Устройство для контроля амплитудно-фазочастотных характеристик Советский патент 1992 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано для изме- рения в широком диапазоне частот амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) активных и пассивных четырехполюсников, их разбраковки по этим характеристикам, а также при разработке контрольно-измерительных комплексов для автоматизированного контроля змпли- тудно-фазочастотных характеристик (АФЧХ) линейных операционных устройств (фильтров, усилителей и т.д.) сис- т&м автоматического управления.

Из известных устройств для контроля амплитудно-фазочастотных характеристик наиболее близким по технической сущности является устройство, реализующее способ непосредственного измерения амплитуды и фазового сдвига колебаний на входе и выходе объекта и содержащее последовательно соединенные генератор синусоидальных колебаний и исследуемый объект (объект контроля), а также индикаторы, например, вольтметры для измерения амплитудных

значений входных и выходных напряжений объекта, и фазометр, на один из входов которого подается входной синусоидальный сигнал, а на другой выходной синусоидальный сигнал объекта контроля.

Недостатками этого устройства являются ограниченный частотный диапазон вследствие отсутствия технических средств (вольтметров и фазометров) для измерения амплитуды и фазы в диапазоне инфраниз- ких частот, менее 10 Гц, относительно большие масса и объем.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона контроля ам- плитудно-фазочастотных характеристик в область инфранизких частот, менее 10 Гц, уменьшение габаритно-массовых характе- ристик.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля амплитудно-фа- зочастотных характеристик, содержащее ге- нератор синусоидальных колебаний, соединенный с клеммой для подключения входа объекта контроля, и индикатор, введены аналоговый вычитающий блок, коммутасо С

N о

;Ю

го iO 1ЧЭ

тор и компенсационный преобразователь содержащий последовательно включенные пс кольцевой схеме операционный сили- тель неинвертирующий вход которого является входом компенсационного преобразователя, диод и включенный по схеме повторителя напряжения второй операционный усилитель, выход которого является выходом компенсационного преобразователя и соединен с инвертирующим входом первого и второго операцион- ных усилителей, запоминающий конденсатор, включенные между общей тиной и общей точкой соединения неинвертирующего входа второго операционного усилителя и анода диода катод которого соединен с выходом первого операционного усилителя, параллельно конденсатору включены последовательно соединенные между собой резистор разряда и кнопка сброса, приуем в качестве индикатора включен цифровой вольтметр, выход генератора синусоидальных колебаний соединен с инвертирующим входом аналогового вычитающего блока и с первым входом коммутатора, клемма для подключения выхода объекта контроля соединена с неинвертирующим входом аналогового вычитающего блока и со вторым входом коммутатора, третий вход которого соединен с выходом аналогового вычитающего блока, а выход коммутатора соединен с входом компенсационного преобразователя, выход которого подключен к индикатору - цифровому вольтметру.

На чертеже представлена функциональная схема устройства

Устройство содержит генератор 1 син/- соидальных колебаний, соединенный с клеммой для подключения входа объема контроля, а также индикатор 2, например цифровой вольтметр, аналоговый вычитающий блок 3, коммутатор 4, компенсационный преобразователь 5. На чертеже также приведен обьект контроля 6. Компенсационный преобразователь 5 содержит последовательно включенные по кольцевой схеме операционный усилитель 7, неинвертирующий вход которого является входом компенсационного преобразователя 5, диод 8 и включенный по схеме повторителя напряжения второй операционный усилитель 9, выход которого является входом компенсационного преобразователя 5 и соединен с неинвертирующими входами первого 7 и второго 9 операционных усилителей, запоминающий конденсатор 10 включенный между общей шиной и общей точкой соединения неинвертирующего входа второго операционного усилителя 9 и анода диода 8

катод которого соединен с выходом первого операционного усилителя 7, параллельно конденсатору 10 включены последовательно соединенные между со

бой резистор 11 разряда и кнопка 12 сброса. Аналоговый вычитающий блок 3 выполнен, например, на базе разностного операционного усилителя 13 с равноми- нальными масштабными резисторами 14.

При этом выход генератора 1 синусоидальных колебаний соединен с инвертирующим входом аналогового вычитающего блока 3 и с первым входом коммутатора 4, а также с клеммой для подключения входа

объекта 6 контроля, клемма для подключения выхода которого соединена с неинвертирующим входом аналогового вычитающего блока 3 и со вторым входом коммутатора 4, третий вход которого соединен с выходом аналогового вычитающего блока 3, а выход коммутатора 4 соединен с входом компенсационного преобразователя 5, выход которого подключен к индикатору 2, например, цифровому вольтметру.

Устройство работает следующим образом.

