал достигает максимального значения (пик амплитуды - фиг. 2а ). Эти импульсы поочередно поступают на входы триггера 25, на выходе которого (в результате его периодического п ереключенил) формируется симметричное напряжение прямоугольной формы типа меандр (фиг. 2н). Вследствие того, что срабатывания компаратора 23 (фиг. 2и) и дополнительного компаратора 24 (фиг. 2л) происходят в моменты достижения входным синусоидаль}1ым сигналом (фиг. 2а) максимумов амплитуды (положительного и отрицатель ного), то моменты переключения триггера 25 (фиг. 2н) такз1№ соответствуют этим максимумам. Поэтому сформированное на выходе триггера 25 прямоугольное напряжение (фиг. 2н)ока- зьшается сдвинутым относительно входного синусоидального сигнала (фиг. 2а ) на угол 90 , причем величина этого сдвига равна 90 и устанавливается настройкой коэффициентов передачи первого 21 и второго 22 делителей напряжения. Как отмечалось, коэффициенты передачи устанавливаются такими, чтобы на выходах первого 21 и второго 22 делителей напряжения напряжение бьшо равно половине выходных напряжений первого 17 и второго 18 интеграторов.

Выходные импульсы компаратора 23 и дополнительного компаратора 24 поступают на входы третьего 15 и четвертого 16 формирователей импульса, назначение которых состоит в формировании импульсов некоторой фиксированной длительности(фиг.2к,м) По заднему фронту этих импульсов

происходит обнуление (разряд)

24739

первого 19 и второго 20 амплитудных детекторов (фиг. 2е,ж). Затем происходит заряд первого 19 и рого 20 амплитудных детекторов до 5 текущего амплитудного значения выходных напряжений первого 17 и второго 18 интегратрров (фиг. 2е,ж), причем обнуление (разряд) первого 1 9 и второго 20 амплитудных деtO текторов и их последующий заряд происходит за время от заданного фронта выходных импульсов третьего 15 и четвертого 16 формирователей импульса до момента обнуления пер(5 вого 17 и второго 18 интеграторов (фиг. 2е,ж).

Так как назначение фазовращателя состоит в формировании напряжения, сдвинутого на 90° относитель20 но входного синусоидального напряжения, то под точностью рыботы понимается величина приближения (или отклонения), фазы сформированного напряжения к величине 90 , выраженная

25 в градусах (абсолютная величина) или процентах (относительная величина).

Оценим точность работы Предлагаемого фазовращателя.

В предлагаемом фазовращателе при нестабильности, например,входного синусоидального сигнала, происходят следующие процессы.

Предположим, что амплитуда синусоидального сигнала на входе 27

35 увеличилась (фиг. 2а - дунктир),а величины напряжений источников 1 и 2 опорных напряжений положительной и отрицательной полярностей не изменились (фиг. 2а - прямые сплошные

линии). На выходах первого 11 и второго 12 операционных усилителей формируются более широкие (протяженные ) прямоугольные импульсы (фиг. 26,в - пунктир).На выходах

первого 17 и второго 18 интеграторов формируются пилообразные напряжения увеличенной амплитуды (фиг. 2г,Э - пунктир). На выходах первого 19 и второго 20 амплитудных детекторов

50 формируются напряжения также более высокого уровня (фиг. 2е,ж - пунктир). Эти напряжения вдвое уменьшаются по величине в первом 21 и Втором 22 делителях напряжения и по55 даются на входы компаратора 23 и дополнительного компаратора 24.

Поскольку выходные напряжения первого 21 и второго 22 делителей

30

напряжения вдвое меньше по величине выходных напряжений соответственно первого 7 ти второго 18 интеграторо (фиг. 2г,д - пунктирные пилообразны и прямые линии), то моменты срабатывания компаратора 23 и дополнительного компаратора 24 приходятся по времени на моменты максимумов амплитуд положительной и отрицательной полуволн синусоидального сигнала с входа 27 (фиг. 2о).

Оценим точность работы предлагаемого фазовращателя при нестабильности параметров первого 21 и второго 22 делителей напряжения.

