RU206073U1

RU206073U1 - CONTROLLED PHASE RETURNER

Info

Publication number: RU206073U1
Application number: RU2021113286U
Authority: RU
Inventors: Евгений Борисович Колесников
Original assignee: Евгений Борисович Колесников
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2021-08-18

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при построении измерительных преобразователей, где необходимо управление фазой синусоидального сигнала. Управляемый фазовращатель содержит блок сдвига фазы на 90°, первый и второй управляемые делителя напряжения, сумматор, блок масштабирования, арксинусный преобразователь и формирователь косинуса. Сигнальный вход устройства соединен с входами первого управляемого делителя напряжения и блока сдвига фазы на 90°, выход которого соединен с входом второго управляемого делителя напряжения, выходы первого и второго управляемых делителей напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход которого является выходом устройства, причем управляющий вход устройства соединен с входом блока масштабирования, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения и входом арксинусного преобразователя, выход которого через формирователь косинуса соединен с управляющим входом первого управляемого делителя напряжения.Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение устройства и повышение точности. 2 ил.The utility model relates to measuring technology and can be used in the construction of measuring transducers where it is necessary to control the phase of a sinusoidal signal. The controlled phase shifter contains a 90 ° phase shift unit, the first and second controlled voltage divider, an adder, a scaling unit, an arcsine converter and a cosine shaper. The signal input of the device is connected to the inputs of the first controlled voltage divider and the phase shift unit by 90 °, the output of which is connected to the input of the second controlled voltage divider, the outputs of the first and second controlled voltage dividers are connected, respectively, to the first and second inputs of the adder, the output of which is the output of the device, moreover, the control input of the device is connected to the input of the scaling unit, the output of which is connected to the control input of the second controllable voltage divider and the input of the arcsine converter, the output of which is connected through the cosine generator to the control input of the first controllable voltage divider. The technical result of the claimed utility model is to simplify the device and increase the accuracy ... 2 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано при построении измерительных преобразователей, где необходимо управление фазой синусоидального сигнала.The utility model relates to measuring technology and can be used in the construction of measuring transducers where it is necessary to control the phase of a sinusoidal signal.

Известен управляемый фазовращатель [Авторское свидетельство СССР №1402962 МПК G01R 25/00, опубл. 15.06.1988 г.], содержащий два управляемых делителя напряжения, блок сдвига фазы на 90°, сумматор, блок сравнения и инвертор, в котором сигнальный вход соединен непосредственно с первым входом блока сравнения и с сигнальным входом первого управляемого делителя напряжения, а через блок сдвига фазы на 90° - с сигнальным входом второго управляемого делителя напряжения, управляющие входы первого и второго управляемого делителя напряжения соединены соответственно с управляющим входом фазовращателя и выходом блока сравнения, а выходы - соответственно с первым и вторым входами сумматора, соединенного своим выходом непосредственно с вторым входом блока сравнения и первым выходом фазовращателя, а через инвертор - со вторым выходом фазовращателя.Known controlled phase shifter [USSR author's certificate No. 1402962 IPC G01R 25/00, publ. 06/15/1988], containing two controlled voltage dividers, a phase shift unit by 90 °, an adder, a comparison unit and an inverter, in which the signal input is connected directly to the first input of the comparison unit and to the signal input of the first controlled voltage divider, and through the unit phase shift by 90 ° - with the signal input of the second controllable voltage divider, the control inputs of the first and second controllable voltage divider are connected, respectively, with the control input of the phase shifter and the output of the comparison unit, and the outputs, respectively, with the first and second inputs of the adder connected by its output directly to the second the input of the comparison unit and the first output of the phase shifter, and through the inverter - with the second output of the phase shifter.

