УСТРОЙСТВО СДВИГА ФАЗЫ НА 90 ГРАДУСОВ

УСТРОЙСТВО СДВИГА ФАЗЫ НА 90 ГРАДУСОВ


RU (11) 2141673 (13) C1

(51) 6 G01R25/04 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1999.11.20 
(21) Регистрационный номер заявки: 97119410/09 
(22) Дата подачи заявки: 1997.11.21 
(45) Опубликовано: 1999.11.20 
(56) Аналоги изобретения: SU 1800386 A1, 07.03.93. SU 1511705 A1, 30.09.89. US 4581595 A, 08.04.86. DE 2856012 A2, 26.06.80. DE 3512405 A2, 31.10.85. 
(71) Имя заявителя: АОЗТ Научно-производственная фирма "Прорыв" 
(72) Имя изобретателя: Рожнов Е.И. 
(73) Имя патентообладателя: АОЗТ Научно-производственная фирма "Прорыв" 
(98) Адрес для переписки: 140160, Жуковский-4 Московской обл., а/я 304 АОЗТ НПФ "Прорыв" 

(54) УСТРОЙСТВО СДВИГА ФАЗЫ НА 90 ГРАДУСОВ 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в прецизионных метрологических приборах, а также в счетчиках реактивной электрической энергии в электросетях. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности поддержания равенства амплитуд входного и выходного напряжений при воздействии дестабилизирующих факторов и разбросе параметров применяемых элементов. Устройство содержит включенные последовательно регулируемые фазовращатель (РФ) и усилитель (РУ), усилитель-ограничитель (УО), логическую схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, дифференциальный интегратор (ДИ), подключенный к управляющему входу РФ, вход которого, являясь входом устройства, связан с входами второго УО, связанного с вторым входом указанной логической схемы, и входом первого выпрямителя, выход которого связан с входом второй логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и входом второго ДИ, второй вход которого через второй выпрямитель связан с выходом РУ, второй вход которого связан с выходом второго ДИ, а второй вход второй логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ связан с выходом первой, а выход - с вторым входом первого ДИ. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в прецизионных метрологических приборах, а также в счетчиках реактивной электрической энергии в одно- и трехфазных электросетях.

Известно устройство для сдвига фазы на 90 градусов (см. AC SU N 1511705 МКИ G 01 R 25/04, 1988 г.), содержащее фазосдвигающий элемент, фазовый детектор и интегратор, вход которого соединен с выходом фазового детектора, один из входов которого подключен к входу фазосдвигающего элемента, являющегося входом устройства, а также управляемый по модулю и знаку коэффициента передачи делитель напряжения и сумматор, выход которого является выходом устройства и связан с вторым входом фазового детектора, а вход сумматора - соответственно с выходом фазосдвигающего элемента и делителя напряжения, вход которого соединен с входом фазосдвигающего элемента, а управляющий вход - с выходом интегратора.

Известное техническое решение не обеспечивает равенства амплитуд входного и выходного напряжений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство сдвига фазы на 90 градусов (см. АС SU N 1800386 МКИ G 01 R 25/04, 1991 г.), содержащее последовательно соединенные фазовращатель, первый сумматор и регулируемый усилитель, а также регулятор по фазе, состоящий из последовательно соединенных первого фазового детектора, первого интегратора и управляемого делителя напряжения, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, причем вход системы связан с входом фазовращателя и с вторыми входами управляемого делителя напряжения и первого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а также регулятор по амплитуде, состоящий из последовательно соединенных второго фазового детектора и второго интегратора, выход которого подключен к управляющему входу регулируемого усилителя, выход которого является выходом системы, кроме того, вход и выход системы подключены соответственно к первому и второму входам второго и третьего сумматоров, выходы которых связаны соответственно с первыми и вторыми входами второго фазового детектора.

Недостатком известного технического решения является то, что высокая точность поддержания равенства амплитуд входного и выходного напряжений в таком устройстве может быть получена только при условии абсолютной идентичности амплитудных и фазовый характеристик сумматоров входных и выходных напряжений устройства в цепи регулировки амплитуды.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем жесткой стабилизации сдвига фаз и повышения точности поддержания равенства амплитуд входного и выходного напряжений устройства при воздействии дестабилизирующих факторов и при разбросе параметров применяемых элементов.