Напряжения, снимаемые с выходов генератора 1 синусоидальных колебаний и

объекта 6 контроля, например, активного фильтра нижних частот (АФНЧ), соответственно мгновенные значения напряжений Ь вых1 UBx6 и и8ыхб вычитаются в аналоговом вычитающем блоке 3. На выходе блока

3 формируется разностный сигнал ирз(мгновенное значение синусоидально- о напряжения), пропорциональный углу сдвига фаз (например фазовому запаздыванию АФНЧ) между входным 1)Вхб и выходным Увыхб напряжениями объекта 6. Уравнениедля мгновенныхзначений напряжений имеет вид:

45

1)рЗЫ1 - UBbix6tt i - UexGuH

(1)

где Up3uJi - мгновенное значение на выходе блока 3;

- иВыхб А мгновенное значение напряжения на выходе блока 6;

UBx6(A ивых1о. - мгновенное значение напряжения на входе объекта 6 контроля (или мгновенное значение напряжения на выходе генератора 1).

Мгновенное значение выходного синусоидального сигнала на частоте генератора равно

Unm « ивУх1й, макс Sin G; It U jxfiitf/макс Sin (I) it

(2)

где амплитудное значение напряжения, В;

о) - круговая частота, 1/сек.

При этом мгновенное значение выходного напряженкя объекта 6 контроля, имеющего фазовое запаздывание (фазовый сдвиг) по отношению к выходному синусоидальному сигналу, может быть записано следующим образом:

UBbix6w; 11вых6а ;макс Sin ( () it + /)(Ji} - (3)

где ивыхб макс - амплитуда напряжения на частоте м, В;

P(J)- фазовый сдвиг на частоте од, град. Модуль комплексного коэффициента передачи на частоте а) объекта 6 контроля определяется выражением:

Кбс

Цвых6й7| макс ивхбй макс

где и8ыхб«7. макс - амплитуда выходного напряжения объекта 6 на частоте од, В;

ивхбс л макс УвыхЫг макс - амплитуда входного синусоидального сигнала объекта 6 на частоте о) i, В.

Как следует из выражения (4) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) объекта 6 может задаваться путем нормирования амплитуды выходного напряжения ивыхбагГмакс на определенных частотах при известных значениях модуля коэффициента передачи КбгЛ и амплитуды входного сигнала ивхба)| макс на соответствующих частотах.

Синусоидальная функция суммы углов может быть представлена формулой:

sin ((о it + po i ) sin (n it cos pm i + + cos (i) it sin po.) i(5)

С учетом выражений (1-5) мгновенное значение разностного сигнала на выходе блока 3 можно записать в виде:

Up3u)i ( макс

X ( sin о) it cos (р м -IЧ- cos a) it sin (f(i) i ) - sin a) it (6)

Выражение (6) определяет функциональную зависимость (пропорциональность) между разностным сигналом блока 3 и сдвигом фаз между входным и выходным напряжениями объекта контроля 6 и может использоваться для нормирования фа- з очастотной характеристики (ФЧХ) объекта 6 на текущей частоте входного синусоидального сигнала.

Для этого определяем максимум функ- ции(6) путем нахождения стационарной точки (теорема Ферма), приравняв первую производную функции нулю, т.е.

()

(7)

Тогда действительный корень уравнения (7) равен:

/ . NКб,1 cos f(i) i - 1

i о) it) макс arctg - .

Кбйь sin ра) i

(8)

15

20

Амплитудное значение разностного сигнала, используя выражения (6-8), представится в виде

Up3ct r M3KC Uex6 ьЛ мэкс Кб (Л X

гКе, cos рм it - 1 ч .

X Cos ( arctg к.. ) sm ран +

ос /Кбо), - COS - I N v.

25+ sin ( arctg ,, ,-: ) X

. )(i)

X ( Keuh- cosywi - 1 )

Q Используя машинные методы расчета, можно достаточно просто получить номограммы функции (9) при различных значениях Кбо),. ивхби. мзкс. р(о для нормирования фазочастотных характеристик (ФЧХ) объекта 6 контроля, как в лабораторных усг

5 ловиях, так и при всех видах испытаний различных линейных активных и пассивных четырехполюсников в условиях производства и эксплуатации аппаратуры.

Входное UBx6iJi, выходное ивыхби)| бло- ка 6 контроля и сформированный разностный сигнал Up3u)r поступает на вход коммутатора 4, посредством которого каждый из указанных сигналов последовательно подается на вход компенсационного преобразователя 5.

5Пусть на неинвертирующий вход компенсационного преобразователя 5 посредством коммутатора 4 подается синусоидальный сигнал UBx6o)i- Uebixiu J . Запоминающий конденсатор 10 зг я- жается до максимального (амплитудного) значения напряжения ивхба5,мзкс (отрицательной полярности). Это напряжение повторяется операционным усилителем ОУ 9, прикладывается к инвертирующему входу ОУ 7 и компенсируется входным сигналом, поступающим на неинвертирующий вход ОУ 7. Как только выходное напряжение компенсационного преобразователя 5 1)Вых5 станет равным или меньше входного напря5

жения ивых5 UBx6 ОУ 9 переходит в положительное насыщение, диод 8 запирается и конденсатор 10 сохраняет амплитудное значение измеряемого сигнала, которое инициируется цифровым вольтметром 2, т.е Uflbix5 Uex6(c)iMaKC

При нажатии кнопки 12 Сброс конденсатор 10 разряжается через резистор 11 и компенсационный преобразователь 5 подготовлен для измерения следующего сигнала, например ивыхб л, подключаемого ко входу преобразователя 5 коммутатором 4.