Недостатком известного фазовращателя является низкое быстродействие, обусловленное инерционностью блока сравнения.The disadvantage of the known phase shifter is its low speed due to the inertia of the comparison unit.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является управляемый фазовращатель [Авторское свидетельство СССР №1721536 МПК G01R 25/00, опубл. 23.03.1992 г.], содержащий два управляемых делителя напряжения, блок сдвига фазы на 90°, два квадратора, два сумматора, источник опорного напряжения и инвертор, в котором сигнальный вход соединен непосредственно с сигнальным входом первого, а через блок сдвига фазы на 90° - с сигнальным входом второго управляемого делителя напряжения, управляющий вход второго управляемого делителя напряжения соединен с управляющим входом фазовращателя, а выход - с первым входом первого сумматора, второй вход первого сумматора соединен с выходом второго управляемого делителя напряжения, а выход - непосредственно с первым, а через инвертор - с вторым выходами фазовращателя, при этом первый (прямой) вход второго сумматора соединен с выходом источника опорного напряжения, второй (инверсный) вход - с выходом первого квадратора, соединенного своим входом с управляющим входом фазовращателя, третий (инверсный) вход - с выходом второго квадратора, а выход -с четвертым (прямым) входом, с входом второго квадратора и с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения.The closest analogue to the proposed utility model is a controlled phase shifter [USSR author's certificate No. 1721536 IPC G01R 25/00, publ. 03/23/1992], containing two controlled voltage dividers, a phase shift block by 90 °, two quadrators, two adders, a reference voltage source and an inverter, in which the signal input is connected directly to the signal input of the first, and through the phase shift block by 90 ° - with the signal input of the second controlled voltage divider, the control input of the second controlled voltage divider is connected to the control input of the phase shifter, and the output is connected to the first input of the first adder, the second input of the first adder is connected to the output of the second controlled voltage divider, and the output is directly connected to the first, and through the inverter - with the second outputs of the phase shifter, while the first (direct) input of the second adder is connected to the output of the reference voltage source, the second (inverse) input - to the output of the first quadrator connected by its input to the control input of the phase shifter, the third (inverse) input - with the output of the second quadrator, and the output with the fourth (direct) input, with the input of the second quadrator and with the control input of the second controlled voltage divider.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.This technical solution was chosen as a prototype.

Недостатком данного фазовращателя является большое количество операционных блоков, что снижает точность работы устройства. Кроме этого, в устройстве используется источник опорного напряжения, пропорционального квадрату амплитудного значения сигнала управления, от стабильности которого также зависит точность работы устройства. При этом при вычислении синуса угла сдвига фазы производится операция извлечения квадратного корня, что приводит к повышению в квадрат раз погрешности нестабильности источника опорного напряжения.The disadvantage of this phase shifter is the large number of operating units, which reduces the accuracy of the device. In addition, the device uses a reference voltage source proportional to the square of the amplitude value of the control signal, the stability of which also affects the accuracy of the device. In this case, when calculating the sine of the phase shift angle, the operation of extracting the square root is performed, which leads to an increase in the square of the error of the instability of the reference voltage source.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение устройства и повышение точности.The technical result of the claimed utility model is to simplify the device and improve accuracy.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный управляемый фазовращатель, содержащий два управляемых делителя напряжения, блок сдвига фазы на 90° и сумматор, сигнальный вход устройства соединен с входами первого управляемого делителя напряжения и блока сдвига фазы на 90°, выход которого соединен с входом второго управляемого делителя напряжения, выходы первого и второго управляемых делителей напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход которого является выходом устройства, дополнительно введены арксинусный преобразователь, формирователь косинуса и блок масштабирования, причем управляющий вход устройства соединен с входом блока масштабирования, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения и входом арксинусного преобразователя, выход которого через формирователь косинуса соединен с управляющим входом первого управляемого делителя напряжения.The specified technical result is achieved by the fact that in a known controlled phase shifter containing two controlled voltage dividers, a 90 ° phase shift unit and an adder, the signal input of the device is connected to the inputs of the first controlled voltage divider and a 90 ° phase shift unit, the output of which is connected to the input of the second controlled voltage divider, the outputs of the first and second controlled voltage dividers are connected respectively to the first and second inputs of the adder, the output of which is the output of the device, an arcsine converter, a cosine shaper and a scaling unit are additionally introduced, and the control input of the device is connected to the input of the scaling unit, the output of which is connected to the control input of the second controlled voltage divider and the input of the arcsine converter, the output of which is connected through the cosine driver to the control input of the first controlled voltage divider.

Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение дополнительно арксинусного преобразователя, формирователя косинуса, блока масштабирования и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - упрощения устройства и повышение точности фазовращателя.Significant differences of the proposed device are the introduction of an additional arcsine converter, a cosine shaper, a scaling unit and the organization of new connections between the elements of the device. The combination of elements and connections between them provide a positive effect - simplifying the device and increasing the accuracy of the phase shifter.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.The essence of the utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена функциональная схема фазовращателя, на фиг. 2 - зависимости угла сдвига фазы ϕ и напряжений u₂ и u₄ от напряжения управления U_y.FIG. 1 shows a functional diagram of the phase shifter, FIG. 2 - dependences of the phase shift angle ϕ and voltages u ₂ and u ₄ on the control voltage U _y .

