Устройство для сравнения амплитуд двух низкочастотных гармонических напряжений
УСТРОЙСТВО ДЛЯ СРАВНЕНИЯ АМПЛИТУД ДВУХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ГА РМОНИ ЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержащее после-: довательно соединенные коммутатор сравниваемых сигналов, усилитель сигнала несущей частоты, первый квадратор и первь1й сумматор, последовательно соединенные дифференциатор и второй квадратор, вход дифференциатора подключен к выходу усилителя сигнала несущей частоты, а выход второго квадратора - к другому входу первого сумматора, .последовательно соединенные усилитель огибающей частоты, синхронный бьшрямиг тель и измерительный прибор, второй сумматор, триггерный делитель частоты , выход которого подключен к управлякщим входам ко мутатора сравниваемых сигналов и синхронного выпрямителя, а первый вход второго сумматора подключен к первому входу коммутатора сравниваемых сигналоВ| р т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности сравнения амплитуд низ кочастотных сигналов произвольной частоты, в него введены.инвертор, второй и третий коммутаторы, управляемый резистор, два преобразователя переменного напряжения в постоянное , дифференциальный усилитель, резистор и конденсатор, причем вход инвертора подключен к второму входу коммутатора сравниваемых сигналов, а выход - к второму входу второго -Сумматора, выход которого подключен . к входу тр.иггерного делителя частоты , резистор одним выводом подклю1чен к выходу первого сумматора, а , § (Л другим - к входу усилителя сигнала , огибающей .частоты и входу, второго коммутатора, первый и второй выходы которого подключены соответственно te первому и второму входам третьего, коммутатора, между которыми включен в е :конденсатор,/управляющие входы второго и третьего коммутаторов подклю:чены к выходу триггерного делителя Iчастоты, выход третьего коммутатора :подключен к общей шине устройства, 1управляемый резистор включен в цепь отрицательной обратной связи ;дифференциатора,..вход первого преобразователя переменного напряжения в постоянное подключен к входу диф:ференциатора , вход второго преобразователя - к выходу дифференциатора , входы дифференциального усилителя подключены к выходам преобразователей переменного напряжения в пос« тоянное, а выход - к управляющему входу управляемого резистора.
СОЮЗ COBETCHHX
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ.
РЕСПУБЛИК (19) (11) Д11 G 01 R 29/10
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
I !
I .I. 1
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ э (21} 3596292/24-21 (22) 24.05.83 (46) 07.12.84. Бюл. Р 45 (72) И.М.Бучма. (71) Львовский ордена Ленина политех» .иноческий институт .им. Ленинского комсомола (53) 621.317.7(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР
У 725033, кл . G 01 Я 19/10., 1978.
2. Авторское свидетельство СССР.
В 834549,.кл. Gt. 01 Й 19/10, 1978.. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СРАВНЕНИЯ
АМПЛИТУД ДВУХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ГАРМОНИ
ЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержащее после-. довательно соединенные коммутатор сравниваемых сигналов, усилитель сигнала несущей частоты, первый квадратор и первый сумматор, последовательно соединенные дифференциатор и второй квадратор, вход дифференциа- тора подключен к выходу усилителя сигнала несущей частоты, а выход второго квадратора — к другому входу первого сумматора, .последовательно соединенные усилитель сигнала огибающей частоты,. синхронный выпрями-, тель и измерительный прибор, второй сумматор, триггерный делитель частоты, выход которого прдключен к управляющим входам коммутатора сравниваемых сигналов и синхронного выпрямителя, а первый вход второго сумматора подключен к первому входу коммутатора сравниваемых сигналов, ртличающееся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности сравнения амплитуд низ-. кочастотных сигналов произвольной
I частоты, в него введены.инвертор, второй и третий коммутаторы, управляемый резистор, два преобразователя переменного напряжения в постояйное, дифференциальный .усилитель, резистор и конденсатор, причем вход инвертора подключен к второму входу коммутатора сравниваемых сигналов, а выход — к второму входу второго ,сумматора, выход которого подключен к входу триггерного делителя частоты, резистор одним выводом подклю чен к выходу первого сумматора, а другим — к входу усилителя сигнала,. огибающей .частоты и входу второго коммутатора, первый и второй выходы которого подключены соответственно
1к первому и второму входам третьего
1. : \ коммутатора, между которыми включей конденсатор,. управляющие входы второго и третьего коммутаторов подклю чены к выходу триггерного делителя ,частоты, выход третьего коммутатора подключен к общей шине устройства, ",.управляемый резистор включен в цепь отрицательной обратной связи
:дифференциатора, вход первого преобразователя переменного напряжения в постоянное подключен к вхрду диф-. .ференциатора, вход второго преобра.зователя — к выходу дифференциатора, входы дифференциального усилителя подключены к выходам преобразова телей переменного напряжения в пос« тоянное, а выход - к управляющему входу управляемого резистора.
