Одноканальное устройство для сравнения фаз Советский патент 1981 года по МПК G01R25/00 

(54) ОЛНОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СРАВНЕНИЯ

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь-i зовано для повышения быстродействия и точности сравнения фаз двух переменныг: напряжений без предварительного сглаживания их высших гармоник и без предварительного выравнивания амплитуд.

Известно устройство, содержащее периодический переключатель, соединенный со входными клеммами устройства, выход которого соединен с последовательно включенными cyMt.iaTOpoM, избирательным усилителем, фазочувствительным детектором,синхронным детектором и регистрирующим прибором, а также коммутационный генератор, вы ход которого подключен к управляющим входам периодического переключателя и синхронного детектора, и фазовращатель со сдвигом фаз на 90°, вход которого соединен с одним из входов устройства, а выход - с управляющим входом фазочувствительного детектора, второй и третий сумматоры, инвер тор, управляемый делитель напряжения два амплитудных детектора, причем входы второго сумматора соединены со входами устройства, выход второго сумматора подключен через инвертор

ФАЗ

ко входу управляемого делителя напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом третьего сумматора, выход управляемого делителя напряжения соединен с одним из амплитудных детекторов и с входом первого сумматора, вход второго амплитудного детектора соединен с выходом периодического переключателя, а выходы амп10литудных детекторов подключены ко входу третьего сумматора 1.

Однако, в данном устройстве не полностью подавляется неинформативная часть сигнала. Это происходит из-за неидентичности.характеристик амплитудных детекторов, образующих измерительный элемент автоматической системы подавления} кроме того, в измерительном элементе автоматичес20кой системы подавления сравниваются огибающие по амплитудным значениям, а они не равны огибающим по основной гармонике, если формы кривых с|завниваемых -напряжений неодинаковы. Следовательно, это устройство может сравнивать начальные фазы двух напряжений одинаковрй формы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является уст30ройство сравнения фаз, в которое внеден одноканапьный избирательный измерительный элемент автоматической системы подавления неинформативиой части сигнала, выполненный на втором фазочувствительном детекторе, сиг- i нсшьный вход которого соединен с выходом избирательного усилителя, а выход - с управляющим входом управляемого делителя напряжения, причем управляющий вход второго фазочувствительного детектора, как и вход инвертора, подключен к тому из сравниваемых напряжений,.к которому подключен вход фазовращателя 2,

Однако данное устройство не может Обеспечить высокую точность сравнения фаз при большом быстродействии. Известно, что для повышения быстродействия одноканального устройства периодического сравнения необходимо увеличивать частоту KOMMyTauvm. При увеличении частоты коммутации в известном устройстве появляются значительные динамические ошибки отслеживания амплитудной модуляции компенсирующего напряжения из-за неизбежной инерционности Фазочувствительного детектора, находящегося в канале системы автоматического подавления неинформативной части сигнала. Это приводит к неполному подавлению амплитудной модуляции, особенно при повышенных .частотах коммутации и при значительном отличии по амплитуде сравниваемых напряжений. Вследствие неполного подарления амплитудной модуляции не представляется возможным повышать коэффициент усиления избирательного усилителя с целью увеличения чувствительности и точности сравнения фаз, вследствие насыщения избирательного усилителя неинформативной частью сигнала.

Целью изобретения является повышение быстродействия и чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство сравнения фаз, содержащее периодический переключатель, соединенный со входными клеммами устройства, выход которого соединен с последовательно включенным сумматором, избирательным усилителем, первым Фазочувствительным детектором, синхронным детектором и регистрирующим узлом,а также коммутационны генератор,выход которого подключен к управляющим входам периодического переключателя и синхронного детектора, и фазовращатель,вход которого соединен с одним из входов устройства,который принят за опорный,а выход-с управляющим входом первого фазочувствительного детектора, и второй фазочувствительный детектор, сигнальный вход которого соедир ен с выходом избирательного усилителя, а управляющий вход --С опорным входом устройства, а также последовггтельно включенные между собой инвертор и управляемый делитель напряжения, причем вход инвертора подключен к опорному входу устройства, введен второй периодический переключатель и второй синхронный детектор, управляемые от общего коммутационного генератора, а также сглаживающий фильтр частоты коммутации, один из входов второго периодического переключателя подключен к выходу управляемого делителя напряжения, а второй - к выходу инвертора, выход второго периодического переключателя соединен со вторым входом сумматора, сигнальный вход второго синхронного детектора соединен с выходом второго фазочувствительного детектора, а к выходу второго синхронного детектора подсоединен сглаживающий фильтр, выход которого соединен со вторым входом управляемого делителя напряжения.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

На схеме изображены периодические переключатели 1 и 2, инвертор 3, сумматор 4, управляемый делитель 5 напряжения, фазовращатель 6 с фазовым сдвигом фаз на 90, коммутационный генератор 7, избирательный усилитель 8, фазочувствительные детекторы 9 и 10, синхронные детекторы 11 и 12, регистрирующий узел 13 и сглаживающий фильтр 14.