Управляемый фазовращатель содержит (фиг. 1) блок сдвига фазы на 90° 1, первый и второй управляемые делителя напряжения 2 и 3, сумматор 4, блок масштабирования 5, арксинусный преобразователь 6 и формирователь косинуса 7.The controlled phase shifter contains (Fig. 1) a 90 ° phase shift unit 1, the first and second controlled voltage dividers 2 and 3, an adder 4, a scale unit 5, an arcsine converter 6 and a cosine driver 7.

Устройство работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u_вх=U_{m вх} sinωt (фиг. 2) с частотой ω подается на входы первого управляемого делителя напряжения 2 и блока сдвига фазы на 90°, на выходе которого формируется напряжение u¹=U_{m вх} conωt и подается на вход второго управляемого делителя напряжения 3.The device works as follows. An input sinusoidal AC voltage u _in = U _{m in} sinωt (Fig. 2) with a frequency ω is fed to the inputs of the first controlled voltage divider 2 and a phase shift unit by 90 °, at the output of which a voltage u ¹ = U _{m in} conωt is generated and supplied to the input of the second controlled voltage divider 3.

Одновременно на вход блока масштабирования 5 подается напряжение L_y. При выборе величины напряжения управления U_y=±10 В коэффициент передачи блока масштабирования 5 выбран равным К_n=0,1. В результате этого на выходе блока масштабирования 5 получается напряжение u²=sinϕ) с единичной амплитудой, пропорциональное напряжению управления U_у (фиг. 2), которое подается на управляющий вход второго управляемого делителя напряжения 3. Зависимость u₂=f(U_y) линейная (фиг. 2). _{At the same time, the voltage L y} is applied to the input of the scaler 5. When choosing the value of the control voltage U _y = ± 10 V, the transmission coefficient of the scale unit 5 is selected equal to K _n = 0.1. As a result, at the output of the ^{scaler 5, a voltage u 2} = sinϕ) with a unit amplitude is _{obtained, proportional to the control voltage U y} (Fig. 2), which is fed to the control input of the second controlled voltage divider 3. Dependence u ₂ = f (U _y ) linear (Fig. 2).

После преобразования напряжения u₂=sin ϕ в арксинусном преобразователе 6, на его выходе формируется напряжение u₃ пропорциональное величине угла сдвига фазы ϕ. Напряжение u₃ поступает на вход формирователя косинуса 7, на выходе которого формируется напряжение u₄=cos ϕ с единичной амплитудой (фиг. 2) и подается на управляющий вход первого управляемого делителя напряжения 2. Зависимость u₄=f(U_y) представляет собой полуокружность с единичным радиусом (фиг. 2).After converting the voltage u ₂ = sin ϕ in the arcsine converter 6, a voltage u ₃ proportional to the value of the phase shift angle ϕ is formed at its output. The voltage u _{3 is} fed to the input of the cosine shaper 7, at the output of which a voltage u ₄ = cos ϕ with a unit amplitude is formed (Fig. 2) and fed to the control input of the first controlled voltage divider 2. The dependence u ₄ = f (U _y ) is a semicircle with a unit radius (Fig. 2).

Управляемые делители напряжения 2 и 3 производят операцию перемножения соответствующих входных сигналов u_вх=U_{m вх} sinωt и u₁=U_{m вх} cosωt на полученные сигналы u₄=cos ϕ и u₂=sin ϕ (операцию умножения на сигналы величиной меньше единицы, т.е. фактически операцию деления). Выходные сигналы управляемых делителей напряжения 2 и 3 суммируются в сумматоре 4, на выходе которого и на первом выходе фазовращателя, согласно известному тригонометрическому выражению, формируется напряжение u_вых:Controlled voltage dividers 2 and 3 perform the operation of multiplying the corresponding input signals u _in = U _{m in} sinωt and u ₁ = U _{m in} cosωt by the received signals u ₄ = cos ϕ and u ₂ = sin ϕ (the operation of multiplying by signals less than one, i.e., actually a division operation). The output signals of the controlled voltage dividers 2 and 3 are summed up in the adder 4, at the output of which and at the first output of the phase shifter, according to the well-known trigonometric expression, the voltage u _{out is formed} :

