Устройство для контроля амплитудно-фазочастотных характеристик

С 0103 СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕ СКИХРЕСГ 11 БЛИК О н 1 27/2 5 6 ЕТ СВИДЕТЕЛЬСТ К АВТОРСК бретение относится широком диапазоне отных и фазочастотвных и пассивных х разбраковки по Сущность изобретеит генератор синуний, цифровой онный преобразовакоммутатор. 1 ил,электроприборо. Лукаш и Б.Н, Кучер довников А.И. Зкспеение частоты харакских систем, У - Л,Я КОНТРОЛЯ АМПТОТНЬ 1 Х ХАРАКТЕ 11 1Сс (О остигается тем, что ля амплитудно-фаик, содержащее геных колебаний, для подключения индикатор,введещий блок, коммутаГОСУДАРСТсЗЕННЦИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТЛЯМПРИ ГКНТ СССР 21 4901206/2122 09,01,9146 15.09.92. Бюл. К. 3(54) УСТРОИСТВО ДЛЛИТУДНО-ФАЗОЧАСРИСТИК Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано для измерения в широком диапазоне частот амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) активных и пассивных четырехполюсников, их разбраковки по этим характеристикам, а также при разработке контрольно-измерительных комплексов для автоматизированного контроля амплитудно-фазочастотн ых характеристик (АЭЧХ) линейных операционных устройств (фильтров, усилителей и т,д.) систем автоматического управления,Из известных устройстз для контроля амплитудно-фазочастотн ых характеристик наиболее близким по технической сущности является устройство, реализующее способ непосредственного измерения амплитудь 1 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(57) Использование: изо к технике измерений в частот амплитудно-част ных характеристик акт четырехполюсников, и этим характеристикам. ния: устройство содерж соидальных колеба вольтметр, компенсаци тель, вычитающий блок значений входных и выходных напряжении 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 харакеристик,Поставленная цель д в устройство для контро зочастотных характерист нератор синусоидаль соединенный с клеммой входа объекта контроля, и ны аналоговый вычитаютор и компенсационный преобразователь,содержащий последовательно включенныепс кольцевой схеме операционный силитель, неинвертирующий вход которого является входом компенсационного 5преобразователя, диод и включенный посхеме повторителя напряжения второй операционный усилитель, выход ко 1 орого является выходом компенсационногопреобразователя и соединен с инвертирующим входом первого и второго операционных усилителей, запоминающийконденсатор, включенныи между общей шиной и общей точкой соединения неинвертирующего входа второго операционного 15усилителя и анода диода, катод которогосоединен с выходом первого операционного усилителя, параллельно конденсаторувключены последовательно соединенныемежду собой резистор разряда и кнопка 20сброса, причем в качестве индикатора включен цифровой вольтметр, выход генераторасинусоидальных колебаний соединен с инвертирующим входом аналогового вычитэющего блока и с первым входом 25коммутатора, клемма для подключения выхода обьекта контроля соединена с неинвертирующим входом аналоговоговычитающего блока и со вторым входомкоммутатора, третий вход которого соединен с выходом. аналогового вычитающегоблока, а выход коммутатора соединен с входом компенсационного преобразователя,выход которого подключен к индикатору -цифровому вольтметру. 35На чертеже представлена функциональная схема устройства,Устройство содержит генератор 1 синусоидальных колебаний, .соединенный склеммой для подключения входа обьекта 40контроля, а также индикатор 2, например,цифровой вольтметр, аналоговый вычитаю- ,щий блок 3, коммутатор 4, компенсационный преобразователь 5. На чертеже такжеприведен обьект контроля б. Компенсационный преобразователь 5 содержит последовательно включенные по кольцевой схемеоперационный усилитель 7, неинвертирующий вход которого является входом компенсационного преобразователя 5, диод 8 и 50включенный по схеме повторителя напряжения второй операционный усилитель 9,выход которого является входом компенсационного преобразователя 5 и соединсн снеинвертирующими входами первого 7 и 55второго 9 операционных усилителей, запоминающий конденсатор 10, включенныймежду общей шиной и общей точкой соединения неинвертирующего вхсда второгооперационного усилителя 9 и анода диода 8.