Цифровой экстремальный мост переменного тока

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для применения в мостах переменного тока. Цель изобретения - повышение быстродействия - достигается путем введения фазовращателя, квадратурного детектора, ключа и двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, совокупность функционирования которых частично или полностью устраняет влияние изменения фазы сигнала неравновесия при переходе через точку минимума и, как следствие, увеличивает быстродействие измерения комплексного сопротивленя и проводимости. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51) 4 Г 01 R 17/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Н АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

4 (21) 4314892/24-21 (22) 08.10.87 (46) 15.05,89. Бюл, Р 18 (71) Институт электродинамики AEI УССР (72) Ф.Б.Гриневич, З,Я.Монастырский и А.А;111упта (53) 621.317.333(088.8) (56) Новик A.È. Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока. Киев: Наукова думка, 1983..

Авторское свидетельство СССР

9 600456, кл, С О! R 17/10, 1975. (54) ЦИФРОВОЙ ЭКСТРЕМАЛЫ1ЫЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение при построении высокоточных экстремальных мостов переменного тока.

Цель изобретения — повышение быстродействия измерений за счет уменьшения длительности переходных процессов во входных избирательных каскадах экстремум-детектора, EIa Аиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого цифрового экстремального моста переменного тока; на фиг.2 — векторные диаграммы напряжений на выходе мостовой измерительной цепи и на входе экстремум-детектора при положительном напряжении неравновесия по вспомогательному (нерегулируемому) параметру q.

На Аиг,2 U> > О, причем Ь = Re(U„)составляющая йапряжения U„, соответ(57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для применения в мостах переменного тока. Цель изобретения — повышение быстродействия — достигается путем введения Аазовращателя, квадратурного детектора, ключа и двух логических элементов ИСКП10ЧАМЩЕЕ ИЛИ, сово" купность функционирования которых частично или полностью устраняет влияние изменения Аазы сигнала неравновесия при переходе через точку минимума и, как следствие, увеличивает быстродействие измерения комплексного сопротивления и проводимости. 2 ил. ствующая неравновесию по регулируемому параметру р; U = Т (V„) — составляющая напряжения U соответствующая неравновесию по параметру

Точка О соответствует равновесию мостовой измерительной цепи. Точки А, В, С и D соответствуют модуляционным, к I к приращениям -h,ð, Д р, +др, -Др

ЦиАровой экстремальный мост переменного тока содержит первый 1 и второй 2 логические .элементы И, пять модуляторов 3-7 приращений параметра р

1 ю ( соответственно - .р", + р, О, - р

+Др, 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 одновиб1479882 ратора 9, инверсный выход которого подключен к входу модулятора 5. Входы модуляторов 4 и 6 соединены соответственно с выходами элементов И 1 и 2.

Выходы модуляторов 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 экстремумдетектора 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 25 квадратурного детектора 19 соединен с выходом мостовой измерительной цепи 14, а его опорный вход — с выходом генератора 13 питания. Выход детектора 19 соединен с одним из входов 30 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 8

35 реверса и одновибратора 9. Выходы триггера 8 реверса подключены также к управляющим входам счетчика 18.

Устройство 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 -gp ; +Ар ; 0; -6р ; +бр и 1 л причем 6р составляет k >2 шагов регулирования, а Ер — (2k + 1) шагов.

Включение модуляционных приращений

+gp" модуляторами 3 и 7 всегда противоположно направлению счета реверсивного счетчика 18, устанавливаемого триггером 8 реверса. Модуляционные же воздействия +dp 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 (2k+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 (2k+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 нмпупьса на выходе отрицательных приращений экстремум-детек5 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 (2Z +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 экстремумдетекторе 17. По мере приближения к состоянию равновесия амплитудные приращения уменьшаются, а фазовые возрастают.