Широкие функциональные возможности обеспечиваются тем, что в устройство сдвига на 90 градусов, содержащее фазовращатель, вход которого является входом устройства, два интегратора и регулируемый усилитель, выход которого является выходом устройства, введены следующие дополнительные связи и элементы, а именно фазовращатель выполнен регулируемым, а интеграторы - дифференциальными, вход и выход устройства через первый и второй усилители-ограничители соединены раздельно с входами первой логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которой соединен с одним из входов второй логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и одним из входов первого дифференциального интегратора, второй вход которого соединен с выходом второй логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а выход соединен с управляющим входом регулируемого фазовращателя, причем второй вход второй логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом первого выпрямителя, вход которого соединен с входом устройства, а выход дополнительно соединен с одним из входов второго дифференциального интегратора, второй вход которого через второй выпрямитель соединен с выходом устройства, а выход второго дифференциального интегратора соединен с управляющим входом регулируемого усилителя, сигнальный вход которого соединен с выходом регулируемого фазовращателя.

Сущность изобретения заключается в использовании двух взаимонезависимых следящих цепей обратной связи по фазе и амплитуде с высоким коэффициентом усиления, что позволяет с высокой степенью точности поддерживать заданную величину сдвига фаз и равенства амплитуд входного и выходного напряжений устройства при воздействии дестабилизирующих факторов без особых требований к разбросу параметров входящих в устройство элементов.

Сравнение предлагаемого технического решения с другими техническими решениями (см. патенты US N 4492927 НКИ 330-9 Схема компенсации ухода напряжения, N 4581595 НКИ 333-139 Фазосдвигающая схема с минимальной пульсацией амплитуды, патент GB N 2121191 МКИ G 01 R 23/00 Фазочувствительный детектор, патенты DE N 2856012 НКИ H 03 H 7/18 Фазосдвигающая схема включения и способ ее применения, N 3512405 МКИ H 03 F 1/34 Схема для формирования управляемого подаваемым входным сигналом выходного сигнала, патенты IP N 38849/80 МКИ H 03 H 11/12 Усилитель с выравниванием частотной характеристики сигнала, N 45866/80 МКИ G 01 R 25/10 Устройство для измерения частоты, N 40681/82 МКИ H 03 H 1/50 Устройство для преобразования частотной модуляции в амплитудную модуляцию, N 49727/84 МКИ H 03 H 1/20 Регулирующий фазовращатель, N 8949/86 МКИ G 01 R 23/06 Преобразователь частоты в напряжение; авторские свидетельства SU N 135740 МКИ H 03 H 7/18 Фазовращатель-корректор для счетчика программного управления, N 181156 МКИ G 01 R 25/00 Устройство для измерения разности фаз, N 182764 МКИ H 03 H 7/20 Способ компенсации уходов фазы сигналов в узкополосном фильтре, N 224670 МКИ G 01 R 25/00 Образцовое фазозадающее устройство для широкой полосы частот, NN 243705, 243707 МКИ G 01 R 25/00 Потенциометрический фазовращатель, N 246666 МКИ G 01 R 25/00 Квадратурный фазовращатель инфранизкой частоты, N 247404 МКИ G 01 R 25/00 Квадратурное фазосдвигающее устройство следящего типа, NN 304860, 461684 МКИ G 01 R 25/04 Образцовое фазосдвигающее устройство на диапазон инфрачастот, N 359613 МКИ G 01 R 25/00 Широкодиапазонное квадратурное фазосдвигающее устройство, N 363185 МКИ H 03 H 7/18 Устройство для устранения фазовых сдвигов, N 392422 МКИ G 01 R 25/00 Фазовращатель для диапазона углов 0-90 градусов, N 415603 МКИ G 01 R 25/00 Устройство для индикации 90 градусного фазового сдвига между синусоидальными напряжениями, N 448399 МКИ G 01 R 25/00 Квадратурный фазорасщепитель, N 512561 МКИ H 03 H 7/18 Фазосдвигающее устройство, N 579689 МКИ H 03 H 7/18 Устройство для сдвига фаз на 90 градусов, N 603093 МКИ H 03 H 7/18 Способ сдвига фаз, N 980249 МКИ H 03 H 7/18 Управляющий низкочастотный фазовращатель, N 1054793 МКИ G 01 R 25/04 Способ задания фазовых сдвигов, N 1112311 МКИ G 01 R 25/04 Фазовращатель синусоидальных сигналов, N 1511705 МКИ G 01 R 25/04 Устройство сдвига фаз на 90 градусов, NN 1253307, 1304572 МКИ G 01 R 25/02 Цифровой фазовращатель, N 1236898 МКИ G 01 R 25/00 Способ измерения сдвига фаз двух гармонических сигналов и устройство, N 1334941 МКИ G 01 R 25/04 Управляемый фазовращатель, N 1511705 МКИ G 01 R 25/04 Устройство сдвига фаз на 90 градусов, N 1647448 МКИ G 01 R 25/04 Фазовращатель, N 1661670 МКИ G 01 R 25/04 Электронный фазовращатель, N 1800386 МКИ G 01 R 25/04 Устройство сдвига фаз на 90 градусов, N 2035743 МКИ G 01 R 25/00 Способ определения квадратурных фазовых сдвигов синусоидальных сигналов; Основы фазометрии, Ленинград, Энергия; Журнал "Приборы и техника эксперимента", 1978, N 5, стр. 171, В.С. Батраченко, Цифровые фазовращатели; Журнал "Радиотехника", 1980, т.35, N 4, стр. 25-29, В.И. Козлов, Цифровые фазовые детекторы; В.А. Левин, Синтезаторы частот системой импульсно-фазовой автоподстройки, Москва, Советское радио, 1989) показывает, что предложенное решение обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать цель изобретения.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого технического решения, на фиг. 2 - эпюры напряжения в основных точках устройства.