ОрЗЫ = Овыхби)1 - Овхбьд где Орзь- мгновенное значение на выходе блока 3;- Овыхыг - мгновенное значение напряжения на выходе блока 6;- ОвхбЫ,= Овыхч, - МГНОВЕННОЕ ЗНаЧЕНИЕ напряжения на входе обьекта б контроля (или мгновенное значение напряжения на выходе генератора 1).Мгновенное значение выходного синусоидального сигнала на частоте генератора равно: Овых" едф= Овых 1 ыФызкс зп и 1(2) 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 б 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 вольтметруУстройство работает следующим образом,Напряжения, снимаемые с выходов генератора 1 синусоидальных колебаний и объекта б контроля, например, активного фильтра нижних частот (АФНЧ), соответственно мгновенные значения напряжений Овых 1 = Овхб И Овыхб ВЫЧИтаЮтСЯ В аиаЛОГО- вом вычитэющем блоке 3, На выходе блока 3 формируется разностный сигнал Орзо(мгновенное значение синусоидального напряжения), пропорциональный углу сдвига фаз (например фазовому запаздыванию АФНЧ) между ВхоДным Овхб и ВыхоДНЫМ Овыхб НЭПРЯжЕНИЯМИ ОбЬЕКта б, Уравнение для мгновенных значений напряжений имеет вид:(8) О выхб с максКбОвхбсдмакс Х ( КбЬ сов тлю - 1 )+ сов и 1 т 31 и д 7 ы 1 Х (з 1 п ит сов 1 рв + где Овхб - амплитудное значение напряжения, В;в- круговая частота, 1/сек.При этом мгновенное значение выходного напряжения объекта 6 контроля, имеощего фазовое запаздывание (фазовый сдвиг) по отношению к выходному синусоидальному сигналу, может быть записано следующим образом: Овыхбы, = Овыхбм,макс 81 П ( 0) 11 + Щ), (3) Гдв Овыхб макс. - аМПЛИтуда НаПряжЕНИя НдчаСтатЕ В 1, В;ср;, - фазовый сдвиг на частоте й, град,Модуль комплексного коэффициентапередачи на частоте вобъекта 6 контроляопределяется выражением: где Овыхымакс - амплитуда выходного напряжения объекта 6 на частоте м, В;Овхбымакс = Овых ымакс - амплитуда входного синусоидального сигнала объекта 6 на частоте и 1, В.Как следует из выражения (4) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) объекта 6 может задаваться путем нормирования амплитуды выходного напряжения Овыхбдмакс Нд Определенных ЧдСтотдХ ПрИ известных значениях модуля коэффициента передачи Кбц; и амплитуды входного сигнаЛа Овхбимакс На СООтВЕтСтВУЮщИХ ЧаСтО- тах.Синусоидальная функция суммы углов может быть представлена формулой: зП (Ит + И 1 ) = 51 Р И 11Сов фО 71 + С учетом выражений (1-5) мгновенноезначение разностного сигнала на выходеблока 3 можно записать в виде: Орзсд = ОвхбЫ максКбсЬ Х+ сов и 1 т з и р м 1 ) - з 1 и и 1 т (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 6 на текущей частоте входного синусоидального сигнала,Для этого определяем максимум функции(6) путем нахождения стационарной точки (теорема Ферма), приравняв первую производную функции нулю, т.е.5(О,з,) =0 (7) Тогда действительный корень уравнения (7)равен:10Кб сАсов сл о 3 - 1Кб с 1, сов 125 +рп(дгст 9) ХКбсЗп / И 1 Используя машинные методы расчета, можно достаточно просто получить номограммыфункции (9) при различных значенияхКбо) Овхбс макс у Й 1 для нормирОВания фазочастотных характеристик (ФЧХ)обьекта 6 контроля, как в лабораторных ус-.35 ловиях, так и при всех видах испытаний различных линейных активных и пассивныхчетырехполюсников в условиях производства и эксплуатации аппаратуры.