1128199 3
Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть ! использовано для измерения разности амплитуд низкочастотных гармонических напряжений., 5
Известно устройство для сравнения. амплитуд низкочастотных гармонических сигналов, содержаще последовательно соединенные коммутатор входных сигналов, усилитель сигнала несущей частоты, детектор, избирательный усилитель огибающей частоты коммутации, синхронный выпрямитель и измерительный прибор, последовательно соединенные сумматор входных 15 напряжений и триггерный делитель частоты, выход которого подключен к управляющим входам коммутатора и синхронного выпрямителя, последовательно соединенные преобразователь частоты в постоянное напряжение, элемент памяти и дифференциальный усилитель, второй вход которого соединен с .источйиком опорного напряжения, а выход — с управляющим вхо- 25 дом избирательного усилителя огибающей частоты коммутации, причем вход преобразователя частоты в постоянное.напряжение соединен с выходом триггерного делителя частоты f1) . 5б
Недостатками этого устройства яв.ляются невысокая точность сравнения, обусловленная неточной настройкой электрически перестраиваемого избирательного ...усилителя огибающей частоты, относительно частоты комму-,, тации, и невысокая чувствительность, обусловленная наличием в канале оги-. бающей частоты квадратурной составляющей комбинационной частоты, ко- 4О торая погрешности не вносит, но снижает чувствительность, поскольку ограничивает коэффициент усиления в канале огибающей. ля сигнала несущей частоты, а выход второго квадратора подключен к другому входу первого сумматора, последовательно соединенные второй сумматор, квадратурный фазовращатель и делител» частоты, выход которого подключен к управляющим входам .коммутатора и синхронного выпрямителя, а входы вто- рого сумматора подключены к соответствующим входам коммутатора f2) .
Недостаток известного устройства состоит в том, что высокая точность . сравнения амплитуд низкочастотных гармонических сигналов, обусловленная отсутствием аддитивной погрешности от комбинационных составляющих, возникающих на выходе детектюра, обеспечивается лишь на одной фиксированной частоте сравниваемых сигналов, при которой на выходе делителя частоты образуется частота коммутации, на которую настроен избирательный усилитель сигнала огибающей частоты.. В этом устройстве изменЕние частоты сравниваемых сигналов приводит к изменению частоты коммутации, относительно которой избирательный усилитель огибающей оказывается рас> строенным. При этом сразу снижается чувствительность устройства. Снижение чувствительности обуславливает погрешность измерений. Кроме того, квадрауурный фазовращатель слвигает синхрониэирующий сигнал на также только на фиксированной частоте.
При изменении частоты этот сдвиг по фазе отличается от — и коммута И
2 ция происходит в моменты, когда мгновенные значения сравниваемых сиг налов не равны, в результате этого при дифференцировании возникают
З-импульсы, которые при большой чувствительности вносят погрешность в измерения.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является.устройство для сравнения амплитуд низкочастотных гармонических сигналов, содержащее последовательно соединенные коммутатор сравниваемых сигналов, усилитель сигнала несущей час- . тоты, первый квадратор, первый сумма.тор, усилитель сигнала огибающей ,частоты, синхронный выпрямитель и измерительный прибор, последователь- 55 но соединенные дифференциатор и второй квадратор, причем вход дифференциатора подключен к выходу усилитеЦель изобретения — повышение точности и чувствительности сравнения амплитуд гармонических сигналоЪ про.(извольной частоты в диапазоне низких частот.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для сравнения амплитуд двух низкочастотных гармонических напряжений, содержащее последовательно соединенные коммутатор сравниваемых сигналов, усилитель сигнала несущей частоты, первый квад ратор и первый сумматор, последова3 11281, тельно соединенные дифференциатор
;и второй квадратор, причем вход дифференциатора подключен к выходу
;усилителя сигнала несущей час1готы, а выход второго квадратора — к дру;гому sxopy первого сумматора, после= довательно соединенные усилитель .. сигнала огибающей частоты, синхронный выпрямитель и измерительный прибор, второй сумматор, триггерный де- 1О .литель частоты, выход которого .подключен к управляющим входам коммутатора сравниваемых сигналов и синхрон ного выпрямителя, а первый вход второго сумматора подключен к первому 15 входу .коммутатора сравниваемых сиг налов, дополнительно введены инвертор, второй и третий коммутаторы, управляемый резистор, два преобразователя переменного напряжения в постоянное, дифференциальный усилитель, резистор и конденсатор, причем вход инвертора подключен к второму входу коммутатора сравниваемых сигналов, .а выход — к второму входу второго сумматора, выход которого подключен к входу триггерного делителя частоты, резистор одним выводом подключен к выходу первого сумматора, а другим — к входу усилителя сигнала огибающей частоты и входу второго коммутатора, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам третьего коммутатора, между которыми включен конденсатор,,управляющие входы вто35 рого и третьего коммутаторов подключены к выходу триггерного делителя частоты, выход третьего коммутатора подключен к общей шине устройства, 40 управляемый резистор включен в цепь отрицательной. обратной связи дифференциатора,.вход первого преобразователя переменного напряжения в остонное подключен к входу дифференциа-.
