Фазосдвигающее устройство

Фазосдвигающее устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3 1) G 01 R 2у04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМНТЕТ СССР

ПО ДЕ/ АМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3345019I18-21 (22) 30.09 81 (46) 23.. 05.83. Бюл. и 19 (72)-Л.П..Руссин, О.Д. Чугунов, В.Д. Зименков, Д.А. Решетников и

Н.В. Мемель (53) 621.317.77(088.8) (56) 1. Масленников 8.8. Избирательные,R C-усилители. И., 1980, с. 26.

2. Авторское свидетельство СССР

N 522475, кл. G 01 R .25/00, 1974. (54)(57) ФАЗОСДВИГАЮЩЕЕ УСТРОЧСТВО, содержащее регистратор Фазового сдвига, последовательно соединенные первый усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и первый сумматор, .инвертор и переключатель, о т л ич а ю щ е е с я тем, что с целью повышения быстродействия, точности, чувствительности и расширения диапа-. зона инфранизких частот, в него дополнительно введены второй, третий,четвертый, пятый, шестой, седьмой; восьмой, девятый и десятый усилители с регулируемыми коэффициентами усиления по. закону синуса у четных номеров усилителей и по закону косинуса у нечетных номеров усилителей, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой сумматоры, блок постоянного фазового сдвига, второй, третий, четвертый и пятый инверторы, а также второй переключатель, причем регистратор фазового сдвига выполнен в виде трех групп взаимосвязанных кнопок и двух отдельных кнопок, при этом первая группа кнопок проградуирована в десятых долях фазового угла, вторая группа кнопок - e единицах фазового угла„ третья группа кнопокв десятках Фазового угла, при этом

„„SU„„19362 первая отдельная кнопка имеет градуировку 90 О, а вторая отдельная кнопка - 180, первая группа кнопок механически связана с первым, вторым, тре-. тьим и четвертым усилителями с регу" лируемыми коэффициентами усиления, вторая- группа KHotloK механиче".ки свя- зана соответственно с пятым, шестым, десятым и десятым усилителями с регулируемыми коэффициентами усиления, третья группа кнопок механически свя-. зана с седьмым и восьмым усилителями, а первая отдельная кнопка механически связана с первым переклочателем, первый подвижный контакт которого соединен с входами первого и второго усили-©

Щ телей, второй подвижный контакт его соединен с входами третьего и четвер" того усилителей, а первый неподвижный контакт его соединен непосредственно с входом устройства и через первый ин-. вертор — с вторым неподвижным контактом, а третий неподвижный кон- эииь такт соединен с выходом блока посто- () янного фазового сдвига, вход которо- и|@ го соединен с входом устройства и.че- {© рез второй инвертор - -с четвертым не" (д подвижным контактом, при этом выход в» устройства соединен с подвижныи контактом второго переклочателя, механически связанного с второй отдельной кнопкой регистратора Фазовых сдви-, гое, первый неподвижный контакт второго переключателя соединен с выходом седьмого сумматора непосредственно,,В а второй .неподвижный контакт - c выходом седьмого сумматора через третий инвертор, при этом первый вход седьмого сумматора через последовательно. соединенные седьмой усилитель, пятый сумматор, пятый усилитель и первый

10193 сумматор соединен с выходом первого усилителя и с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен с выходом четвертого усилите

l ля., а выход четвертого сумматора через последовательно соединенные чет, вертый-. инвертор, десятый усилитель, шестой сумматор и восьмой усилитель соединен с вторым входом седьмого сумматора, при этом второй вход шестого суммато рв через последова тельно соединенные девятый усилитель и третий сумматор соединен с первым входом второго сумматора и через пятый инвертор с выходом третьего усилителя, выход второго усилителя со« единен с вторыми входами второго и третьего сумматоров, а выход второго сумматора через шестой усилитель соединен с вторым входом пятого суммаИзобретение относится к электроизмерительной технике, а точнее к устройствам, обеспечивающим создание искусственных фазовых сдвигов между напряжениями синусоидальной формы. Эти устройства широко применяются для измерения фазовых сдвигов, например, систем автоматического управления, а также для градуировки и проверки фазо. метрической аппаратуры, в качестве калибраторов угла фазового сдвига.