Согласно вьшеуказанномз на выходе делителей 21 и 22 напряжения сформированы напряжения, величины которых вдвое меньше выходного напряжения первого 19 и второго 20 амплитудных детекторов, а коэффициент деления делителей 21 и 22 напряжения равен Определенному значению, отклонение которого приводит к дополнительному (паразитнокгу) фазовому сдвигу (отличному от 90) сформированного на выходе триггера 25 прямоугольного напряжения. Например, если делители 21 и 22 напряжения выполнены на резисторах, технологическая точность которых равна 1%, то паразитный фазовый сдвиг сформированного прямоугольного напряжения составит 8 и точност фазовращателя при этом равна, примерно, 9%. Если же делители 21 и 22 напряжения выполнены на резисторах, точность которых равна 0,1%, то паразитный фазовый сдвиг и точность фазовращателя составят соответственно 2,5 и 2%.

Таким образом, в предлагаемом фазовращателе без принятия мер стабилизации коэффициента деления первого 21 и второго 22 делителей напряжения структурно обеспечивается высокая точность работы: в 2-3 раза выше, чем у устройства-прототипа. Кроме того, предлагаемый фазовращатель характеризуется более высокой надежностью работы, так как в нем опорные напряжения выбраны всегда меньше амплитуды входного синусоидального напряжения, что обуславливает надежную (без пропусков) работу первого 11 и второго 12 операционных усилителей 11 и 12. Напомним,

что в устройстве-прототипе опорные напряжения выбираются равными или чуть меньше амплитуды входного синусоидального напряжения. Отклонения от такого выбора приводят либо к несимметричности выходного прямоугольного напряжения, либо, вообще, к пропуску - полуволны этого напряжения, т.е. к сбою в работе триггера.

Формула изобретения

Фазовращатель, содержащий первый и второй операционные усилители, между инвертирующим входом и выходом первого операционного усилителя включен первый масштабньй резистор, к

инвертирующему входу первого операционного усилителя подключен первый вывод второго масштабного резистора, второй вывод которого является входом фазовращателя и подключен к первому выводу третьего масштабного резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого мас- штабного резистора и с инвертирующим входом второго операционного усилителя, к выходу которого подключен второй вьшод четвертого масштабного резистора, выход источника опорного напряжения положительной полярности через пятый масштабный резистор соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, выход источника опорного напряжения отрицательной полярности через шестой масштабный резистор соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, компаратор, выход которого подключен к первому входу триггера, выход которого является выходом фазовращателя, первьй вывод седьмого масштабного резистора

соединен с шиной нулевого потенциала и восьмой масштабный резистор, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности и надежности работы, в него введены первый

и второй интеграторы, первый и второй амплитудные детекторы, первый и второй делители напряжения, первый, второй, третий и четвертый формирователи импульса, дополнительный компаратор, причем выход первого операционного усилителя подключен к информационному входу первого интегратора , выход которого соединен с пер

вым входом компаратора и входом первого амплитудного детектора, выход которого подключен к входу первого делителя напряжения, а выход последнего - к второму входу компаратора, неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с вторым выводом седьмого масштабного резистора, выход второго операционного усилителя подключен к информационному входу второго интегратора, выход которого соединен с первым входом дополнительного компаратора и входом второго амплитудного детектора, выход которого подключен к входу второго делителя напряжения, выход которого соединен с вторым входом дополнительного компаратора, выход которого подключен к второму входу

фиг.2

Составитель В.Шубин Редактор А.Ревин Техред Н.Бонкало Корректор Е.Сирохман

Заказ 1947/45 Тираж 728 - Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

247398

триггер-а, неинвертирующий вход второго операционного yci-шителя через восьмой масштабный резистор подключен к шине нулевого потенциала, 5 выход первого операционного усилителя через первый формирователь импульса подключен к входу сброса первого интегратора, выход второго операционного усилителя через второй 10 формирователь импульса подключен к входу сброса второго интегратора, выход компаратора через третий форг мирователь импульса подключен к входу сброса первого a mлитyднoгo де15 тектора, выход дополнительного компаратора через четвертый формирователь импульса подключен к входу сброса второго амплитудного детектора .

Изобретение относится к устройствам для формирования напряжения переменного тока, фаза которого сдвигается на 90° относительно другого напряжения переменного тока. Может быть использовано в фазо- измерительн ых устройствах. Цель изобретения - повышение точности и надежности работы фазовращателя. Устройство содержит источники 1. и 2 опорного напряжения положительной и отрицательной полярности, масштабные резисторы 3-10, операционные усилители 11 и 12, интеграторы 17 и 18j компаратор 23, триггер 25, общую шину 26, вход 27, выход 28. Для достижения поставленной цели в устройство введены амплитудные детекторы 19 и 20, делители 21 и 22 напряжения, формирователи 13-16 импульсов и дополнительный компаратор 24. 2 ил. S (Л , fcs./ ю го 4 -Ч оо :D (pt/f.f