Из векторной диаграммы (фиг.2) напряжений неравновесия при U(Z,> О видно, что модуляционное приращение

+Др вызывает переход конца вектора сигнала неравновесия из точки А в точку Б, т.е. поворот этого вектора о на 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 HJIH 20 и 21 одновременно с модуляционным воздействием осуществляется поворот вектора (,0 сигнала неравновесия на угол g = 90 (переход из точки В в точку Б ). В

I самом деле, при отсутствии модуляционного воздействия (сигнал "О" 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((> О ("1"). Элемент 20 работает как инвертор выходного сигнала элемента 21. Сигналы "1" с выходов пеэвого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21

79882 6

55 и квалратурного детектора 19 поступают на входы второго элемента ИСКЛ!!ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 2О и устанавливают на его выходе сигнал "0", 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

"О", а на выходе второго элемента

20 — сигнал "1"., который посредством ключа 16 подклю ает к входу экстремум-детектора 17 выход фазовращателя 15 (вектор ОГ ., Модуль век,( тора разности АВ существенно уменьшается по сравнению с модулем АВ и соответствует одному шагу регулирования.

Изменение сигнала неравновесия на выходе измерительной цепи 14 при модуляционном воздействии -Ар соответствует на векторной диаграмме переходу с точки С в т. D, Однако, так как до модуляционного воздействия (сигналы "О (на прямых выходах триггера 8 и одновибратора 9) вход экстремум-детектора !7 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. A) в т. D. (Модуль вектора разности С D и в этом случае соответствует одному шагу регулирования.

Прн неравновесии по вспомогательному (нерегулируемому) параметру q, соответствующему отрицательному напряжению U c0, 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 +др вход экстремум-детек- . ( тора переключается с выхода фазовращателя на выход измерительной цепи, а при модуляционном воздействии— (- р — в противоположном направлении. Векторная диаграмма, представленная во втором квадранте (фиг.2) для случая !! ) О повторяется при

U c О в четвертом квадранте, а векторные разности также существенно уменьшаются. В предложенной схеме квадратурный детектор 19 определяет только знак сигнала неравновесия по

1479882 параметру о, который составляет к тому же не один, а 5-7 и более шагов регулирования. Ноэтому) по сравнению с фазовыми детекторами известных мостов,. здесь требования в отношении точности и стабильности его работы могут быть существенно снижены.

Пусть приращение амплитуды сигнала неравновесия, соответствующее одному шагу регулирования, равно ЬУ.

Определим длительность t переходного процесса в избирательном каскаде экстремум-детектора иэ условия 1020Х погрешности.

Имеем )Ь „

QUe = О, 1-0, 2дУ) откуда

t = 1,6-2)3 „.

Сравнивая полученное значение с выражением t = 3,9-5,3 ь „для прототипа, видим, что предлагаемое техническое решение позволяет примерно в 2,5 раза по сравнению с прототипом уменьшить длительность переходных процессов.

Длительностью переходных процессов определяется 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 двух логических элементов ИСКЛЮЧАТ ЕЕ ИЛИ, повышается в 2,5 раза.

Формула изобретения

Цифровой экстремальный мост переменного тока, содержащий генератор питания, мостовую измерительную цепь, экстремум-детектор, выходы которого соединены со счетным входом реверсивного счетчика импульсов и входом уп25 повьш ения быстродействия измерений, в него введены фазовращатель) квадратурный детектор, ключ, первый и второй элементы ИСКЛ1ОЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы первого из которых соединены с соответствующими прямыми выходами триггера реверса и одновибратора, выход — с первым входом второго элемента ИСКЛИЧАЭЖЖЕ ИЛИ, выход которого соединен с управляющим вхо40 роМ ключа, а ВТороН вход — c выходом квадратурного 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.

20 равления триггера реверса, пять модуляторов, 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 соединен 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 входом третьего модулятора, делитель напряжения, вход которого соединен с выходом 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 и с .я тем, что, с целью

1479882

Тираж 714

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113ll35, t!îñêDà, R-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Редактор Т.ПарАенова

Заказ 2539/44

glue.2

Составитель B.Ñåìåí÷óê

Техред А.Кравчук Корректор Н.Король