Устройство для контроля амплитудно-фазочастотных характеристик
Использование: изобретение относится к технике измерений в широком диапазоне частот амплитудно-частотных и фазочастотных 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.
COlQ3 СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕ СКИХ
РЕСГ1УБЛИК (. 1)5 G 01 R 27/28
ГОСУДАРСТВ Е ННЦ Л KOMNTF Т
Г10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И QTKPhlTËßM
ПРИ ГКНТ СССР
К ABTOPCKOI СВИДЕТЕЛЬСТВУ
1 490120б/21
22 09.01,91
46 15.09.92. Бюл. К 34 ,71 Конструкторское бюро электроприборостроения
72) K,Ï. Чухриенко, С.Г. Лукаш и Б.Н. Кучер
56) Вавилов А.А., Солодовников А.И. Экспериментальное определение частоты характеристик автоматических систем, M — Л, 19бЗ, с.104, рис.2 — 10, (54) УСТРОИСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОЧАСТОТНЬ1Х ХАРАКТЕ
РИСТИК
Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано для измерения в широком диапазоне частот амплитудно-частотHblx и фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) активных и пассивных четырехполюсников, их разбраковки по этим характеристикам, а также при разработке контрольН0-измерительных комплексов для автоматизированного контроля амплитудно-фазочастотных характеристик (А<ЭЧХ) линейных операционных устройств (фильтров, усилителей и т.д.) систем автоматического управления.
Из известных устрэйстэ для контроля амплитудно-фазочастотн ых 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 обьект (объект контроля), а также индикаторы, например, вольтметры для измерения амплитудных
„„5Ц „„1762269 Al (57) Использование: изобретение относится к технике измерРний в широком диапазоне частот амплитудно-частотных и фазочастотных 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, значений входных и выходных напряжений объекта, и фазометр, на один из входов которого подается входной синусоидальный сигнал, а на другой выходной синусоидальный сигнал обьекта контроля.
Недостатками этого устройства являются ограниченный частотный диапазон вследствие отсутствия технических средств (вольтметров и фазометров) для измерения амплитуды и фазы в диапазоне инфранизких частот, менее 10 Гц, относительно большие масса и обьем.
Целью изобретения является расширение динамического диапазона контроля амплитудно-фазочастотных характеристик в область инфранизких частот, менее 10 Гц, уменьшение габаритно-массовых харак еристи к.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля амплитудно-фазочастотных характеристик. содержащее генератор синусоидальных колебаний, соединенный с клеммой для подключения входа объекта контроля, и индикатор. введены аналоговый вычитающий блок, коммута1762269 тор и компенсационный преобразователь, содержащий последовательно включенные пс кольцевой схеме операционный !силитель, неинвертирующий вход которого является входом компенсационного 5 преобразователя, диод и включенный по схеме повторителя напряжения второ" операционный усилитель, выход ко1орого является выходом компенсационного преобразователя и соединен с инвертирую- 10 щим входом первого и второго операционных усилителей, запоминаюший конденсатор, включенныи между общей I JMной и общей точкой соединения неинвертирующего входа второго операционного 15 усилителя и анода диода, катод которого соединен с выходом первого операционного усилителя, параллельно конденсатору включены последовательно соединенные между собой резистор разряда и кнопка 20 сброса, причем в качестве индикатора включен цифровой вольтметр, выход генератора синусоидальных колебаний соединен с инвертирующим входом аналогового вычитэющего блока и с первым входом 25 коммутатора, клемма для подключения выхода обьекта контроля соединена с неинвертирующим входом аналогового вычитающего блока и со вторым входом коммутатора, третий вход которого соеди- 30 нен с выходом. аналогового вычитающего блока, а выход коммутатора соединен с входом компенсационного преобразователя, выход которого подключен к индикатору— цифровому вольтметру. 35
На чертеже представлена функциональная схема устройства.
Устройство содержит генератор 1 синусоидальных колебаний, .соединенный с клеммой для подключения входа обьекта 40 контроля, а также индикатор 2, например, цифровой вольтметр, аналоговый вычитаю-, щий блок 3, коммутатор 4, компенсационный преобразователь 5. На чертеже также приведен обьект контроля 6. Компенсаци- 45
I онный преобразователь 5 содержит последовательно включенные по кольцевой схеме операционный усилитель 7, неинвертирующий вход которого является входом компенсационного преобразователя 5, диод 8 и 50 включенный по схеме повторителя напряжения второй операционный усилитель 9, выход которого является входом компенсационного преобразователя 5 и соединсн с неинвертирующими входами первого 7 и 55 второго 9 операционных усилителей, запоминающий конденсатор 10, включенный между общей шиной и общей точкой соединения неинвертирующего вхсда второго операционного усилителя 9 и анода диода 8.