45 тора, вход второго преобразователя— к выходу дифференциатора, входы дифференциального усили еля подключены к выходам преобразователей переменного напряжения в постоянное а выi . 50 . ход — к управляющему входу управляе- мого резистора.
Н6 чертеже представлена структур-: ная схема устройства.
Устройство содержит последователь- 55 но соединенные коммутатор 1 Сравниваемых сигналов, усилитель 2 сигнала .несущей частоты, первый квадратор 3, 99 4 первый сумматор 4, гезнстор 5, усилитель 6 сигнала огибающей частоты, синхронный выпрямитель 7 и измерительный прибор 8, последовательно соединенные дифференциатор 9 и второй квадратор 10, включенные между выходом усилителя 2 сигнала несущей частоты и вторым входом первого сумматора 4, коммутатор 11, вход которого подключен к входу усилителя 6 сигнала огибающей частоты,,коммутатор 12, выход которого заземлен, конденсатор 13, включенный между входами коммутатора 12,которые подключены к соответствующим выходам коммутатора 11, 1 б последовательно соединенные второи сумматор 14, первый вход которого соединен с первым входом коммутатора
1, а .второй вход через инвертор 15 соответственно с вторым входом коммутатора 1, и триггерный делитель
16 частоты, выход которого подключен к управляющим входам коммутаторов
1, 11 12 и синхронного выпрямителя
7, управляемый резистор 17, включенный в цепь отрицательной обратной связи дифференциатора 9, два преобразователя 18 и 19 .переменного напряжения в постоянное, выходы которых подключены соответственно к входу и выходу дифференциатора 9, дифI ференциальный усилитель 20,. входы которого подключены к соответствующим выходам преобразователей 18 и 19 переменного напряжения в постоянное, а выход — к управляющему входу управляемого резистора.17.
Устройство работает следующим образом.
Сравниваемые сигналы поочередно и периодически с частотой коммутации подключаются коммутатором 1 к входу усилителя 2 сигнала несущей частоты, выходное амплитудно-фазомодулированное напряжение усилителя
2 обрабатывается двухфазным детектором, состоящим из первого квадратора 3, дифференциатора 9, второго квадратора 10 и сумматора 4.
На вхоД этого двухфазного детек= . тора поступает сигнал с усилителя
2, который описывается выражением
U>< "(- а
Ц "- К вЂ” )I . pip 51п (ЙЕНС )5 Я(Я +
u U, Щ ((Ц -Ц .
° !",, 6." !"«4
М, Ч, 1128199 6 где,R — коэффициент передачи усилителя 2, М„Ц ;фд ;у — соответственно амплитуды, начальные фазы и частота входных сравниваемых сигналов
Л, — частота и начальная фаза напряжения, управляющего коммутаторами I
11, 12 и синхронным вып- 10 рямителем 7.
Поскольку начальная фаза (подбирается таким образом, что коммутация входных сравниваемых сигналов производится в моменты равенства их мгновенных значений, то выходной сигнал усилителя 1 не имеет разрывов, т.е. при коммутации нет скачков напряжения на выходе коммутатора, а имеет место переход в точке от одной си- щ
:нусоиды к другой.
