Цифровой экстремальный мост переменного тока Советский патент 1989 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение при построении высокоточных экстремальных мостов переменного тока.

Цель изобретения - повышение быстродействия измерений за счет уменьшения длительности переходных процессов во входных избирательных каскадах экстремум-детектора.

На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого цифрового экстремального моста переменного тока-, на фиг.2 - векторные диаграммы напряжений на выходе мостовой измерительной цепи и на входе экстремум-детектора при положительном напряжении неравновесия по вспомогательному (нерегулируемому) параметру q.

На фиг.2 и„ 0, причем Up Re(UH)- составляющая напряжения UH, соответI

ствующая неравновесию по регулируемому параметру р; II,, Im(UH) составляющая напряжения Uh, соответствующая неравновесию по параметру q. Точка 0 соответствует равновесию мостовой измерительной цепи. Точки А, В, С и D соответствуют модуляционным приращениям -up , up , +др , -др . Цифровой экстремальный мост переменного тока содержит первый 1 и второй 2 логические элементы И, пять модуляторов 3-7 приращений параметра р соответственно -Д.р , + р , 0, -др , +Др триггер 8 реверса, одновибра- тор 9, подключенный к выходу тактового генератора 10. Прямой и инверсный выходы триггера 8 реверса соединены с одними из входов логических элементов И 1 и 2 и входами модуляторов 3 и 7. Вторые входы элементов И 1 и 2 соединены с прямым выходом одновиб(f

С

Јь J СС ОС ОС

к;

ратора 9, инверсный выход которого подключен к входу модулятора 5. Входы модуляторов 4 и 6 соединены соответственно с выходами элементов И 1 и 2. Выходы модуляторов 3-7 подключены к входам сумматора И, с одним из входов которого соединен также выход делителя 12 напряжения. Генератор 13 питания подключен к входу мостовой измерительной цепи 14, второй вход которой соединен с выходом сумматора 11, а ее выход - с входами фазовращателя 15 и ключа 16, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя 15, а выход - с входом экстремум- детектора Г/. Вход управления экстремум-детектора 17 подключен к выходу тактового генератора 10, его выход

включен потенциалом 1 с инверсного выхода одновибратора 9. В возбужденном состоянии одновибратор 9 включа- I ет один из модуляторов 4 или 6 (в зависимости от состояния триггера 8) и отключает модулятор 5. Один из модуляторов 3 и 7, управляемых триггером 8 реверса, включен постоянно. JQ Модуляционные приращения вырабатываемые модуляторами 3-7 соответственно, равны -&р ; +др -, 0; -&р +&р , причем up составляет шагов регулирования, а &р - (2k + 1) шагов.

5 Включение модуляционных приращений ,м

+UP1 модуляторами 3 и 7 всегда противоположно направлению счета реверсивного счетчика 18, устанавливаемого триггером 8 реверса. Модуляционные положительных приращений - к счетному 2Q же воздействия +Лр( , формируемые мо- входу триггера 8 реверса, а выход от- дуляторами 4 и 6 во время действия рицательных приращений - к счетному импульсов одновибратора 9, совпадают входу реверсивного счетчика 18 импульсов, выход которого подключен к входу делителя 12 напряжения. Вход квадратурного детектора 19 соединен

25

с направлением счета. Поэтому на время действия импульсов одновибратора осуществляются модуляционные воздействия в установленном направлении, составляющие (2k+1) шагов регулирования. Модулированный по амплитуде и фазе сигнал неравновесия мостовой цес выходом мостовой измерительной цепи 14, а его опорный вход - с выходом генератора 13 питания. Выход де-

включен потенциалом 1 с инверсного выхода одновибратора 9. В возбужденном состоянии одновибратор 9 включа- I ет один из модуляторов 4 или 6 (в зависимости от состояния триггера 8) и отключает модулятор 5. Один из модуляторов 3 и 7, управляемых триггером 8 реверса, включен постоянно. Q Модуляционные приращения вырабатываемые модуляторами 3-7 соответственно, равны -&р ; +др -, 0; -&р +&р , причем up составляет шагов регулирования, а &р - (2k + 1) шагов.

5 Включение модуляционных приращений ,м

+UP1 модуляторами 3 и 7 всегда противоположно направлению счета реверсивного счетчика 18, устанавливаемого триггером 8 реверса. Модуляционные Q же воздействия +Лр( , формируемые мо- дуляторами 4 и 6 во время действия импульсов одновибратора 9, совпадают

+UP1 модуляторами 3 и 7 всегда противоположно направлению счета реверсивного счетчика 18, устанавливаемого триггером 8 реверса. Модуляционные Q же воздействия +Лр( , формируемые мо- дуляторами 4 и 6 во время действия импульсов одновибратора 9, совпадают

5

с направлением счета. Поэтому на время действия импульсов одновибратора осуществляются модуляционные воздействия в установленном направлении, составляющие (2k+1) шагов регулирования. Модулированный по амплитуде и фазе сигнал неравновесия мостовой це

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для применения в мостах переменного тока. Цель изобретения - повышение быстродействия - достигается путем введения фазовращателя, квадратурного детектора, ключа и двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, совокупность функционирования которых частично или полностью устраняет влияние изменения фазы сигнала неравновесия при переходе через точку минимума и, как следствие, увеличивает быстродействие измерения комплексного сопротивленя и проводимости. 2 ил.