Известно устройство для сдвига фаз, выполненное на основе усилительного каскада, имеющего два выхода.

Один из них обеспечивает усиление сигнала в К раз, а другЬй в (-К ) раз.

Такое выполнение устройства позволяет расширить диапазон фазовых сдви-. гов от 0 до 180 и обеспечить при этом постоянство амплитуды выходного сигнала $1 g.

Однако устройство обладает рядом существенных недостатков, главными из. которых являются зависимость вели- чины фазового угла от частоты, ограниченный диапазон рабочих частот и отсутствие регистратора фазового угла.

Известно также фазосдвигающее устройство, содержащее сумматор, операционный усилитель, выход которого через параллельно соединенные элект.рический конденсатор и первый переменный резистор соединен с его входом цепью отрицательной обратной свя- З5 зи, При этом вход усилителя через второй переменный резистор соединен с входом устройства и одним из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом усилителя.

Устройство содержит также регистратор фазового сдвига, проградуиро" ванный в величинах постоянной времени, равной произведению величины электрической емкости конденсатора на величину электрического сопротивления переменного резистора в обратной связи усилителя. Регистратор фазового сдвига механически .связан с движками первого и второго переменных резисторов.

Данное устройство благодаря постоянству амплитуды сигнала на выходе усилителя и наличию регистратора ь фазового сдвига может быть использовано для измерения фазовых сдвигов и модулей гармонических сигналов в диапазоне фазовых углов от 0 до

180о $2

Однако данное устройство также имеет рад недостатков. Главным из них являются недостаточная точность (не выше 103 ), низкая чувствительность .(не лучше 2о, ограниченный диапазон низких частот, малое быстродействие из-за резкого увеличения величин электрического конденсатора с умень= шением частоты и невозможность непосредственного отсчета величины фазового угла по регистратору фаз, так как фазовый угол определяется по формуле.

Целью изобретения является повышение быстродействия, точности, чувствительности и расширения диапазона инфранизких частот.

Для достижения этой цели в фазосдвигающее устройство, содержащее регистратор фазового сдвига, последовательно соединенные первый усилитель с регулируемым коэффициентом усиления

:и первый сумматор, инвертор и пере62 тель, пятый сумматор, пятый усилитель и первый сумматор соединен с выход первого усилителя и с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого. соединен с выходом четвертого усилителя, а выход четвертого сум" матора через последовательно соединенные четвертый инвертор, десятый усилитель, шестой сумматор и восьмой усилитель соединен с вторым входом седьмого сумматора, йри этом второй вход шестого сумматора через посМедовательно соединенные девятый усилитель.и третий сумматор соединен с первым, входом второго сумматора и через пятый инвертор с выходом третьего усилителя, выход второго усилителя соединен с вторыми входами второго. и третьего сумматоров, а выход второго сумматора через шестой усилитель со« единен с вторым входом пятого сумма" тора.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство. содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пя- тый 5, шестой 6, седьмой 7, восьмой 8, девятый 9 и десятый 10 чситулта-. ли, коэффициент усиления которых ре" гулируется посредством переключателей (не показанных )по закону синуса у четных и по закону косинуса у нечетных номеров усилителей.

При этом устройство содержит первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 14, пятый 15, шестой 16 и седьмой 17 сумматоры, блок 18 постоянного фазового сдвига, первый 19, вто" рой 20; третий 21, четвертый 22 и пятый 23 -инверторы, а также переключатели 24 и 25.

