Устройство для определения частотных характеристик динамических объектов Советский патент 1982 года по МПК G01R25/00 G01R27/28 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при создании устройств для определения параметров динамических объектов, а именно фазочастотных и амплитудно-частотных характеристик.

Известно устройство для определения частотных характеристик динамичедких объектов, содержащее генератор электрических колебаний, фазоинвертор, два сумматора, два квадратора и индикатор. Устройство измеряет мнимую и действительную частотные характеристики динамического объекта

Недостаток известного устройства заключается в том, что для -получения амплитудной и фазовой частотных характеристик необходимо полученные значения мнимой и действительной характе- ристик возвести в квадрат, сложить; из полученной суммы извлечь корень, а также вычислить обратно тригонометрические функции частного от деления указанных характеристик.

Все это уменьшает точность, уве.личивает время измерения и усложняет процесс измерения.

Наиболее близким по технической сумности к предлагаемому является устройство для определения характеристик динамических объектов, которое содержит генератор электрических колебаний, блок регулируемого фазового сдвига, усилитель с переключателем регулировки коэффициента уснле.ния и индикатор 21.

БЛОК регулируемого фазового сдвига выполнен в виде двух сельсинов. Первый сельсин приводится в движение

10 приводом с переменной скоростью, содержамим ..сервоусилитель и тахоганератор, второй сельсин механически связан с фазовой шкалой фазовращателя, а электрически - с одним из вхо15дов индикатора, выполненного в виде электронно-лучевой трубки, второй вход которого соединен с выходом динамического объекта.

Поскольку первый вход электронно20лучевой трубки является вертикальной разверткой луча, а второй вход горизонтальной разверткой, то в этом случае на экране осциллографа индицируется фигура Лиссажу с наложением