В результате этого имеется возможность с помощью диААеренциатора
9 преобразовать сигнал U в сигнал
0, сопряженный по Гимберту с сигналом 0
Поэтому выходной сигнал дифференциатора 9 можно представить так а ",«0z, 0,-0
" = " 2 1+ U 5<(A51h(+34(fg х З 1 я Г Ч Затеи сигналы 0 и U2 возводятся ;в квадрат соответственно с помоцью квадраторов 3 и 10, после чего они 4О суммируются сумматором 4, на выходе которого получаем я (ll«llzl Ц-В, 4 2 l p ц О 5 gns н(ЙЬфФ " «gp G n(Qtkgj) В этом сигнале первый член представляет собой постоянную составляющую, а второй — составляющую прямоугольной формы частоты коммутации, синфазную .сигналу, управляющему коммутаторами 1, 11, 12 и синхронным выпрямителем 7. Этот второй член, амплитуда которого пропорциональна разности ква фатов амплитуд входных сигналов (ц2 - U ), выделяют с ,помощью резистора 5, коммутаторов 11 )У 12 и конденсатора 13, представляющих собой Аильтр для выделения сигнала прямоугольной формы частотой коммутации, синфазного с прямоуголь ным сигналом, управляюцим работой коммутаторов 1, 11, 12. Поскольку цепь, состоящая из резистора 5, коммутаторов 11, 12, конденсатора 13 представляет собой квазилинейную цепь, то для нее спра-. ведлив принцип суперпозиции. В связи с этим удобно анализировать ее работу при прохождении через нее сигнала со сложной спектральной структурой отдельно для различных спектральных составляющих. Так, в установившемся режиме при поступлении на вход резистора 5, например, отрицательной полуволны прямоугольного напряжения частоты коммутации, управляющим напряжением коммутаторов 11 и 12 замыкаются контакты так, как это показано на чертеже. Тогда конденсатор 13 заряжается до отрицательного напряжения, равного амплитуде прямоугольного сигнала, поступившего на вход резистора 5. С выхода конденсатора 13 это напряжение подается на вход усилителя б. В момент изменения полярности (прихода положительной полуволны) выделяемого напряжения на входе резистора 5 изменяется и полярность прямоугольного напряжения, управляюцего работой коммутаторов 11, 12, и замкнутые контакты коммутаторов i 1 и 12 размыкаются, а разомкнутые — замыкаются. При этом отрицательно заряженная обкладка конденсатора 13 заземляется, а положительно заряженная — подключается к выходу резистора 5. Так как амплитуда положительной полуволны прямоугольного сигнала, поступающего на вход резистора 5, равна амплитуде отрицательной полуволны, то при переключении конденсатор 13 оказывается уже заряженным до положительЮ ного напряжения, равного амплитуде положительной полуволны. Таким образом, входной сигнал прямоугольной Аормы повторяется на выходе Аильтра. И этот процесс повторяется в каждый полупериод. В результате этого напряжение прямо" угольной формы, поступившее на вход резистора 5 выделяется яа входе 199 где 7 ю ? 128 усилителя б с коэффициентом передачи, равным единице. Рассмотрим прохождение постоянной составляющей о через эту же цепь. Пусть контакты коммутаторов 11 . 5 и "12 замкнуты так, как это показано на чертеже. Тогда обкладка конденса.,"тора 13, подключенная к выходу усилителя Ь, .будет заряжена положительно. В момент изменения .полярности, 10 напряжения, управляющего коммутаторами 11 и 12, происходит переключение обкладок конденсатора 13 и к выходу резистора 5 подключается ее отрицательно заряженная обкладка, f5 а положительно заряженная — заэемляется. С этого момента начинается перезаряд конденсатора 13.. Допустив, что переэаряд конденсатора 13 происходит по линейному закону, в уста- 2 новившемся режиме можно определить максимальное значение напряжения на конденсаторе 13, как Ео "свах = n ь 4 25 где = (C — постоянная времени пос ледовательно включенных резистора 5 и конденса-, тора 13; Т вЂ” период напряжения, уп- о равляющего работой ком . мутаторов 11 и 12. Коэффициент передачи постоянной составляющей равен " мах Т "no Ео 4 Выбрав = AC >) Т, получим значительне подавление постоянной составляющей. Так, например, если Т = 0,1 с, а Т = 100 с, то ро = 2,5 ° 10 При необходимости можно включить последовательно второе звено такого фильтра, развязав звенья между собой 45 с помощью буферного каскада. Другие переменные составляющте спектра сигнала, поступающие на вход резистора 5, подавляются также, как и обычным фильтром нижних частот. Сигнал с выхода фильтра, образо.