В устройстве имеется регистратор 26 фазового сдвига, который выполнен а виде трех групп 27-29 взаимосвязанных кнопок и двух отдельных кнопок 30 и 31. При этом первая группа 27 кнопок проградуирована, .например, в десятых долях фазового угла, вторая группа 28 кнопок - в единицах фазового угла, третья группа 29 кнопок " в десятках фазового угла. Первая отдельная кнопка 30 имеет градуироаку 90 . а вторая отдельная кнопка 31 предназначена для измерения фазовых сдвигов,: больших 180о, и имеет соответствующую этому градуироаку. Первая группа, 27 кнопок механически связана с переключателем, регулирующим коэффициенты усиления первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 усилителей.Вто3 10193 клочатель, дополнительно введены второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый усилители с регулируемыми коэффициентами усиления по закону синуса у чет.ных номеров усилителей и по закону 5 косинуса у нечетных номеров усилителей, второй, третий, четвертый, пятый< шестой и седьмой сумматоры, блок:постоянного фазового сдвига, второй, третий, четвертый и пятый .инверторы, а также второй переклю чатель, причем регистратор Фазового

Iñäâèãa выполнен в виде трех rpynn взаимоааяэанных кнопок и двух отдельных кнопок, при этом первая группа 1S кнопок проградуироаана в десятых долях фазового угла, вторая группа кнопок - в единицах фазового угла, третья группа кнопок - s десятках фазового угла, при этом первая от- 20 дельная кнопка имеет градуировку

90, а вторая отдельная кнопка180О, первая группа кнопок механически связана с первым, вторым, третьим. и четаертык усилителями с регулируемыми коэффициентами усиления, вто. рая гщюпа кнопок механически связана соответственно с пятым, шестым, девятым и десятым усилителями, с регу" лируемыми коэффициентами усиления, третья rpynna кнопок механически связана с .седьмым и восьмым усилителями, а первая отдельная кнопка механически связана с первым- переключателем, первый подвижный контакт которого соединен с входами первого и второго усилителей, второй подвижный контакт - с входами третьего и четвертого усилителей,,а первый неподвижный контакт - непосредственно с входом устройства и через первый инаертор— с вторым неподвижным контактом, а третий неподвижный контакт - с выходом блока постоянного фазового сдвига, вход которого соединен с входом устройства и через второй инвертор с чет- 45 вертым неподвижным контактом, при этом выход устройства соединен с подвижным контактом второго переключа-. теля, механически связанного с второй отдельном кнопкой .регистратора фазовых сдвигов, первый неподвижный контакт второго переклочателя соединен

/ с выходом седьмого сумматора непосредственно, а второй неподвижный кон- такт - с Выходом седьмого сумматора 55 через третий инвертор, при этом первый вход седьмого сумматора через последовательно соединенные седьмой усили"

Ц =Я э1п (Mt+9 =А„(siiпvut cos fg++

+amos (Ut S п Ч г) . (2-) 5 101936 рая группа кнопок 28 механически связана с переключателем, регулирующим коэффициенты усиления пятого 5, шестого 6, девятого 9 и десятого 1О усилителей. Третья группа 29 кнопок механически связана с переключателем, регулирующим коэффициенты усиления седьмого 7 и восьмого 8 усилителей, а первая отдельная кнопка 30 механически связана с переключателем 24, що .первый подвижный контакт 32 которого: соединен с входами первого 1 и,второго 2 усилителей, второй подвижный контакт 33 - с входами третьего 3 и ! четвертого 4 усилителей. 15

Первый неподвижный контакт 34 переключателя 24 соединен непосредственно с входом 35 устройства и через первый инвертор 19 с вторым неподвижным контактом 36 этого пере- 2о, ключателя, а третий неподвижный кон: такт 37 соединен с выходом блока 18 постоянного фазового сдвига, вход которого соединен с входом 35 устройства и через второй инвертор 20 с И четвертым неподвижным контактом 38 переключателя 24. Выход устройства 29 соединен с подвижным контактом 40 переключателя 25, механически связан" ного с второй отдельной кнопкой 31 зп регистратора 26 Фазовых сдвигов. Первый неподвижный контакт 41 переключателя 25 соединен с выходом седьмого сумматора 17 непосредственно, а вто-рой неподвижный контакт 42 соединен с выходом седьмого сумматора 17 че"