25 на нее высокочастотными колебаниями. Для определения фазового сдвига поворачивают фазовую йжалу вместе с подвижным сельсине до тех пор, пока кривая на экране осциллографа не пре30вратится в линию. При зтом со шкалы непосредственно считьтается фазовый сдвиг. Такое устройство позволяет осуществить непосредственно измерение фазового сдэига без производства до полнительных расчетов, однако оно х рактеризуется недостаточной точност не выше 5%) и ограниченным частотным диапазоном (порядка 0,1-10 гц) ввиду использования сельсинов в качестве задатчика фазового сдвига, требующих точной механической юстировки и фильтрации модуляционного сигнала при измерении, а также увеличенным временем измерения из-за наличия модуляции сигнала на входе индикатора и невозможностью измерения модуляции отношения амплитуд на входе и выходе динамического объекта Кроме того, это устройство имеет сложную конструкцию. Цель изобретения - увеличение точ ности, сокращение времени измерения и упрощение конструкции. Указанная цель достигается тем, что в устройстве для определения чястотных каоакте1оистик динамических объектов, содержащем генератор элект рических колебаний, блок регулируемо го фазового сдвига, усилитель с пере ключателем регулировки коэффициента усиления и индикатор, один из входов которого подключен к выходу генерато ра электрических колебаний через пос ледовательно подключенные указанный усилитель и клеммы для подключений исследуемого динамического объекта, а другой - через блок регулируемого фазового сдвига, блок регулируемого фазового сдвига выполнен в виде последовательно подключенных задатчика величин -фазового сдвига, сумматора, первого.нелинейного элемента, первог синусного преобразователя и первого фильтра, а между входной клемг/юй исследуемого динамического объекта и генератором электрических колебаний включена цепь коррекции, состС)5Пцая из последовательно подключенных.второго нелинейного элемента, второго синусного преобразователя и второго фильтра, На фиг, 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие ра-боту устройства. Устройство состоит из генератора 1 электрических колебаний, вырабатывающего электрический сигнал в вид двуполярного пилообразного напряжения постоянной амплитуды с регулируемой частотой, сумматора 2, первый . вход которого подключен к генерато ру 1, задатчика 3 электрических сигналов сдвига фаз, подключенного к второму входу сумматора 2. Устройств содержит также первый нелинейный эле мент 4, реализующий пилообразную фун кциональную зависимость. Выход первого нелинейного элемента 4 подключен ко входу двуполярного синусного преобразователя 5, выход которого через первый фильтр б с аттенюатором амплитуды подключен к горизонтальным, (вертикальным) пластинам индикатора 7 f выполненного в виде электронно-лучевой трубки. Выход генератора 1 одновременно подключен ко входу второго нелинейного элемента 8, реализующего пилообразную функциональную зависимость, выход которого подключен ко входу второго синусного преобразователя 9, Причем выход второго синусного преобразователя через второй фильтр 10 подключен ко входу исследуемого динамического объекта 11, Выход динами ческого объекта 11 подключен к входу усилителя 12, коэффициент усиления которого регулируется задатчиком 13. Выход усилителя 12 подключен к вертикальным горизонтальным) пластинам индикатора 7 Задатчик 3 электрических сигналов фазового сдвига, сумматор 2, первый нелинейный элемент 4, первый синусный преобразователь 5 и первый фильтр б образуют блок регулируемого фазового сдвига 14. Устройство содержит также два градуировочных лимба (не показаны), которые механически связаны с задатчиком 3 фазы и задатчиком 13 коэффициента усиления усилителя 12 соответственно. Указанные лимбы находятся на передней панели устройства. Устройство для своей работы может использовать в качестве индикатора 7 любой промышленный электронно-лучевой осциллограф. Нелинейные элементы 4 и 8, синусные преобразователи 5 и 9 и фильтры б и 10 попарно идентичны. При этом нелинейные элементы 4 и 8, а также синусные преобразователи могут иметь различное конструктивное выполнение. Нелинейные элементы 4 и 8 реализуются путем использования кворум-элемента устройства, выделяющего на выходе средний сигнал по величине из трех действующих на его вход. Эти три сигнала, поступающие на вход кворум-элемента, формируют из основного входного сигнала путём смещения его на постоянную величину и изменения его полярности. Благодаря принципу работы кворумэлемента и коррекции входных сигналов на выходе кворум-элемента, являющегося выходом нелинейного звена, формируется сигнал с кусочно-линейной зависимостью, т.