ВхоДнае Овхб д, выхОДнОЕ Овыхб дблОка 6 контроля и сформированный разностн ы й си Г ндл Орзсдпоступдет на Входкоммутатора 4, посредством которого каждый из указанных сигналов последовательно подается на вход компенсационногопреобразователя 5,Пусть на неинвертирующий вход компенсационного преобразователя 5 посредством коммутатора 4 подаетсясинусоидапьный сигнал Овхы = ОвыхсгЗапоминаОщий конденсатор 10 з; яжается до максимального (амплитудного)ЗНдЧЕНИЯ НдПряжЕНИЯ Овхбд макс (ОтрИЦа тельной полярности). Это напряжение повторяется операционным усилителем ОУ 9,прикладывается к инвертирующему входуОУ 7 и компенсируется входным сигналом,поступающим на неинвертирующий входОУ 7, Как только выходное напряжение комПЕНСаЦИОННОГО ПРЕОбРаЗОВатЕЛЯ 5 Оввхбстанет равным или меньше входного напря- лжения Овыхб Овхб ОУ 9 переходит В пОлОжигельное насыщение, диод 8 запирается и конденсатор 10 сохраняет амплитудное значение измеряемого сигнала, которое инициируется цифровым вольтметром 2, т,е, Овых 5 = Овхбм максПри нажатии кнопки 12 "Сброс" конденсатор 10 разряжается через резистор 11 и компенсационный преобразователь 5 подготовлен для измерения следующего СИГНаЛа, НаПрИМЕр Овыхбд, ПОдКЛЮЧЭЕМОГО ко входу преобразователя 5 коммутатором 4Процессы измерения амплитудных ЗНаЧЕНИй СИГНЭЛОЕ Овыхб Ы 1 макс Орби макс ЭНЭЛОГИЧНЫ ОПИСЗННОМу ВЫШЕ.Таким образом, предложенное устройство обеспечивает контроль амплитудно-фазочастотных характеристик (АФЧХ) объекта б, путем формирования, преобразования, запоминания и индицирования с высокой точностью амплитуд Овхбц,макс = Овых 1 ымакс Овыхбн)макс, Орэимакс СИНУСОИдЭЛЬНЫХ СИГНЭЛОВ В Широком-диапазоне частот, включая сколь угодно широкий диапазон инфранизких частот (1 10 Гц),Нормирование АЧХ объекта б контроля осуществляется по амплитуде Овыхб а,махс ПРИ ИЗВЕСТНОМ (НОРМИРОВЭН- ном) комплексном коэффициенте передачи Кбюи измеренной нормированной) амплитуде входного сигнала Овхб дмакс = Овых 1 ЫмаксНормирование ФЧХ объекта 6 контроля Выполняется по амплитуде разностного сиг- НЭЛЭ Орб дмакс ПРИ ИЗВЕСТНЫХ (НОРМИРО- ванных) фазовом запаздывании рв и ЭМПЛИТУД 8 ВХОДНОГО СИГНЭЛЭ Овхба)макс 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.НормИРОВЭНие пэрэм 8 ТРОВ Овыхб 1 макс И Орздмакс ПРОСТО ВЫПОЛНяЕТСя МЭШИН- 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 б контроля ,типа активных фильтров нижних частот АФНЧ), Вариации его параметров в различных условиях эксплуе 1 ации, погрешностей индикатора 2. Построение аналогового вычитающегоблока 3 по схеме разностного операционного усилителя (ОУ) и компенсационного преобразователя 5 на основе ОУ типа ИМС5 140 УД 6 А, применение малогабаритныхпрецизионных конденсаторов типа К 77-1(Сном = 10 мкф с допуском 1 5 ) и прецизион н ых реэисто ров типа С 2-29 В с допуском+0,1; обеспечивают измерения нормируе 10 мых напряжений Овхбы ОвыхбсА, Орэю,.практически от О до 10 В в диапазоне частотот 0,1 Гцдо 1 МГц,При этом используя в качестве индикатора 2, цифровые вольтметры типа В 715 34, В 7-28, обеспечиваем точностьконтроля АЧХ по измеряемым амплитудамОвыхбсд,макс И Овыхб Ы макс Н Е ХУЖЕ+0,25,х а точность контроля ФЧХ по нормир 1 ванию амплитуды разностного сигнала20 Орбймакс не хУже 0,05 в диапазоне фазовыхсдвигов от 0 до 180 О.Диапазон контролируемых частот можно расширить в область инфранизких частотменее 0,1 Гц, используя в качестве заломи 25 нающей емкости конденсатор типа К 77-1 сноминалом более 10 мкФ (С - 15 мкФ). э длярасширения области верхних частот более1 МГц), используя ОУ типа ИМС 544 УД 2,Таким образом, предложенное устрой 30 ство по сравнению с прототипом отличается более широкими функциональнымивозможностями, меньшими массой и обьемом, позволяет осуществлять контрольнормируемых как АЧХ, так и ФЧХ исследу 35 емого объекта без регулировочных работ вшироком диапазоне частот, включая диапазон инфранизких частот менее 10 Гц,обеспечивая высокую точность контроляАЧХ.40Формула 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 инвертирую17622 б 9 10 Составитель К.ЧухриенкоТехред М.Моргентал Л,Филь Кор Тираж Подписное сударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 45аказ 3258 ВНИИПИ нно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород, ул. агарина, 10 щими входами первого и второго операционных усилителей, запоминающий конденсатор, включенный между общей шиной и общей точкой соединения неинвертируюшего 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, клемм 4 для подключения выхода обьекта контроля сое 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,