тектора 19 соединен с одним из входов JQ пи 14 через фазовращатель 15 и ключ

второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20, второй вход которого подключен к выходу первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, а выход - к управляющему входу ключа 16. Входы элемента 21 соединены с прямыми выходами триггера 8 реверса и одновибратора 9. Выходы триггера 8 реверса подключены также к управляющим входам счетчика 18.

Устройство работает следующим образом.

От генератора 13 питания на вход измерительной цепи 14 подается переменное напряжение или ток, благодаря чему на выходе этой цепи появляется сигнал, частота которого совпадает с частотой генератора, а амплитуда и фаза определяются состоянием модуляторов 3-7 и делителя 12 напряжения. Тактовый генератор 10 периодически возбуждает одновибратор 9, который совместно с триггером 8 управляет работой модуляторов. Если одновибратор находится в невозбужденном состоянии (сигнал логического нуля на его прямом выходе), то модуляторы 4 и 6 выключены потенциалами О с выходов элементов И 1 и 2, а модулятор 5

35

40

45

50

55

16 или непосредственно через ключ 16 поступает на экстремум-детектор 17, который определяет приращения амплитуды сигнала неравновесия. Приращения фазы этого сигнала экстремум-детектором согласно принципу его действия не анализируются, поэтому наличие фазовращателя 15 и ключа 16 не нарушает работы экстремум-детектора, а только позволяет уменьшить длитель ность переходных процессов, вызванных модуляционными воздействиями.

Если модуляционные приращения в (2k+1) шагов регулирования вызывают увеличение амплитуды сигнала неравновесия, что свидетельствует о не правильно выбранном направлении регу лирования, то экстремум-детектор 17 формирует импульс на выходе положительных приращений, который поступае на счетный вход триггера 8 реверса и меняет его состояние и направление счета реверсивного счетчика на проти воположное. Следующее модуляционное приращение, осуществляемое в противо положном направлении, вызывает умень шение амплитуды сигнала неравновесия и появление импупьса на выходе отрицательных приращений экстремум-детек

5

0

5

0

5

16 или непосредственно через ключ 16 поступает на экстремум-детектор 17, который определяет приращения амплитуды сигнала неравновесия. Приращения фазы этого сигнала экстремум-детектором согласно принципу его действия не анализируются, поэтому наличие фазовращателя 15 и ключа 16 не нарушает работы экстремум-детектора, а только позволяет уменьшить длительность переходных процессов, вызванных модуляционными воздействиями.

Если модуляционные приращения в (2k+1) шагов регулирования вызывают увеличение амплитуды сигнала неравновесия, что свидетельствует о неправильно выбранном направлении регулирования, то экстремум-детектор 17 формирует импульс на выходе положительных приращений, который поступает на счетный вход триггера 8 реверса и меняет его состояние и направление счета реверсивного счетчика на противоположное. Следующее модуляционное приращение, осуществляемое в противоположном направлении, вызывает уменьшение амплитуды сигнала неравновесия и появление импупьса на выходе отрицательных приращений экстремум-детек514

тора 17, который поступает на счетный вход реверсивного счетчика 18. Реверсивный счетчик 18 импульсов управляет делителем 12 напряжения, поэтому изменение показаний счетчика приближает измерительную цепь 14 к состоянию равновесия. Вдали от точки равновесия на крутом участке параболической зависимости амплитуды сигнала неравновесия от регулируемого параметра модуляционные воздействия в (2k+1) шагов вызывают весьма существенные амплитудные приращения. Определение знака этих приращений можно осуществлять безошибочно независимо от фазовых искажений и задолго до окончания переходных процессов в экстремум- детекторе 17. По мере приближения к состоянию равновесия амплитудные приращения уменьшаются, а фазовые возрастают.

Из векторной диаграммы (фиг.2) напряжений неравновесия при Uo. О видно, что модуляционное приращение +Др вызывает переход конца вектора сигнала неравновесия из точки А в точку В, т.е. поворот этого вектора на угол, близкий к 9G , и незначительное приращение его амплитуды. Для достоверной оценки знака этого приращения необходимо, чтобы переходные процессы в экстремум-детекторе 17 практически завершились. Если на вход экстремум-детектора 17 подается вектор разности АВ, как это имеет место в устройстве-прототипе, то длительность переходного процесса весьма существенна. В предлагаемом устройстве благодаря наличию фазовращателя 15, квадратурногр ЈЈтекторя 19, ключа 16 и элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 и 21 одновременно с модуляционным воздействием осуществляется, поворот вектора сигнала неравновесия на угол Ч 90 (переход из точки В в точку В ). С самом деле, при отсутствии модуляционного воздействия (сигнал О на прямом выходе одновибратора 9) и выбранном направлении регулирования в сторону увеличения показаний (сигнал 1 на прямом выходе триггера 8) на выходе элемента 21 присутствует сигнал 1. При этом на выходе квадратурного детектора 19 действует напряжение Ид 0 (1). Элемент 20 работает как инвертор выходного сигнала элемента 21. Сигналы 1 с выходов лервого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21