е. такое выполнение нелинейного звена позволяет получить нелинейную характеристику, а следовательно, и изменение сигнала, на выходе треугольной формы. Полученный на выходе нелинейных элементов 4 и 8 сигнал треугольной формы преобразуют посредством синусных преобразователей 5 и 9, выполненных, например, в виде двухквадратного синусного элемента с полевым транзисторами, диодами и резисторами в сигнал синусоидальной формы. Определение частотных характерис ик пpeдлaгae iым устройством производят следующим образом. Генератор 1 вырабатывает двухполярное электрическое напряжение пило ,образной формы и постоянной амплитуды, которое подают на один из входов сумматора 2 и на рход нелинейного элемента 8. При этом на второй вход сумматора 2 подается электрическое напряжение с задатчика 3., В качестве задатчйка 3 может быть использован любой источник регулируемого постоянного напряжения, например переменный резистор, движок кото рого электрически связан с сумматором 2, а механически - с лимбом (не показан), проградуированном в величи нах фазового сдвига. Перед началом измерений задатчик устанавливают в нулевоеположение, что соответствует Нулевому значению электрического напряжения и нулевому фазовому углу. С выхода сумматора 2 электрически сигнал через нелинейный элемент 4, реализующий треугольную зависимость сийусный преобразователь 5 и фильтр подключен к одному из входов, например горизонтальным пластинам индикатора 7, выполненного в виде электронно-лучевой трубки. Второй вход индиктаора, например вертикальные пластины, соединен:-,, при этом через последовательно соединенные усилитель 12, динамический объект 11, вто рой фильтр Ю, второй преобразовател 9 с выходом второго нелинейного элемента 8, имеющего треугольную зависимость. При этом на экране электроннолучевой трубки индикатора 7 будет наблюдаться эллипсооёразная кривая Лиссажу для линейных сигналов или типа петли гистерезиса для нелинейных сигналов. С помощью задатчйка 3 сдвига фаз выполненного, например, в виде переменного резистора, устанавливают такое напряжение на его выходе при котором фигура Лиссажу, наблюдаемая на экране электронно-лучевой трубки индикатора 7, превращается в одну линию. Для линейных систем - это прямая линия, а для нелинейных кривая или линия с изломом. Превращение эллипсообразной фигуры в одну линию говорит о равенстве фаз сигнала исследуемого динамического объекта 11 и блока регулируемого фазового сдвига. Значение фазового сдвига считывается с лимба, проградуированного в величинах фазового сдвига. Для подавления шумов и выделения первой гармоники при исследовании нелинейных динамических объектов в устройстве предусмотрены фильтры б и 10, имеющие одинаковую передаточ.ную функцию, благодаря чему не требуется коррекции результатов измерений. При измерении отношения амплитуд динамического объекта 11, которое производят после замера фазового сдвига при выставленном положении движка переменного резистора задатчйка 3 фазового сдвига соответствующего фазовому сдвигу динамического объекта 11, сигнал с динамического объекта через инвертируюсшй вход усилителя 12 подключен к вертикальным (горизонтальным) пластинам индикатора 7, а горизонтальные (вертиАальные) пластины указанного индикатора 7 остаются подключенными к выходу фильтра 6. При этом на экране индикатора 7 наблюдается прймая линия. Изменяя коэффициент усиления инвертирующего . усилителя 12 посредством задатчйка 13 коэффициента усиления, механически связанного с лимбом (не показан), проградуированным в отношениях амплитуды, добиваются превращения прямой линии в точку, что соответствует равенству амплитуд с выхода усилителя 12 и динамического объекта 11, Значение отношения амплитуд считывается с лимба, задатчйка 13 величин коэффициентов усиления усилителя 12. Измерение отношения аг-шлитуд становится возможным благодаря тому, что блок фазового сдвига не изменяет амплитуды входного сигнала при любых фазовых сдвигах. Так, результаты испытаний показывают, что ввиду отсутствия в блоке фазового сдвига предлагаемого устройства электрических конденсаторов и использования компенсаци(энного метода измерения, когда нет необходимости ждать окончания периода колебаний для получения результата измерения, время измерения фазовых сдвигов и модуля инфранизких частот резко сокращается , Кроме того, на 20% увеличивается точность, достигая значения О ,5%, и значительно упрощается конструкцияввиду отсутствия в предлагаемом устройстве множительно-делител1-ных устройств, счетчиков импульсов интеграторов и других элементов.

Формула изобретения

Устройство для определения частотных характеристик динамических объектов, содержащее генератор электрических колебаний, блок регулируемого фазового сдвига, усилитель с переключателем регулировки коэффициента уся- ления и индикатор, один из входов которого подклнзчен к выходу генератора электрических колебани через последовательно подключенные указан-ч яый усилитель и клеммы для подключения исследуемого динамического объекта, а другой - через блок регулируемого фазового сдвига, о т л и ч a-i ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности, сокращения времени измерения и упрощения конструкхщи, ллок регулируемого фазового срвига

выполнен в.виде последовательно подключенных задатчика величин Фазового сдвига, сумматора, первого нелинейного элемента, первого синусного преобразователя и первого фильтра, а между входной клеммой исследуемого динамического объекта и генератором электрических колебаний включена цепь коррекции, состоящая из последов ательно подключенных второго нелинейного элемента , второго сийусного преобразователя и второго фильтра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Соколов В. Я.. Фазовые измерения. М., Энергия, 1973, с. 63-67.

2. АрендтВ. Р.,1Сэвент К. Д. Прак-тика следящих систем. М.-Л., Госэнергоиздат, 1962, с. 481-488.