Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДОПУСКОВОГО КОНТРОЛЯ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано в устройствах обработки информации, в системах автоматического контроля и регулирования.

Известно устройство [1, стр. 6 - рис. 2], содержащее входной трансформатор, фильтр нижних частот, две измерительных цепи, два формирователя импульсов, фазочувствительный элемент, усилитель, исполнительный орган и блок питания.

Устройство предназначено для контроля частоты на понижение. Для контроля частоты на повышение необходимо подобное устройство РЧ-2 [1, стр. 60]. Оба устройства предназначены для работы в области низких частот (промышленная частота 50 Гц) и имеют значительные массогабаритные показатели.

Известно устройство [2], содержащее первый и второй повторители, выполненные из операционных усилителей, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, первый формирователь стробирующих импульсов, выполненный из первого компаратора и первого одновибратора, второй формирователь стробирующих импульсов, выполненный из второго компаратора и второго одновибратора, первое и второе устройства выборки-хранения, делитель, масштабирующий усилитель и инвертор, включенный между выходом первого повторителя и входом второго формирователя стробирующих импульсов, выход которого соединен со вторым входом второго устройства выборки-хранения, к выходу которого подключен второй вход делителя, первый вход которого соединен с выходом первого устройства выборки-хранения, второй вход которого соединен с выходом первого формирователя стробирующих импульсов, вход которого подключен к выходу второго повторителя, при этом первый резистор включен между входной шиной и входом первого повторителя, выход которого соединен с первым входом первого устройства выборки-хранения, второй конденсатор включен между входной шиной и входом второго повторителя, выход которого соединен с первым входом второго устройства выборки-хранения, а между выходом делителя и выходом устройства включен масштабирующий усилитель, причем первый конденсатор включен между входом первого повторителя и общей шиной, а второй резистор включен между входом второго повторителя и общей шиной.

При подаче на вход устройства гармонического сигнала с амплитудой и частотой, изменяющимися в широких пределах, на выходе устройства формируется напряжение, пропорциональное частоте входного источника, но при этом не осуществляется допусковый контроль частоты входного сигнала.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип формирователь квадратурных сигналов [3], содержащий источник гармонического сигнала, два фазовращателя, каждый из которых выполнен из резистора, конденсатора и операционного усилителя, два формирователя стробирующих импульсов, каждый из которых выполнен из компаратора и одновибратора, два устройства выборки-хранения, два делителя, два ограничителя, два умножителя, два сумматора, два инвертора и компаратор, к выходу которого подключены вторые входы сумматоров и вход второго инвертора, выход которого соединен со вторыми входами умножителей, выходы которых соединены с соответствующими выходами формирователя квадратурных сигналов, при этом между выходом первого фазовращателя и вторым входом второго устройства выборки-хранения включены последовательно соединенные первый инвертор и второй формирователь стробирующих импульсов, между выходом второго фазовращателя и вторым входом первого устройства выборки-хранения включен первый формирователь стробирующих импульсов, первый ограничитель включен между выходом первого делителя и первым входом первого умножителя, между выходом второго делителя и первым входом второго умножителя включен второй ограничитель, компаратор подключен к выходу первого устройства выборки-хранения, а к источнику гармонического сигнала подключены входы фазовращателей, причем выход первого фазовращателя соединен с первым входом первого делителя и первым входом первого устройства выборки-хранения, к выходу которого подключен первый вход первого сумматора, а выход второго фазовращателя соединен с первым входом второго делителя и первым входом второго устройства выборки-хранения, к выходу которого подключен первый вход второго сумматора.