98826

и квадратурного детектора 19 поступают на входы второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ ГО и устанавливают на его выходе сигнал О, который при помощи ключа 16 замыкает выход мостовой измерительной цепи 1Д на дход экстремум-детектора 17 (вектзр ОА). При возбуждении одновибратора 9 на выходе

Q первого элемента 21 возникает сигнал О, а на выходе второго элемента 20 - сигнал 1, который посредством ключа 16 подключает к входу экстремум-детектора 12 выход фазовра5 щателя 15 (вектор , Модтаь вектора разности существенно уменьшается по сравнению с модулем АВ и соответствует одному шагу регулирования .

Q Изменение сигнала неравновесия на выходе измерительной цепи 14 при модуляционном воздействии -&р соответствует на векторной диаграмме переходу с точки С в т. D, Однако,

5 так как до модуляционного воздействия (сигналы О на прямых выходах триггера 8 и одновибратора 9) вход экстремум-детектора 17 подключен к вы- ходу фазовращателя 15 (сигналом 1

о с выхода элемента 20) и на время этого воздействия его вход подключается к выходу мостовой цепи 14, то изменение сигнала соответствует переходу из т. С (совпадает с т. А) в т. D. Модуль вектора разности С1) и в этом случае соответствует одному шагу регулирования.

При неравновесии по вспомогательному (нерегулируемому) параметру q,

.Q соответствующему отрицательному напряжению U л 0, на выходе квадратурного детектора действует сигнал низкого уровня (О), поэтому элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 работает как повторитель выходного сигнала элемента 21. Теперь при модуляционном воздействии +др вход экстремум-детектора переключается с выхода фазовращателя на выход измерительной цепи, а при модуляционном воздействии 0 i

-Д.Р - в противоположном направлении. Векторная диаграмма, представленная во втором квадранте (фиг.2) для случая U,, 0 повторяется при U- 0 в четвертом квадранте, а векторные разности также существенно уменьшаются. В предложенной схеме квадратурный детектор 19 определяет только знак сигнала неравновесия по

5

параметру q, который составляет к тому же не один, а 5-7 и более шагов регулирования. Поэтому, по сравнению с фазовыми детекторами известных мостов,, здесь требования в отношении точности и стабильности его работы могут быть существенно снижены.

Пусть приращение амплитуды сигнала неравновесия, соответствующее одному шагу регулирования, равно AU. Определим длительность t переходного процесса в избирательном каскаде экстремум-детектора из условия 10- 20% погрешности.

Имеем

uUe

откуда

0,1-0,2AU,

t4 1,6-2,3.

Сравнивая полученное значение с выражением t 3,9-5,3 Јк для прототипа, видим, что предлагаемое техническое решение позволяет примерно в 2,5 раза по сравнению с прототипом уменьшить длительность переходных процессов.

Длительностью переходных процессов определяется выбор частоты следования импульсов тактового генератора (ритм уравновешивания) и, следовательно, время измерения. Поэтому можно заключить, что быстродействие из- . мерений предлагаемого цифрового экстремального моста переменного тока, благодаря введению фазовращателя, ключа, квадратурного детектора и двух логических элементов ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ, повышается в 2,5 раза.

Формула изобретения

Цифровой экстремальный мост переменного тока, содержащий генератор питания, мостовую измерительную цепь, экстремум-детектор, выходы которого соединены со счетным входом реверсивного счетчика импульсов и входом уп

равления триггера реверса, пять модуляторов, выходы которых соединены с соответствующими пятью входами сумматора, выход сумматора соединен с первым входом мостовой измерительной цепи, второй вход которой соединен с выходом генератора питания, тактовый генератор, первый выход которого соединен с первым входом экстремум-детектора, второй - с входом одновибра- тора, инверсный выход которого соединен с входом первого модулятора, а неинверсный выход - с первыми входами первого и второго элементов И, второй вход первого элемента И соединен с входом второго модулятора и прямым выходом триггера реверса, инверсный выход которого соединен с вторым входом второго элемента И и с входом третьего модулятора, делитель напряжения, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с шестым входом сумматора, при этом выход первого элемента И соединен с входом четвертого модулятора, а выход второго элемента И соединен с входом пятого модулятора, отличающийся тем, что, с целью 0 повышения быстродействия измерений, в него введены фазовращатель, квадратурный детектор, ключ, первый и второй элементы ИСКЛЮЧАЙТЕ ИЛИ, первый и второй входы первого из которых соединены с соответствующими прямыми выходами триггера реверса и одновиб- ратора, выход - с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с управляющим входом ключа, а второй вход - с выходом квадратурного детектора, опорный вход которого соединен с выходом генератора питания, а вход - с выходом мостовой измерительной цепи, первым входом ключа и входом фазовращателя, выход фазовращателя соединен с вторым входом ключа, выход которого соединен с вторым входом экстремум-детектора.

0

5

5

0

5

фиг.1