ванного резисторами 5, коммутаторами 11, 12, конденсатором 13 усиливается усилителем б сигнала огибающей частоты, выпрямляется синхронным выпрямителем 7, работающим синхронно с коммутатором 1, и затем измеряется измерительным прибором 8, Напряжение, управляющее коммутаторами 1, 11, 12 и синхронным выпря мителем 7, вырабатывается триггерным делителем 16 частоты, который запускается суммой входнбго сигнала "» = 01 6»п (и1 + ч, ) и инвертирован,ного другого входного сигнала - U = = -Од„ »т (Ы +,qz), т.е. разностью; входных сигналов lJ»- Og Ц»з»и (дФ1Щ,) -02 5»»1(03ttgg) —. 2 2 « . г Ч4+Чг»11 = 0,»U2-Я„Игcoq(cpf-Ñ, «s»n а1+ 2 г Г "2"" Р 2. +at ctg Uzca5$< )-0гс06 р> «1+ г = вi Qt» — + — + 2 2 1 Ч»чг1 О, 429+! И1 З» П g Sin Ч1-Чг „9g- 1 »+u »сов -0гсоз 2 2 1 z 1 2 (Я» »г) Отсюда получаем lg< Uz= " +(1г (11"гсов(сР»-cfz)» хь1н ы » — »»- »aietA Z1 г Начальная Лаза сигнала коммутации определяется произведением начальной фазы разностного сигнала Ц» - UZ на коэффициент передачи делителя 16 9 частоты = —, Я, Q .- соот-,. ветственно частота коммутации и частота сравниваемь|х сигналом, т.е. с г.,Я Если сравниваются напряжения с близкими амплитудами, т.е. Коммутация сравниваемых сигналов происходит в моменты 1», когда значение коммутирующего сигнала на выходе делителя 16 частоты 0 = 5<5ig n s» м(М +(f } проходит через нуль. Это условие записывается как Qt ч. 1128199 Отсюда -Ч И, ч, «i Я 2Q При этом мгновенные значения входных сравниваемых сигналов в момент коммутации 1 + г iii(ig)*ii«+(#4<4)Unpin Фц,). . у Ч- 4 ri(„Ч;-4г э я ((= 1 Осое (Ч +gг+ н и Н, )=0sin(iit„ @Ä 0 ((ф )= 2 (((г Ф1 Ц,- Юг 4 г1= Особ 2 DBBHbl Тогда на выходе дифференциатора 9 о -импульсы не возникают, и погрешность измерений от них отсутствует. И это условие выполняется в широком диапазоне частот входных сравнивае.мых сигналов. В известном устройстве при измене нии частоты сравниваемых сигналов изменяется амплитуда сигнала на выхо де дифференциатора, что приводит к возникновению комбинационных составляющих на выходе двухфазного детектора и обуславливает погрешность измерений. Чтобы не допустить этого в предложенном устройстве к входу и выходу дифференциатора подключены преобразователи 18 и 19 переменного напряже ния в постоянное, выходные сигналы ! которых поступают на разные входы дифференциального усилителя 20, вы5 ходкой сигнал которого подается на управляющий вход управляемого резистора 17, включенного в цепи обратной связи дифференциатора 9. При отклонении амплитуды выходного сигнала дифференциатора 9 от той, которую имеет сигнал на его входе, на выходе дифференциального усилителя 20 появ" ляется пропорциональный этому отклонению сигнал постоянного тока, кото15 рый воздействует на управляющий вход управляемого резистора 17, изменяя его сопротивление так, что амплитуды входного и выходного сигна лов дифференциатора 9 выравниваются. 20 При этом не возникают комбинацион-, ные составгяющие на выходе двухфазного детектора, и погрешность от них отсутствует. 25 Таким образом, введение в устрой-. ство инвертора, двух коммутаторов, резистора, конденсатора, управляемо" ° го резистора, двух преобразователей, переменного сигнала в постояйный 30 позволяет повысить точность и чувст" вительность сравнения амплитуд гарионических сигналов в низкочастотном диапазоне произвольной частоты. 1128199 Составитель С.Рыбин Техред С,Легева Корректор 0.Бкпак Редактор С.Патрушева Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ 9024/34 Тираж 710 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, W-35, Раушская наб., д. 4/5