Устройство, формирующее квадратурные гармонические сигналы, не позволяет проводить допусковый контроль частоты входного сигнала.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства и осуществление допускового контроля частоты входного сигнала, частота и амплитуда которого могут изменяться в широких пределах.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем осуществления допускового контроля частоты входного сигнала.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройство допускового контроля частоты, содержащее первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, первый и второй буферные каскады, первый и второй компараторы, первый и второй одновибраторы, первое и второе устройства выборки-хранения, делитель и сумматор, выход которого соединен с первым входом делителя, при этом первый резистор включен между входной шиной и входом первого буферного каскада, второй резистор включен между общей шиной и входом второго буферного каскада, первый одновибратор включен между выходом первого компаратора и вторым входом первого устройства выборки-хранения, второй одновибратор включен между выходом второго компаратора и вторым входом второго устройства выборки-хранения, первый конденсатор включен между общей шиной и входом первого буферного каскада, а второй конденсатор включен между входной шиной и входом второго буферного каскада, причем инвертирующий вход первого компаратора соединен с общей шиной, дополнительно введены формирователь одиночного импульса и выходной формирователь, первый, второй и третий выходы которого соединены с соответствующими выходами устройства допускового контроля частоты, между шиной питания которого и вторым входом сумматора включен формирователь одиночного импульса, при этом выход первого буферного каскада соединен с неинвертирующим входом первого компаратора и первым входом второго устройства выборки-хранения, выход второго буферного каскада соединен с первым входом первого устройства выборки-хранения и инвертирующим входом второго компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, причем к выходу первого устройства выборки-хранения подключен второй вход делителя, выход которого соединен с входом выходного формирователя, а выход второго устройства выборки-хранения соединен с первым входом сумматора.

При этом выходной формирователь может быть выполнен из третьего и четвертого компараторов, логической схемы «НЕ», логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», второго сумматора, источника напряжения смещения, первого и второго источников опорного напряжения, при этом неинвертирующие входы третьего и четвертого компараторов подключены к выходу второго сумматора, логическая схема «НЕ» включена между выходом третьего компаратора и первым выходом выходного формирователя, второй и третий выходы которого соединены с выходами соответственно логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» и четвертого компаратора, инвертирующий вход которого соединен с минусовым зажимом второго источника опорного напряжения, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, к которой подключен минусовой зажим первого источника опорного напряжения, плюсовой зажим которого соединен с инвертирующим входом третьего компаратора, причем плюсовой зажим источника напряжения смещения соединен с общей шиной, а его минусовой зажим - со вторым входом второго сумматора, первый вход которого соединен с входом выходного формирователя, первый и третий выходы которого соединены, соответственно с первым и вторым входами логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ».

Введение дополнительных элементов, а также организация новых связей между функциональными элементами позволили расширить функциональные возможности устройства и осуществить допусковый контроль изменяющейся в широком диапазоне частоты входного сигнала.

Изобретение поясняется структурной схемой устройства допускового контроля частоты, изображенной на фиг. 1, и графиками, поясняющими принцип работы устройства допускового контроля частоты на фиг. 2 и фиг. 3.

Устройство допускового контроля частоты содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 резисторы, первый 3 и второй 4 конденсаторы, первый 5 и второй 6 буферные каскады, первый 7 и второй 8 компараторы, первый 9 и второй 10 одновибраторы, первое 11 и второе 12 устройства выборки-хранения, делитель 13, сумматор 14, формирователь одиночного импульса 15 и выходной формирователь 16, первый, второй и третий выходы которого соединены с соответствующими выходами устройства допускового контроля частоты, между шиной питания которого и вторым входом сумматора 14 включен формирователь одиночного импульса 15, при этом первый резистор 1 включен между входной шиной и входом первого буферного каскада 5, к выходу которого подключены первый вход второго устройства выборки-хранения 12 и неинвертирующий вход первого компаратора 7, инвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а первый конденсатор 4 включен между входной шиной и входом второго буферного каскада 6, к выходу которого подключены первый вход первого устройства выборки-хранения 11 и инвертирующий вход второго компаратора 8, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, между которой и входами первого 5 и второго 6 буферных каскадов включены соответственно первый конденсатор 3 и второй резистор 2, причем выход первого устройства выборки-хранения 11 соединен со вторым входом делителя 13, к выходу которого подключен вход выходного формирователя 16, к выходу второго устройства выборки-хранения 12 подключен первый вход сумматора 14, выход которого соединен с первым входом делителя 13, первый одновибратор 9 включен между выходом первого компаратора 7 и вторым входом первого устройства выборки-хранения 11, а второй одновибратор 10 включен между выходом второго компаратора 8 и вторым входом второго устройства выборки-хранения 12.