Процессы измерения амплитудных значений сигналов U8bix6 ол макс и ирб | макс аналогичны описанному выше.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает контроль амплитуд но-фазочас то тных характеристик (АФЧХ) объекта 6, путем формирования, преобразования, запоминания и индуцирования с высокой точностью амплитуд

Usx6 макс Usbix Тумаке, , ивыхб макс ,

ирзк, макс синусоидальных сигналов в широком- диапазоне частот, включая сколь угодно широкий диапазон инфранизких частот (f 10 Гц).

Нормирование АЧХ объекта 6 контроля осуществляется по амплитуде

ивыхбсл. макс при известном (нормированном) комплексном коэффициенте передачи измеренной (нормированной) амплитудевходногосигнала

Uex6 «Л макс - Uebixl и)1макс

Нормирование ФЧХ объекта 6 контроля выполняется по амплитуде разностного сигнала ирб г макс при известных (нормированных) фазовом запаздывании рм и амплитуде входного сигнала ивхбл макс Как видно из выражения (9) фазовое запаздывание (фазовый сдвиг) в предложенном стройстве однозначно измеряется в пределах от 0 до 180 градусов, что достаточно практически для большинства случаев нормирования ФЧХ линейных четырехполюсников систем автоматического управления.

Нормирование параметров 11выхбл мэкс и ирЗиЬмэкс просто выполняется машинным способом с учетом известных неидеал ьностей контрольно-измерительного тракта, как например, наличие постоянной составляющей сигнала на выходе генератора 1, нестабильности его частоты, ухода нуля объекта 6 контроля (типа активных фильтров нижних частот АФНЧ), вариации его параметров в различных условиях эксплуатации, погрешностей индикатора 2.

Построение аналогового вычитающего блока 3 по схеме разностного операционного усилителя (ОУ) и компенсационного преобразователя 5 на основе ОУ типа ИМС

140УД6А, применение малогабаритных прецизионных конденсаторов типа К77-1 (Сном 10 мкф с допуском ± 5%) и прецизионных резисторов типа С2-29В с допуском ±0,1% обеспечивают измерения нормируе0 мых напряжений ивхби,, ивыхбй),, ирзл)/. практически от 0 до 10 В в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц.

При этом используя в качестве индикатора 2, цифровые вольтметры типа В75 34, В7-28. обеспечиваем точность контроля АЧХ по измеряемым амплитудам иаых6«Э, макс И Увыхв /макс не хуже

±0,25%,х а точность контроля ФЧХ по нор- мирЈванию амплитуды разностного сигнала

0 ирб Лмакс не хуже 0,05° в диапазоне фазовых сдвигов от 0 до 180°.

Диапазон контролируемых частот можно расширить в область инфранизких частот менее 0,1 Гц. используя в качестве запоми5 нающей емкости конденсатор типа К77-1 с номиналом более 10 мкф ( мкФ). а для расширения области верхних частот (более 1 МГц), используя ОУ типа ИМС 544УД2. Таким образом, предложенное устрой0

ство по сравнению с прототипом отличается более широкими функциональными возможностями, меньшими массой и объемом, позволяет осуществлять контроль нормируемых как АЧХ, так и ФЧХ исследу5 емого объекта без регулировочных работ в широком диапазоне частот, включая диапазон инфранизких частот менее 10 Гц, обеспечивая высокую точность контроля АЧХ.

0

Формула изобретения Устройство для контроля амплитудно- фазочастотных характеристик, содержащее генератор, соединенный с клеммой для под5 ключения входа объекта контроля, а также индикатор, отличающееся тем, что, с целью расширения динамического диапазона контроля в области инфранизких частот, в него введены вычитающий блок, коммута0 тор и компенсационный преобразователь, содержащий последовательно включенные по кольцевой схеме операционный усилитель, неинвертирующий вход которого является входом компенсационного

5 преобразователи, диод и включенный по схеме повторителя напряжения второй операционный усилитель, выход которого является выходом компенсационного преобразователя и соединен с инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, запоминающий конденсатор, включенный между общей шиной и общей точкой соединения неинвертирующего входа второго операционного усилителя и анода диода, катод которого соединен с выходом первого операционного усилителя, параллельно конденсатору включены последовательно соединенные резистор и кнопка сброса.

0

причем выход генератора соединен с инвертирующим входом вычитающего блока и с первым входом коммутатора, клемме для подключения выхода объекта контроля соединена с неинвертирующим входом коммутатора, третий вход которого соединен с выходом вычитающего блока, а выход коммутатора соединен с входом компенсационного преобразователя, выход которого подключен к индикатору

Использование: изобретение относится к технике измерений в широком диапазоне частот амплитудно-частотных и фазочастот- ных характеристик активных и пассивных четырехполюсников, их разбраковки по этим характеристикам. Сущность изобретения: устройство содержит генератор синусоидальных колебаний, цифровой вольтметр, компенсационный преобразователь, вычитающий блок, коммутатор. 1 ил.

LI