Устройство сдвига фазы на 90 градусов содержит регулируемый фазовращатель 1, регулируемый усилитель 2, первый 3 и второй 4 усилители-ограничители, первую 5 и вторую 6 логическую схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый дифференциальный интегратор 7, первый 8 и второй 9 выпрямители и второй дифференциальный интегратор 10.

Устройство работает следующим образом.

На сигнальный вход регулируемого фазовращателя 1 поступает синусоидальное напряжение Uвх= Usint (см. фиг.2,а).

При отсутствии управляющего напряжения Uр на регулирующем входе фазовращателя напряжение на его выходе будет равно

Uвых= U(K K)exp[j( )],

где K, - модуль и аргумент коэффициента передачи устройства на рабочей частоте; K, - отклонение модуля и аргумента коэффициента передачи устройства от "идеальных" при воздействии дестабилизирующих факторов.

Отклонение реальных характеристик фазовращателя от расчетных напрямую связано с воздействием следующих дестабилизирующих факторов:

- отклонение частоты входного сигнала от номинальной;

- изменение температуры окружающей среды;

- изменение напряжения питания;

- старение элементов и временной дрейф их параметров;

- технологический разброс параметров элементов фазовращателя;

- другие факторы.

Влияние этих факторов снижается до любого приемлемого значения путем автоматической коррекции модуля и жесткой стабилизации аргумента передаточной функции устройства с помощью специальных взаимонезависимых регуляторов модуля и фазы выходного напряжения.

Рассмотрим принцип работы регуляторов фазы и модуля передаточной функции устройства раздельно.

Регулятор фазы передаточной функции устройства работает следующим образом.

В переходном режиме, например при включении или при воздействии возмущающих и дестабилизирующих факторов, фазовая расстройка велика, и регулятор фазы, состоящий из двух однополярных усилителей-ограничителей 3 и 4, двух логических схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 и 6, первого дифференциального интегратора 7 и первого выпрямителя 8, формирует пропорциональное расстройке регулирующее напряжение Uр, которое, бездействуя на управляющий вход регулируемого фазовращателя 1, обеспечивает сдвиг фаз между входным и выходным напряжением устройства, равным 90 градусов с большой точностью.

При достижении значения, близкого или равного нулю, регулятор фазы переходит в установившийся режим работы, поддерживая строгую ортогональность входного и выходного напряжений устройства.

Эпюры напряжений в основных точках регулятора фазы показаны на фиг.2.

Усилители-ограничители 3 и 4 регулятора производят усиление и ограничение положительной составляющей поступающих на их вход входного напряжения Uа (фиг.2,а) и выходного напряжения Uв (фиг.2,в) устройства.

Логическая схема ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 из выходных напряжений Uб (фиг.2,б) и Uг (фиг.2,г) усилителей-ограничителей 3 и 4 формирует напряжение Uд (фиг.2, д), несущее информацию о фазовой расстройке .

Логическая схема ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 из выходного напряжения Uд логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 и выходного напряжения выпрямителя 8 формирует противофазное Uд напряжение Uе для второго входа дифференциального интегратора 7.

Логические схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ введены в устройство для реализации состояния логического "0" на их выходе при одинаковом состоянии обоих входов и для реализации логической "1" на их выходе при неодинаковом состоянии их входов.