Выходной формирователь 16 (фиг. 1) может быть выполнен из третьего 17 и четвертого 18 компараторов, логической схемы «НЕ» 19, логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 20, второго сумматора 21, источника напряжения смещения 22, первого 23 и второго 24 источников опорного напряжения, при этом неинвертирующие входы третьего 17 и четвертого 18 компараторов подключены к выходу второго сумматора 21, логическая схема «НЕ» 19 включена между выходом третьего компаратора 17 и первым выходом выходного формирователя 16, второй и третий выходы которого соединены с выходами соответственно логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 20 и четвертого компаратора 18, инвертирующий вход которого соединен с минусовым зажимом второго источника опорного напряжения 24, плюсовой зажим которого соединен с общей шиной, к которой подключен минусовой зажим первого источника опорного напряжения 23, плюсовой зажим которого соединен с инвертирующим входом третьего компаратора 17, причем плюсовой зажим источника напряжения смещения 22 соединен с общей шиной, а его минусовой зажим - со вторым входом второго сумматора 21, первый вход которого соединен с входом выходного формирователя 16, первый и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 20.

Устройство допускового контроля частоты работает следующим образом.

Повторитель 5, резистор 1 и конденсатор 3 образуют первый неуправляемый фазовращатель (НФ1), а повторитель 6, резистор 2 и конденсатор 4 образуют второй неуправляемый фазовращатель (НФ2).

При подаче на входную шину (фиг. 2), то есть на вход первого и второго неуправляемых фазовращателей, гармонического сигнала

с амплитудным значением A₀ после окончания переходного процесса на выходе НФ1 также устанавливаются гармонические колебания V₁(t) с той же самой частотой ω, но с другой амплитудой A₁ и фазой φ₁

а на выходе НФ2 - гармонические колебания V₂(t)с амплитудой A₂ и фазой φ₂

Фазовый сдвиг φ₁(ω) между выходным V₁(t) и входным N₀(t) колебаниями определяется выражением

а фазовый сдвиг φ₂(ω) между выходным V₂(t) и входным N₀(t) колебаниями определяется выражением

Фазовый сдвиг φ₂₁(ω) между колебаниями V₂(t) и V₁(t)

Из (6) следует, что фазовый сдвиг φ₂₁(ω) между выходными колебаниями V₂(t) и V₁(t) при любых изменениях частоты ω и постоянной времени τ будет неизменным и составлять 90 электрических градусов.

Компаратор 7 и одновибратор 9 образуют первый формирователь стробирующих импульсов (ФСИ1), а компаратор 8 и одновибратор 10 образуют второй формирователь стробирующих импульсов (ФСИ2).

Формирователь ФСИ1 совместно с первым устройством выборки-хранения 11 (УВХ1) образуют первый пиковый детектор (ПД1), а формирователь ФСИ2 и второе устройство выборки-хранения 12 - второй пиковый детектор (ПД2).

Квадратурные гармонические сигналы V₁(t) и V₂(t) подаются (фиг. 2) на входы соответственно первого ПД1 и второго ПД2 пиковых детекторов.

Компаратор 7 формирует из сигнала V₁(t) сигнал K₁(t) прямоугольной формы (фиг. 2), а компаратор 8 формирует из сигнала V₂(t) сигнал прямоугольной формы K₂(t).

Одновибраторы 9 и 10 формируют узкие импульсы T₁ и T₂, поступающие на вторые входы соответственно первого 11 и второго 12 устройств выборки-хранения.

Поскольку время прихода импульсов T₁ и T₂ на входы устройств выборки-хранения 11 и 12 всегда совпадает с максимальными (экстремальными) значениями соответствующих сигналов V₂(t) и V₁(t), поступающими на первые входы устройств выборки-хранения 11 и 12, а длительность управляющих импульсов T₁ и T₂ чрезвычайно мала, то постоянные напряжения E₁ и E₂, формируемые на выходах устройств выборки-хранения 11 и 12, будут в точности равны пиковым (амплитудным) значениям A₁ и A₂ сигналов V₁(t) и V₂(t), то есть E₁=A₁ и E₂=A₂.

Для нахождения амплитудных значений A₁ и A₂ сигналов V₁(t) и V₂(t), а также напряжения E_f на выходе делителя 13 воспользуемся операторным методом. Найдем передаточные функции H₁(s) и H₂(s) соответственно первого и второго фазовращателей.

Передаточная функция

где τ₁ - постоянная времени первого неуправляемого фазовращателя 1; s - комплексная переменная.

Передаточная функция

где τ₂ - постоянная времени второго неуправляемого фазовращателя.

Передаточная функция H₁(s) соответствует инерционному (апериодическому) звену первого порядка, а передаточная функция H₂(s) - реальному дифференцирующему звену.

При τ₁=τ₂=τ передаточная функция

а передаточная функция

Подставив значение комплексной переменной s=jω в уравнения (6) и (7), найдем комплексные частотные функции первого H₁(jω) и второго H₂(jω) неуправляемых фазовращателей

Коэффициент передачи первого неуправляемого фазовращателя (модуль комплексной частотной функции), определяющий изменение амплитуды A₁ сигнала V₁(t) от частоты ω=2πf,

Коэффициент передачи второго неуправляемого фазовращателя

На выходе делителя 13 формируется сигнал

Таким образом, как следует из (15), на выходе делителя формируется напряжение E_f, пропорциональное частоте входного сигнала, которое поступает на вход выходного формирователя 16.

Формирователь одиночного импульса 15 и сумматор 14 необходимы для исключения значительных выбросов напряжения E_f при запуске устройства допускового контроля частоты. В момент запуска (при t=0) на выходе второго пикового детектора напряжение E₁=0 до момента прихода стробирующего импульса T₁. Следовательно, любое напряжение E₂, присутствующее на выходе первого пикового детектора, вызовет значительный кратковременный выброс напряжения E_f (в соответствии с формулой 15), величина которого будет ограничена величиной источника питания активных элементов устройства.

Формирователь одиночного импульса 15 вырабатывает импульс, длительность которого должна несколько превышать длительность «паузы» в формировании напряжения E₁. Таким образом, на выходе сумматора 14 будет сформировано напряжение E₁₁, отличное от нуля, которое подается на второй вход делителя 13 и ограничивает величину напряжения E_f. В том случае если перенапряжение на выходе делителя 13 в пусковом режиме допустимо, то формирователь одиночного импульса 15 и сумматор 14 могут отсутствовать.

Работа выходного формирователя 16 происходит следующим образом.

График изменения напряжения E_f, которое поступает на вход выходного формирователя 16, изображен на фиг. 3. Напряжение смещения E_СМ, подаваемое на второй вход сумматора 21 от источника 22, сдвигает исходную характеристику вниз. В этом случае номинальному значению частоты f₀ входного сигнала N₀ будет соответствовать «нулевой» уровень.

При уходе частоты «вверх» от допустимого значения f_в на первом выходе формирователя 16 вырабатывается сигнал N₁ «ВЫШЕ» в момент сравнения напряжений на входах компаратора 17. Уровень срабатывания компаратора 17 определяется величиной порогового напряжения U₀₁ (фиг. 3), подаваемого на инвертирующий вход компаратора 17 от источника 23. Логическая схема «НЕ» 19 необходима для формирования сигнала N₁ с уровнем логическая «1».

При уходе частоты «вниз» от допустимого значения f_н на третьем выходе формирователя 16 вырабатывается сигнал N₃ «НИЖЕ» в момент сравнения напряжений на входах компаратора 18. Уровень срабатывания компаратора 18 определяется значением порогового напряжения U₀₂ (фиг. 3), подаваемого на инвертирующий вход компаратора 18 от источника 24.

При нахождении частоты f в допустимых пределах (от нижнего значения f_н до верхнего f_в) на втором выходе формирователя 16 с помощью логической схемы «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» 20 будет сформирован (фиг. 3) сигнал N₂ «НОРМА».

Предлагаемое изобретение может быть использовано в различных устройствах обработки информации, в системах автоматического контроля и регулирования радиотехники и связи для допускового контроля частоты входного сигнала, амплитуда и частота которого могут изменяться в широких пределах.

Источники информации

1. Хомяков М.Н. Реле частоты РЧ-1. - М.: Энергоиздат, 1982 г. - 64 с. (Библиотека электромонтера. Вып. 545).

2. Патент РФ №130161, H02M 9/06. Дубровин В.С., Зюзин А.М. Преобразователь частоты в напряжение, заявл. 07.09.2012, опубл. 10.07.2013. Бюл. №19.

3. Патент РФ №127554, H03B 27/00. Дубровин В.С., Зюзин А.М. Формирователь квадратурных сигналов, заявл. 07.09.2012, опубл. 27.04.2013. Бюл. №12 (прототип).