Устройство работает следующим образом.

Сравниваемые напряжения UQ и U в общем случае сдвинутые по фазе на некоторый угол (-Р , подаются на входные клеммы первого периодического переключателя 1. С его выхода паке-, ты напряжения UQ и U, следующие с частотой коммутации, воздействуют на один из входов сумматора 4. Одно из сравниваем 51х напряжений Ug , принятое за опорное, в течение одного полупериода коммутации подается, с одной стороны, через переключатель 1 на первый вход сумматора 4 и, с другой стороны, через инвертор 3 и синхронно работающий с переключателем 1 периодический переключатель 2 - на второй вход сумматора 4. Так как на входы сумматора 4 в течение этого полупериода подаются два одинаковых и противоположных по знаку напряжения Ug и - UQ, то напряжение на выходе суммматора 4 в течение этого полупериода комм: тации равно нулю.

В течение второго полупериода коммутации через переключатель 1 на первый вход сумматора 4 подается второе из сравниваемых напряжений и, а на второй вход cyNff/iaTOpa 4, через переключатель 2, подастся напряжение с выхода де.пителя напряжения 5. фаза напряжения на выходе делителя 5 определяется фазой опорного

напряжения U и не зависит от фазы второго сравниваемого напряжения U, а амплитуда этого напряжения задается делителем напряжения 5.

Делитель напряжения 5 .управляется автоматически так, чтобы во второй полупериод коммута1и1и свести к нулю напряжение на выходе сумматора 4, если сравниваемые напряжения UQ и и совпадают по фазе, таким образом, если сравниваемые напряжения Up и и совпадают по фазе (if 0), на выходе сумматора 4 напряжение равно нулю и во второй полупериод коммутации, независимо от величин сравниваемых напряжений. Если же сравниваемые напряжения не совпадают по фазе (р 0), во втором полупериоде коммутации на выходе сумматора 4 результирующее напряжение не равно нулю. Это напряжение оказывается сдвинутым относительно опорного Up на угол 90°. Амплитуда напряжения на выходе сумматора во втором полупериоде коммутации пропорциональна углу сдвига фаз f, а начальная фаза изменяется на 180 при изменении знака f.

Итак, напряжение на выходе сумматора 4 определяется только сравниваемым углом сдвига фаз Y и в идеальном случае не зависит от уровней сравниваемых напряжений UQ и U, т.е. оно несет только полезную информацию. Это напряжение подается на усилитель 8, настроенный на первую гармонику сравниваемых напряжений, в усилителе 8 подавляются высшие гармоники, которые имеют место при сравнении несинусоидальных напряжений, и происходит усиление только информативной части сигнала. Так как избирательный усилитель 8 не насыщается неинформативной частью сигнала (напряжение несущей частоты и боковых частот, вызванных амплитудной модуляцией) , то ОН может работать с очень большим коэффициентом усиления (10 и более) без опасения насыщения неинформативной частью сигнала. Поэтому уртройство сравнения фаз с высокой степенью точности регистрирует нулевой сдвиг фаз сравниваемых напряжений.

Напряжение с выхода усилителя 8 попадает на сигнальный вход детектора 9, управляющий вход которого подключен к выходу фазовращателя 6, сдвигающего фазу на фиксированный угол, равный 90. На выходе детектора 9 выделяется огибающая частоты коммутации, переменная составляющая которой пропорциональна разности фаз vf сравниваег их напряжений. Информаци о знаке угла сдвига фаз Y несет начальная фаза переменной составляющей напряжения на выходе детектора 9.

Напряжение огибающей с выхода детектор-а 9 подается на сигнальный

вход синхронного детектора 11, управляемого от генератора 7. Постоянная составляющая напряжения на выходе детектора 11 пропорциональна разности фаз сравниваем:ах напряжений, что регистрируется индикатором 13.