ОрЗЫ! = 0выхби)1 Ивхбьд! где 0рзсь - мгновенное значение на выходе блока 3; — U» xIz,— мгновенное значение напряжения на выходе блока 6; — 0вхВЫ;= U ixIy.— МГНОВЕННОЕ ЗНаЧЕНИЕ напряжения на входе обьекта 6 контроля (или мгновенное значение напряжения на выходе генератора 1).
Мгновенное значение выходного синусоидального сигнала на частоте генератора
P3BHO: -1вы;:! Ю= Звых1сА макс з п <> = (2) = 4вХВщ макс >In CZ) It катод которого соединен с выходом первого операционного усилителя 7, параллельно конденсатору 10 включены последовательно соединенные между собой резистор 11 разряда и кнопка 12 сброса. Аналоговый вычитающий блок 3 выполнен, например, на базе разностного операционного усилителя 13 с равноминальными 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 6контроля,,например, активного фильтра нижних частот (АФНЧ), соответственно мгновенные значения напряжений
U< ix< = U>xI; И 4„,хВ ВЫЧИтаЮтСЯ В аиаЛОГОвом вычитающем блоке 3. На выходе блока
3 формируется разностный сигнал
Орзу(мгновенное значение синусоидального напряжения). пропорциональный углу сдвига фаз (например фазовому запаздываНИЮ АФНН1 МЕжду ВХОДНЫМ UBx6 И ВЫХОДНЫМ ОввхВ НЭПРЯжЕНИЯМИ ОбЬЕКта 6.
Уравнение для мгновенных значений напряжений имеет вид;
1762269 (8) 1-1выхбу< макс
Кби,"
Usx6c0< макс
) (Ká <3< cos
X (sin г)) it cos <р г))! + где Usx6g,— амплитудное значение напряжения, В;
ы i — круговая частота, 1/сек.
При этом мгновенное значение выходного напряжения объекта 6 контроля, име<ощего фазовое запаздывание (фазовый сдвиг) по отношению к выходному синусоидальному сигналу, может быть записано следующим образом:
<-)выхбы, = 1-)выхбм, макс З1П (i)) it + PV;) ° (3) ГДЕ Uss p ; — фазовый сдвиг на частоте г)Л, град, Модуль комплексного коэффициента передачи на частоте в) i объекта 6 контроля определяется выра<жением: ГДЕ 0выхбЫ макс — аМПЛИтУДа ВЫХОДНОГО Напряжения объекта 6 на частоте i, В; 1-1вхбЫ макс = Usb 6 на частоте в)i, В. Как следует из выражения (4) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) объекта б может задаваться путем нормирования амплитуды выходного напряжения 11выхбс) макс На ОПрЕдЕЛЕННЫХ ЧаСтОтаХ ПрИ известных значениях модуля коэффициента передачи Кб);и амплитуды входного сигнаЛа 0вхб,„), ма„На СООтВЕтСтВУЮЩИХ ЧаСтОтах. Синусоидальная функция суммы углов может быть представлена формулой: sin (t ) it + p o) i ) = sin ()) it cos p o) i + С учетом выражений (1-5) мгновенное значение разностного сигнала на выходе блока 3 можно записать в виде: 1-<рзсд< = <.)ахба макс Кб Ы Х + cos c)) it . sin p o) i ) — sin < )) it (6) Выражение (6) определяег функциональную зависимость (пропорциональность) между разностным сигналом блока 3 и сдвигом фаз между входным и выходным напряжениями объекта контроля 6 и может использоваться для нормирования фазочастотной характеристики (ФЧХ) объекта б на текущей частоте входного синусоидального сигнала, Для этого определяем максимум функции(6) путем нахождения стационарной точки (теорелла Ферма). приравняв первую производную функции нулю, т.е. I (U 3,) =0 (7) Тогда действительный корень уравнения (7) равен: Кбс<< соз (ло) i 1 (в) it ) макс = arctg Кбы s1п р г)) i Амплитудное значение разностного сигнала, используя выражения (6 — 8), представится в виде ЦрЗи)< л<экс = Цвхби)<макс К6Ы Х К6 с3, cos г)) it — 1 Х cos (arctg . ) sin p<)) i + Кб иЛ sin p o) i Кбс,), cos — 1 25 + sin (агстц,б"" ., ) X Кбс,), Sin PA) i Используя машинные методы расчета, можно достаточно просто получить номограммы функции (9) при различных значениях Кб,),, U»6 «макс ° pr)) i Для нормирования фазочастотных характеристик (ФЧХ) обьекта б контроля, как в лабораторных ус-. ловиях, так и при всех видах испытаний различных линейных активных и пассивных четырехполюсников в условиях производства и эксплуатации аппаратуры. ВХОДНОЕ U«6 ),, ВЫХОДНОЕ U«x6e,бЛОка 6 контроля и сформированный разностн ы и си Гнал Up3 < -поступает HB вхОД коммутатора 4, посредством которого каждый из указанных сигналов последовательно подается на вход компенсационного преобразователя 5. Пусть на неинвертирующий вход компенсационного преобразователя 5 посредством коммутатора 4 подается СИНуСОИдаЛЬНЫй СИГНаЛ Usx6iO< = Usbix le@ Запомина<ощий конденсатор 10 зг яжается до