35 рез третий инвертор 21. Первый вход седьмого сумматора 17 через последовательно соединенные седьмой усилитель 7, пятый сумматор Т5, пятый усилитель 5 и первый сумматор l1 соединен с выходом первого усилителя 1 и с первым входом четвертого сумматора 14, второй вход которого соеди" нен с выходом четвертого усилителя 4.

Выход четвертого сумматора 14 через последовательно соединенные чет. вертый инвертор 22, десятый усилитель 10, шестой сумматор 16 и восьмой усилитель 8 соединен с вторым вхою дом седьмого сумматора 17. Второй вход шестого сумматора 16 через последовательно соединенные девятый усилитель 10 и .третий сумматор 13 соединен с первым входом второго сумматора 12 и через пятый инвертор 23 с выходом третьего усилителя 3. Выход второго усилителя 2 соединен с вторыми входами второго 12 и треть2 d его 13 суммат. ров, а выход второго сумматора 12 .через шестой усилитель 6 соединен с вторым входом пятого сумматора 15 °

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал U = А singlet в ви1 1 де синусоидальных электрических колебаний подается на вход 35 устройства. Благодаря наличию блока 18 постоянного фазового сдвига, равного

90, этот сигнал на выходе блока 18 преобразуется в сигнал электрических колебаний косинусоидальной формы 02 -"

А.1 со ЯОЙ .

Принцип фазового сдвига сигнала на выходе устройства основан на суммировании указанных сигналов 0

= А sinut и U2 = А„costvt с различны1 ми коэффициентами усиления, изменяющимися в зависимости от требуемого угла Фазового сдвига по нелинейному закону.

Остановимся на этом несколько подробнее. Известно, что если имеется гармонический сигнал 01 = А„з1псой и его необходимо сдвинуть по фазе на угол Р, то сдвинутый сигнал U2 равен U> = A sin(mt+9<) (1). Сдвинутый сигнал U2 можно представить в виде суммы нескольких сигналов, каждый из которых изменяется функционально изменению либо аргумента ш - часто" ты гармонических колебаний, либо аргумента Y - угла фазового сдвига, а именно

Для того, чтобы. реализовать эту зависимость, необходимо получить сигнал, пропорциональный созе, умножить. его на синал, пропорциональный синусу заданного угла Р, и просуммировать его с сигналом, пропорциональным косинусу заднного угла ф, умноженному на входной сигнал, пропорциональный sin mt °

Однако использование для этого блоков умножения, которые в настоящее время являются достаточно сложны ми и недостаточно точными, привело бы к уменьшению точности и усложнению устройства. Поэтому в предлагаемом устройстве блоки умножения отсутст-. вуют, а их роль выполняют усилители,коэффициенты усиления которых изменя-. ются либо по закону синуса, либо по

62 . 8

6 и десятого 10 усилителей по закажу синуса от угла . 2, седьмого 7 уси лителя - по закону косинуса 9 и восьмого 8 усилителя - по закону еинуса от угла - . Изменение коэффициентов усиления укаэанных усилителей производится при помощи нажатия соответствующей кнопки регистратора 26 фазового сдвига, в котором группа кнопок 27 соответствует десятцм долям фазового, угла, группа кнопок 28единицам фазового угла, группа кно-„ пок 29 - десяткам фазового угла.

Для получения фазового сдвига боль" ше 90в включается отдельная кнопка 2б а для получения фазовых сдаиюв больших 180 - вторая отдельная. кнопка 31.

Включение кнопок 26 и 31 изменяет соответствующим образом коммутацию иие" ющихся в схеме усилителей, сумматоров .и инверторов для получения необходимых математических зависимостей..