Поэтому при наличии входного напряжения UА на входы первого дифференциального интегратора 7 поступают нормированные по амплитуде противофазные импульсные напряжения Uд и Uе, а при отсутствии входного напряжения Uа напряжение на обоих входах дифференциального интегратора становится равным нулю.

В установившемся режиме (фазовая расстройка = 0 ) парафазные импульсы напряжений Uд и Uе на входах первого дифференциального интегратора имеют одинаковую длительность, следовательно, интеграл разности их напряжений и регулирующее напряжение Uр равны нулю.

В переходном режиме (фазовая расстройка 0 ) противофазные импульсы напряжений на входах первого дифференциального интегратора имеют различную длительность, интеграл разности их воздействий становится больше нуля, т.е. появляется регулирующее напряжение Uр, величина которого пропорциональна фазовой расстройке.

Амплитуда и знак регулирующего напряжения Uр жестко связаны с отношением длительности импульсов, бездействующих на входы дифференциального интегратора 7, и вследствие нормирующего воздействия усилителей-ограничителей 3 и 4 практически не зависит от амплитуд сравниваемых по фазе напряжений, что значительно повышает точность регулирования и расширяет динамический диапазон работы устройства.

Регулятор модуля передаточной функции (амплитудный регулятор) устройства работает следующим образом.

В переходном режиме амплитудная расстройка U (разность по модулю между входным и выходным напряжениями устройства) велика, и амплитудный регулятор, состоящий из двух идентичных первого и второго выпрямителей напряжения 8 и 9 и второго дифференциального интегратора 10, формирует пропорциональное расстройке U регулирующее напряжение Uр, которое, воздействуя на управляющий вход регулируемого усилителя 2, приводит его коэффициент усиления к такому значению, при котором абсолютное значение амплитуды выходного напряжения становится равным абсолютному значению амплитуды входного напряжения с точностью, достаточной для решения большинства метрологических задач.

При достижении U значения, близкого или равного нулю, амплитудный регулятор переходит в установившийся режим работы, поддерживая равенство амплитуд ортогональных напряжений устройства.

Для минимизации ошибки регулирований в амплитудном регуляторе полностью устранено "паразитное" влияние фазовых характеристик сравниваемых по амплитуде напряжений на точность регулирования, в то время как по разности амплитуд U регулятор обеспечивает высокий коэффициент усиления.

С этой целью входное и выходное напряжения устройства предварительно выпрямляются двумя идентичными выпрямителями напряжения 8 и 9, выходные напряжения которых поступают на входы второго дифференциального интегратора 10, обеспечивающего усиление, интегрирование и формирование регулирующего напряжения Uр, амплитуда которого пропорциональна разности амплитуд U входного и выходного напряжений и совершенно не зависит от их фазовых характеристик.

В свою очередь, работа регулятора фазы не зависит от амплитудных характеристик входного и выходного напряжения. Такие качества обоих регуляторов исключают "паразитное" взаимовлияние при одновременной работе, что улучшает точностные характеристики устройства в целом.

В дополнение к этому, жесткая следящая отрицательная обратная связь в сочетании с большим коэффициентом усиления каждого регулятора позволяют обеспечить выходную стабильность работы устройства при воздействии дестабилизирующих факторов, делает его некритичным к разбросу параметров и старению элементов, а самое главное, обеспечивает высокую точность регулирования по фазе и амплитуде.

Устройство обеспечивает сдвиг фаз на 90 градусов с точностью 0,05% и обеспечивает равенство амплитуд входного и выходного напряжений с точностью 0,01% номинального значения. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Устройство сдвига фазы на 90 градусов, содержащее фазовращатель, вход которого является входом устройства, два интегратора и регулируемый усилитель, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что фазовращатель выполнен регулируемым, а интеграторы - дифференциальными, при этом вход и выход устройства через первый и второй усилители-ограничители соединены раздельно с входами первой логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которой соединен с одним из входов второй логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и одним из входов первого дифференциального интегратора, второй вход которого соединен с выходом второй логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а выход - с управляющим входом регулируемого фазовращателя, причем второй вход второй логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом первого выпрямителя, вход которого соединен с входом устройства, а выход дополнительно соединен с одним из входов второго дифференциального интегратора, второй вход которого через второй выпрямитель соединен с выходом устройства, а выход второго дифференциального интегратора соединен с управляющим входом регулируемого усилителя, сигнальный вход которого соединен с выходом регулируемого фазовращателя.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru