Цифровой экстремальный мост переменного тока

(51) 4 Г 01 К 17/ АНИЕ ОБРЕТЕ ВТОРСКОМ ИДЕТЕЛЬСТВ примных о ст- шео тт ) тричем Ь = й Р ния Цт, соотОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИРИ ГКНТ СССР(71) Институт электродинамики АН УССР (72) Ф,Б.Гриневич, З,Я.Монастырскийи А,А;Иупта(56) Новик А.И, Системы автоматического уравновешивания цифровых экстре мальных мостов переменного тока. Киев: Наукова думка, 1983Авторское свидетельство СССР Р 600456, кл, С О 11 17/1 О, 1975.(54) ПИАРОВОЙ ЭКСТРЕМАЛЫ 1 ЫЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти ение при построении высокоточ стремальных мостов переменног Цель изобретения - повышение быродействия измерений за счет уменьния длительности переходных процессво входных избирательных каскадахэкстремум-детектора,На Аиг, 1 показана функциональнаясхема предлагаемого цифрового экстрмального моста переменного тока; нафиг.2 - векторные диаграммы напряжений на выходе мостовой измерительнцепи и на входе экстремум-детекторапри положительном напряжении неравнвесия по вспомогательному (нерегулируемому) параметру с 1.На Аиг,2 11,О, ие(составляющая йапряжеве(57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначенодля применения в мостах переменноготока. Цель изобретения - повышениебыстродействия - достигается путемвведения Аазовращателя, квадратурного детектора, ключа и двух логических элементов ИСКЛВЧАРЯЕЕ ИЛИ, совокупность Аункционирования которыхчастично или полностью устраняет вли-яние изменения Аазы сигнала неравновесия при переходе через точку минимума и, как следствие, увеличиваетбыстродействие измерения комплексного сопротивления и проводимости. 2 ил. ствующая неравновесию по регулируемому параметру р; 11 = 1 (6) - составляющая напряжения 11, соответствующая неравновесию по параметруТочка 0 соответствует равновесию мостовой измерительной цепи. Точки А, В, С и П соответствуют модуляционным,Ииприращениям -Ьр, Ь р, +Ьр 1 -АРЦиАровой экстремальный мост переменного тока содержит первый 1 и второй 2 логические .элементы И, пять модуляторов 3-7 приращений параметра р тисоответственно -Ар" , + р, От ЬР +)1 р , триггер 8 реверса, одновибратор 9, подключенный к выходу тактового генератора 10. Прямой и инверсный выходы триггера 8 реверса соединены с одними из входов логических элементов И 1 и 2 и входами модуляторов 3 и 7. Вторые входы элементов И 1 и 2 соединены с прямым выходом одновиб 1479882ратора 9, инверсный выход которого подключен к входу модулятора 5. Входы модуляторов 4 и 6 соединены соответственно с выходами элементов И 1 и 2. Выходы иодуляторов 3-7 подключены к входам сумматора 11, с одним из входов которого соединен также выход делителя 12 напряжения, Генератор 13 питания подключен к входу мостовой измерительной цепи 14, второй вход которой соединен с выходом сумматора 11, а ее выход - с входами фазовращателя 15 и ключа 16, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя 15, а выход - с входом экстремум- детектора 17, Вход управления экстремум-детектора 17 подключен к выходу тактового генератора 10, его выход положительных приращений - к счетному 20 входу триггера 8 реверса, а выход отрицательных приращений - к счетному входу реверсивного счетчика 18 импульсов, выход которого подключен к входу делителя 12 напряжения. Вход квадратурного детектора 19 соединен с выходом мостовой измерительной цепи 14, а его опорный вход - с выходом генератора 13 питания. Выход детектора 19 соединен с однии из входов З 0 второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20, второй вход которого подключен к выходу первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, а выход - к управляющему входу ключа 16, Входы элемента 21 соединены с прямыми выходами триггера 835 реверса и одновибратора 9. Выходы триггера 8 реверса подключены также к управляющим входам счетчика 18. 40Устройство работает следующим образом.От генератора 13 питания на вход измерительной цепи 14 подается переменное напряжение или ток, благодаря чему на выходе этой цепи появляется сигнал, частота которого совпадает с частотой генератора, а амплитуда и фаза определяются состоянием модуляторов 3-7 и делителя 12 напряжения. Тактовый генератор 10 периодически возбуждает одновибратор 9, который совместно с триггером 8 управляет работой модуляторов. Если одновибратор находится в невозбужденном состоянии (сигнал логического нуля на его прямом выходе), то модуляторы 4 и 6 выключены потенциалами "0" с выходов элементов И 1 и 2, а модулятор 5 включен потенциалом "1" с инверсного выхода одновибратора 9. В возбужденном состоянии одновибратор 9 включает один из модуляторов 4 или 6 (в зависимости от состояния триггера 8) и отключает модулятор 5. Один из модуляторов 3 и 7, управляемых триггером 8 реверса, включен постоянно.Модуляционные приращения "вырабатываемые модуляторами 3-7 соответственно, равны -Ар ; +Ьр ; 0; -Ьр ; +ЬРил причем Ьр" составляет Е 2 шагов регулирования, а Ер - (21 + 1) шагов. Включение модуляционных приращений +др" модуляторами 3 и 7 всегда противоположно направлению счета реверсивного счетчика 18, устанавливаемого триггером 8 реверса. Модуляционные же воздействия +Ар, формируемые модуляторами 4 и б во время действия импульсов одновибратора 9, совпадают с направлением счета. Поэтому на время действия импульсов одновибратора осуществляются модуляционные воздействия в установленном направлении, составляющие (21+1) шагов регулирования. Модулированный по амплитуде и фазе сигнал неравновесия мостовой цепи 14 через фазовращатель 15 и ключ 16 или непосредственно через ключ 16 поступает на экстремум-детектор 17, который определяет приращения амплитуды сигнала неравновесия, Приращения фазы этого сигнала экстремум-детектором согласно принципу его действия не анализируются, поэтому наличие фазовращателя 15 и,ключа 16 не нарушает работы экстремум-детектора, а только позволяет уменьшить длительность переходных процессов, вызванных модуляционными воздействиями.Если модуляционные приращения в (2 Е+1) шагов регулирования вызывают увеличение амплитуды сигнала неравновесия, что свидетельствует о неправильно выбранном направлении регулирования, то экстремум-детектор 17 формирует импульс на выходе положительных приращений, который поступает на счетный вход триггера 8 реверса и меняет его состояние и направление счета реверсивного счетчика на противоположное. Следующее модуляционное приращение, осуществляемое в противоположном направлении, вызывает уменьшение амплитуды сигнала неравновесия и появление нипупьса на выходе отри- нательных приращений экстремум-детек 5 14 тора 17, который поступает на счетный вход реверсивного счетчика 18. Реверсивный счетчик 18 импульсов управляет делителем 12 напряжения, поэтому изменение показаний счетчика приближает измерительную цепь 14 к состоянию равновесия, Вдали от точки равновесия на крутом участке параболической зависимости амплитуды сигнала неравновесия от регулируемого параметра модуляционные воздействия в (21+1) шагов вызывают весьма существенные амплитудные приращения. Определение знака этих приращений можно осуществлять безошибочно независимо от фазовых искажений и задолго до окончания переходных процессов в экстремум- детекторе 17. По мере приближения к состоянию равновесия амплитудные приращения уменьшаются, а фазовые возрастают.Из векторной диаграммы (фиг.2) напряжений неравновесия при Ь(0 видно, что модуляционное приращение +Ьр вызывает переход конца вектора сигнала неравновесия из точки А в точку Б, т,е. поворот этого вектораона угол, близкий к 90 , и незначительное приращение его амплитуды. Для достоверной оценки знака этого приращения необходимо, чтобы переходные процессы в экстремум-детекторе 17 практически завершились, Если на вход экстремум-детектора 17 подается вектор разности АВ, как это имеет место в устройстве-прототипе, то длительность переходного процесса весьма существенна. Р предлагаемом устройстве благодаря наличию фазовращателя 15, квадратурного,гетектора 19, ключа 16 и элементов ИСКЛЮЧАКЦЕЕ ИЛИ 20 и 21 одновременно с модуляционным воздействием осуществляется поворот вектора(.,О сигнала неравновесия на угол 9 = 90 (переход из точки В в точку Б ). Всамом деле, при отсутствии модуляционного воздействия (сигнал "0" на прямом выходе одновибратора 9) и выбранном направлении регулирования в сторону увеличения показаний (сигнал "1" на прямом выходе триггера 8) на выходе элемента 21 присутствует сигнал "1". При этом на выходе квадратурного детектора 19 действует напряжение П(0 ("1"). Элемент 20 работает как инвертор выходного сигнала элемента 21. Сигналы "1" с выходов пеэвого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 2179882 6 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 и квалратурного детектора 19 поступают на входы второго элемента СЕЛ 1- ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 и устанавливают на его выходе сигнал "О", который при помощи ключа 16 замыкает выход мостовой измерительной цепи 14 на дод экстремум-детектора 17 (вектор ОА). При возбуждении одновибратора 9 на выходе первого элемента 21 возникает сигнал "0", а на выходе второго элемента 20 - сигнал "1", который посредством ключа 16 подклю(ает к входу экстремум-детектора 17 выход фазовращателя 15 (вектор ОГ 1, Модуль век - е (тора разности АВ существенно уменьшается по сравнению с модулем А 3 и соответствует одному шагу регулирования.Изменение сигнала неравновесия на выходе измерительной цепи 14 при модуляционном воздействии -р соответствует на векторной диаграмме переходу с точки С в т, О. Однако, так как до модуляционного воздействия (сигналы "0" на прямых выходах триггера 8 и одновибратора 9) вход экстремум-детектора 17 подключен к вы - ходу фазовращателя 15 (сигналом "1" с выхода элемента 20) и на время этого воздействия его вход подключается к выходу мостовой цепи 14, то изменение сигнала соответствует переходу из т, С (совпадает с т. А) в т. Р.( Модуль вектора разности С 0 и в этом случае соответствует одному шагу регулирования.Прн неравновесии по вспомогательному (нерегулируемому) параметру Я, соответствующему отрицательному напряжению У сО, на выходе квадратурного детектора действует сигнал низкого уровня ("О"), поэтому элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 работает как повторитель выходного сигнала элемента 21. Теперь при модуляционном воздействии +дрвход экстремум-детек- .Фтора переключается с выхода фазовращателя на выход измерительной цепи, а при модуляционном воздействии --ар - в противоположном направлении. Векторная диаграмма, представленная во втором квадранте (фиг,2) для случая Ь ) 0 повторяется при У с. 0 в четвертом квадранте, а векторные разности также существенно уменьшаются. В предложенной схеме квадратурный детектор 19 определяет только знак сигнала неравновесия попараметру о, который составляет ктому же не один, а 5-7 и более шаговрегулирования. Ноэтому, по сравнениюс фазовыми детекторами известных мостов,. здесь требования в отношенииточности и стабильности его работымогут быть существенно снижены.Пусть приращение амплитуды сигнала неравновесия, соответствукеее одному шагу регулирования, равно ЬУ.Определим длительность й переходного процесса в избирательном каскадеэкстремум-детектора иэ условия 1020 Х погрешности.ИмеемаЬБе = 0,1-0,240,откудае = 1,6-2,М.Сравнивая полученное значение свыражением , = 3,9-5,3 ь, для прототипа, видим, что предлагаемое техническое решение позволяет примернов 2,5 раза по сравнению с прототипомуменьшить длительность переходныхпроцессов.Длительностью переходных процессовопределяется выбор частоты следования импульсов тактового генератора(ритм уравновешивания) и, следовательно, время измерения. Поэтому можно заключить, что быстродействие из",мерений предлагаемого цифрового экстремального моста переменного тока,благодаря введению фазовращателя,ключа, квадратурного детектора и двухлогических элементов ИСКЛЮЧАПЕЕ ИЛИ,повышается в 2,5 раза.Формула изобретенияЦифровой экстремальный мост переменного тока, содержащий генератор питания, мостовую измерительную цепь, экстремум-детектор, выходы которого соединены со счетным входом реверсивного счетчика импульсов и входом уп 25 30 повьюения быстродействия измерений,в него введены фазовращатель, квадратурный детектор, ключ, первый и второй элементы ИСКЛ 1 ОЧАИПЕЕ ИЛИ, первый и второй входы первого из которых соединены с соответствующими прямыми выходами триггера реверса и одновибратора, выход - с первым входом второго элемента ИСКЛИЧА 1 ЖЖЕ ИЛИ, выход которого соединен с управляющим вхо дом ключа, а второи вход - с выходомквадратурного детектора, опорный вход которого соединен с.выходом генератора питания, а вход - с выходом мостовой измерительной цепи, первым входом ключа и входом фазовращателя, выход фазовращателя соединен с вторым входом ключа, выход которого соединен с вторым входом экстремум-детектора. 5 10 15 20 равления триггера реверса, пять мо" дуляторов, выходы которых соединены с соответствующими пятью входами сумматора, выход сумматора соединен с первым входом мостовой измерительной цепи, второй вход которой соединен с выходом генератора питания, тактовый генератор, первый выход которого сое" динен с первым входом экстремум-детектора, второй - с входом одновибратора, инверсный выход которого соединен с входом первого модулятора, а неинверсный выход - с первыми входами первого и второго элементов И, второй вход первого элемента И соединен с входом второго модулятора и прямым выходом триггера реверса, инверсный выход которого соединен с вторым входом второго элемента И и с входомтретьего модулятора, делитель напряжения, вход которого соединен с вы" ходом реверсивного счетчика, а выход - с шестым входом сумматора, при этом выход первого элемента И соединен с входом четвертого модулятора, а выход второго элемента И соединен с входом пятого модулятора, о т л ич а ю щ и й с .я тем, что, с цельюедакт Подписно здательский комбинат "П водстве Заказ 2539(44 Тираж 714ВНИИПИ Государственного комитета по изо113035, Иосква, Ж, Р етениям и открытиям при ГКНТ СССшская наб., д. 4/5 тент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10