максимального (амплитудного) ЗНаЧЕНИЯ НаПРЯжЕНИЯ Usx6, макс (ОтРИЦа тельной 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 Uss 1762269 ЖЕНИР 0вых5 Uex6 ОУ 9 ПЕрЕХодИТ В ПОЛОЖИгельное насыщение, диод 8 запирается и конденсатор 10 сохраняет амплитудное значение измеряемого сигнала, которое инициируется цифровым вольтметром 2, т,е. 0вых5 — 0вхбм< макс При нажатии кнопки 12 "Сброс" конденсатор 10 разряжается через резистор 11 и компенсационный преобразователь 5 подготовлен для измерения следующего СИГНаЛа, НаПрИМЕр 0выхбсА, ПОдКЛЮЧаЕМОГО ко входу преобразователя 5 коммутатором Процессы измерения амплитудных ЗНаЧЕНИй СИГНаЛОЕ 0выхб„ макс И 0рбя макс аналогичны описанному выше. Таким образом, предложенное устройство обеспечивает контроль амплитудно-фазочастотных характеристик (АФЧХ) объекта 6, путем формирования, преобразования, запоминания и индицирования с высокой точностью амплитуд 0вхбц>, макс — Овых 1М макс, Овыхбн) макс, 0ð3 и1 макс СИНУСОИдЭЛЬНЫХ СИГНЭЛОВ В ШИроком- диапазоне частот. вкл ючая скол ь угодно широкий диапазон инфранизких частот (f 10 Гц). Нормирование АЧХ объекта 6 контроля осуществляется по амплитуде 0выхб Vex6 (д макс = 0вых1 <@макс ° ° Нормирование ©ЧХ объекта 6 контроля Выполняется по амплитуде разностного сигНаЛа 0рб у макс ПрИ ИЗВЕСТНЫХ (НОрМИрО ванных) фазовом запаздывании p() I u ЭМПЛИТУДЕ ВХОДНОГО СИГНЭЛа Uex6aliMaxc Как видно иэ 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. НорМИроВВНИЕ ПараМЕТрОВ 0выхб макс И Up3 д макс П рОСТО ВЫПОЛНяЕТСя МдШИН ным способом с учетом известных неидеальностей 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 эксплуе1ации, погрешностей индикатора 2. Формула изобретения Устройство для контроля амплитуднофаэочастотных характеристик, содержащее генератор, соединенный с клеммой для подключения входа объекта контроля, а также индикатор. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона контроля в области инфранизких частот, в него введены Вычитающий блок, коммутатор и компенсационный преобразователь, содержащий последовательно включенные по кольцевой схеме операционный усилитель, 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 инвертируюПостроение аналогового вычитающего блока 3 по схеме разностного операционного усилителя (ОУ) и компенсационного преобразователя 5 на основе ОУ типа ИМС 5 140УД6А, применение малогабаритных прецизионных конденсаторов типа К77-1 (Сном = 10 мкф с допуском t 5 () и прецизион н ых реэисто ров типа С2-29 В с допуском +0,1 /, обеспечивают измерения нормируе10 мых напряжений Uex6ul Овыхби,, Up3Ab.. практически от О до 10 В в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц. При этом используя в качестве индикатора 2; цифровые вольтметры типа В715 34, В7-28. обеспечиваем точность контроля АЧХ по измеряемым амплитудам 0выхба, макс И 0выхб Ы макс Н Е ХУж Е 0,25%,х а точность контроля ФЧХ по нормир яанию амплитуды разностного сигнала 20 0рймакс не хуже 0,05 в диапазоне фазовых сдвигов от 0 до 180О. Диапазон контролируемых частот можно расширить в область инфранизких частот менее 0,1 Гц, используя в качестве запоминающей емкости конденсатор типа К77-1 с номиналом более 10 мкФ (С15 мкФ), а для расширения области верхних частот (более 1 МГц), используя ОУ типа ИМС 544УД2, Таким образом, предложенное устройство по сравнению с прототипом отличается более широкими функциональными возможностями, меньшими массой и объемом, позволяет осуществлять контроль нормируемых как АЧХ, так и ФЧХ исследуемого Объекта без регулировочных работ в широком диапазоне частот, включая диапазон инфранизких частот менее 10 Гц, обеспечивая высокую точность контроля АЧХ. 17622 б9 Составитель К.Чухриенко Техред М.Моргентал Корректор Л.Филь Заказ 3258 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород. ул.! агарина. 101 щими 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, причем выход генератора соединен с инвертирующим входом вычитающего блока и с. первым входом коммутатора. клемм4 для подключения выхода обьекта контроля сое5 динена с неинвертирующим входом коммутатора, третий вход которого соединен с выходом вычитающего блока, а выход коммутатора соединен с входом компенсационного преобразователя, выход которого 10 подключен к индикатору.