Для автоматического управления делителем напряжения 5 с целью подавления неинформативной части сигнала используется напряжение, снимаемое с выхода усилителя 8.

0

В первый полупериод коммутации, когда переключатели .1 и 2 подают на входы сумматора 4 противофазные напряжения Up и -Uoi Напряжение на входе усилителя 8 равно нулю. Во второй

5 полупериод коммутации при полной компенсации неинформативной части сигнала, если сдвиг фаз между сравниваемыми напряжениями U и U равен нулю, напряжение на выходе усилителя 8 так0же равно нулю. Если же cpaвнивae ьIe напряжения Uo и U не совпадают по фазе, то во втором полупериоде коммутации на выходе усилителя 8 будет напряжение, фаза которого находится в квадратуре с фазой опорного напря5жения Up . Это информативная часть сигнала,

При недокомпенсации или перекомпенсации неинформативной части сигнала на выходе усилителя 8, во втором

0 полупериоде коммутации, появляется составляющая напряжения, которая является синфазной или противофазной опорному напряжению У. Эта составляющая напряжения выпрямляется фазочув5ствительным детектором 10, управляемым от опорного напряжения UQ.

Таким образом, появление переменной составляющей частоты коммутации на выходе детектора 10 свидетельству0ет о неполной компенсации неинформативной части сигнала в сумматоре 4. Информацию о недокомпенсации или перекомпенсации неинформативной части сигнала несет начальная фаза напряжения на выходе детектора 10.

5

Затем напряжение с выхода детектора 10, изменяющееся с частотой коммутации, подается на сигнальный вход синхронного детектора 12, который производит его выпрямление. Сглажи0вающий фильтр 14 на выходе детектора 12 вьщеляет постоянную составляющую этого выпрямленного напряжения, которая подается на управляющий вход делителя напряжения 5. Коэффициент пе5редачи управляемого делителя 5 автоматически устанавливается таким, чтобы свести к нулю переменную составляющую частоты коммутации на выходе детектора 10, т.е. чтобы полнс1стью

0 ско 1пенсировать в сумматоре 4 неинформативную часть сигнала.

В предлагаемом устройстве, с целью повыиения быстродействия, можно существенно увеличить частоту коммутации, без опасения насыщения избирательно5го усилителя колебаниями боковых частот , вызванных неудовлетворительно подавленной амплитудной модуляцией. Это возможно, так как подавление амплитудной модуляции в предлагаемом устройстве, в отличие от известного, происходит без динa /шчecкиx ошибок отслеживания, в связи с введением второго периодического переключателя работающего синфазно с основным переключателем. В связи с введением дополнительных звеньев ч указанным связям автоматически подавляется амплитудная модуляция и колебания несущей частоты по основной гармонике при высоких часто .тах коммутации, поэтому избирательный усилитель используется для усиле ния только информативной части сигнала - колебаний боковых частот, вызванных фазовой модуляцией. Это позво ляет существенно повысить быстродействие, чувствительность и точность сравнения начальных фаз основных гар моник двух напряжений независимо от их формы и амплитудных соотношений. Формула изобретения Одноканальное устройство для срав нения фаз, содержащее периодический переключатель, соединенный со входными клеммами устройства, выход кото рого соединен с последовательно вклю ченными сумматором, избирательным усилителем, первым Фазочувствитель ным детектором, синхронным детектором и регистриоуюшим узлом, а также коммутационный генератор, выход которого подключен к управляющим входам периодического переключателя и | синхронного детектора, и фазовращатель, вход которого соединен с одной из входных клемм устройства, а выход - с управляющим входом первого фазочувствительного детектора, второй фазочувствительный детектор, сигнальный вход которого подсоединен к выходу избирательного усилителя, а управляющий вход - к первой входной клемме устройства и через инвертор к управляемому делителю напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и чувствительности, в него введены второй периодический переключатель и второй синхронный детектор, подключенные своими управляющими входами к коммутационному генератору, а также фильтр, при этом, один из входов второго периодического переключателя подключен к выходу управляемого делителя напряжения, а второй - к выходу инвертора, выход второго периодического переключателя соединен со вторым входом сумматора, сигнальный вход второго СИНХРОННОГО детектора соединен с выходом второго фазочувствительного детектора, а к выходу второго синхронного детектора подсоединен фильтр, выход которого соединен со вторым входом управляемого делителя напряжения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2591035/21, кл. G 01 R 25/00, 02.03.78. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2706329/21, кл. G 01,R 25/00, 02.01.79.

Uc и