Изобретение позволяет сократить время установки фазового угла, т.е. повысить быстродействие, с 300 с .до.

3 с s диапазоне частот киже 0,01. Гц, расширить диапазон частот, особенно в области инфранизких частот, до час" тот порядка 0,0001 Гц и ниже, а так"we увеличить точность установки фазового угла с 103 у известного до

0,13 у предлагаемого устройства..

Объясняется это тем, что при нажатии соответствующей .кнопки фазовый сдвиг на выходе предлагаемого уст.ройства получается практически мгновенно и без каях"либо перерегулирований благодаря тому, что в схеме уст ройства полностью отсутствуют электрические конденсаторы, которые имеется в известном устройстве.

При этом точность фазового угла определяется только коэффициентами усиления усилителей 1-10, которые при использовании высокоточных резисторов можно выполнить с большой точностью до 0,013, например при ис.-. пользовании резисторов типа С5-548.

Построение регистратора. фазового сдвига в виде нескольких групп кнопок, взаимосвязанных межд собой, благодаря которым осуществляется дискретное изменение коэффициЕнта усиления усилителей, повышает чувствительность. и точность устройства во всем диапазоне фазовых углов от .0,1 до 360©.

7 ° . 10193 закону косинуса от величины заданного угла фазового сдвига .Y+.

Таким образом, зависимость U =

М -(8<0(64 соз9 +созы 1п ф 1 пре разуется благодаря электрической схеме устройства в зависимости вида U А.

2 "7

o(siswt«+cosIalt«Д где К, являетI ся коэффициентом усиления усилителя te и изменяется по закону синуса от угла (К - 81 и Yg ),.a- К является .коэффициентом усиления другого усилителя и изменяется по .закону косинуса от угла.,);("2 =сов У ) °

Для того, чтобы повысить точносгь и чувствительность устройства, полный фазовый угол Ч ; представляется-, например, в виде суммы трех слагаемйх.

У =.У„+ + 9з .: -: щ

При этом 9 соответствует десятым доЛям заданного угла фазового сдвига, Чу - единицам угла фазового сдвига, а Ч - десяткам угла фазового сдвига..

В -этом случае формула 2, харак." териэующая изменение сигнала на выходе устройства, имеет следующим вид

U =A sin(wt+<<) =A<(sicwt cos

«{ т +т +(i )+coswt sill (Ч„ттт +т ll=

=4 ГsinмВees 9 сж Ч oosЧ.—

П 1 2 .Э. - 54п ш Ф, 91тъЧ 81й Ч2 cos .

2 ъ

«МпЮ с;оэ,Ч s4n9 -эМмФ,соз Ч

« 91<% S15Ч + GO3Edt Sitl 9 CQS 1 :те

3 2

xcos× +oos М.aos× зе g созе -+

3 1 Я 3 . +бЬЗ Ш1 СОЭ Ч СОЗЕ 51П "Р - @OS CO% ее

-1:. 2 3 х еФП f етл т2 е(л VS)

Эта зависимость реализуется йред-: . лагаемым устройством. Блок постоянно-.го фазового сдвига формирует сигнал . сдвинутый на 90о по фазе по отношению к входному сигналу, т.е. сигйал U> А„созмб. Этот сигнал поступает через йереключатель,24 на вход тре- тьего 3 и четвертого 4 усилителей и вход второго инвертора 20.

При этом коэффициенты усиления я первого 1 и третьего 3 усилителей из. меняются по закону косинуса от угла

- Ч1, второго 2 и четвертого 4 усилителей - no закону синуса от угла 9 ;

1« пятого 5 и девятого 9 усилителей - по >> . закону косинуса от угла, шестого

10193б2 гу

1 га) 1

Составитель А. Старостина

Редактор В. Данко Техред С Мигунова Корректор Д

Заказ 3695/39 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1130Я Иосква «ЖЯ, Раушская наб. 8. 4/$

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, ч