Отсюда следует, что управляемый фазовращатель позволяет сдвигать фазу входного напряжения при изменении U_y в пределах от -10 В до +10 В на φ от -90° до 90°. В результате предлагаемый управляемый фазовращатель обеспечивает сдвиг фазы входного напряжения в пределах 180° при изменении величины напряжения управления U_y в пределах ±10 В. Зависимости угла сдвига фазы ϕ от U_y приведена на фиг. 2. Достоинством данного фазовращателя также является нулевой сдвиг фазы выходного сигнала при нулевом сигнале управления 1/у, что упрощает построение фазосдвигающих устройств.From this it follows that the controlled phase shifter allows you to shift the phase of the input voltage when U _y changes in the range from -10 V to +10 V by φ from -90 ° to 90 °. As a result, the proposed controlled phase shifter provides a phase shift of the input voltage within 180 ° when the control voltage U _y changes within ± 10 V. The dependence of the phase shift angle ϕ on U _{y is} shown in FIG. 2. The advantage of this phase shifter is also a zero phase shift of the output signal with a zero control signal 1 / y, which simplifies the construction of phase shifters.

Таким образом, введение в управляемый фазовращатель арксинусного преобразователя, формирователя косинуса, блока масштабирования и организация новых связей между элементами устройства привело к достижение технического результата - упрощения устройства и повышение точности.Thus, the introduction into the controlled phase shifter of an arcsine converter, a cosine shaper, a scaling unit and the organization of new connections between the elements of the device led to the achievement of a technical result - a simplification of the device and an increase in accuracy.

При практической реализации предлагаемого управляемого фазовращателя блок сдвига фазы на 90° 1 можно выполнить по схеме (Патент РФ №127554, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, 27.04.2013). Управляемые делители напряжения 2 и 3 можно выполнить на микросхеме перемножителя напряжений К525ПС3 с коэффициентом передачи равным единицы, выполненный по схеме (Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991, стр. 75, рис. 3.12, а). Сумматор 4 представляет собой обычный двухвходовой неинвертирующий сумматор на операционном усилителе (ОУ). Блок масштабирования 5 представляет собой неинвертирующий усилитель на ОУ с коэффициентом усиления 0,1. Арксинусный преобразователь 6 можно выполнить по одной из схем (Авт.свид. СССР, №467365, G06G7/22, 15.04.1975; Авт. свид. СССР, №1256051, G06G 7/22, 07.09.1986.), или на ОУ, включив формирователь синуса, выполненный по одной из схем (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 270, рис. 10.9; Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982, стр. 66, рис. 4.22), в цепь его отрицательной обратной связи. Формирователь косинуса 7 можно выполнить на микросхеме AD639 по схеме (Хоровиц П. и Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: БИНОМ, 2014, стр. 311, рис. 5.39).In the practical implementation of the proposed controlled phase shifter, the phase shift unit by 90 ° 1 can be performed according to the scheme (RF Patent No. 127554, Н03В 27/00. Quadrature signal generator, 04/27/2013). Controlled voltage dividers 2 and 3 can be performed on a voltage multiplier microcircuit K525PS3 with a transfer coefficient equal to unity, made according to the scheme (Kolombet E.A. Microelectronic means of processing analog signals. - M .: Radio and communication, 1991, p. 75, Fig. 3.12, a). Adder 4 is a conventional two-input non-inverting adder based on an operational amplifier (OA). Scaling unit 5 is a non-inverting op-amp amplifier with a gain of 0.1. The arcsine converter 6 can be performed according to one of the schemes (Avt. Svid. USSR, No. 467365, G06G7 / 22, 04/15/1975; Avt. Svid. USSR, No. 1256051, G06G 7/22, 07.09.1986.), Or on OU , turning on the sine shaper, made according to one of the schemes (A. J. Peyton, V. Walsh. Analog electronics on operational amplifiers. - M .: BINOM, 1994, p. 270, Fig. 10.9; Timonteev V.N., Velichko L.M., Tkachenko V.A.Analog multipliers of signals in radio-electronic equipment. - M .: Radio and communication, 1982, p. 66, fig. 4.22), into its negative feedback circuit. The cosine shaper 7 can be performed on the AD639 microcircuit according to the scheme (Horowitz P. and Hill W. The art of circuitry. - M .: BINOM, 2014, p. 311, Fig. 5.39).

Claims

Управляемый фазовращатель, содержащий два управляемых делителя напряжения, блок сдвига фазы на 90° и сумматор, сигнальный вход устройства соединен с входами первого управляемого делителя напряжения и блока сдвига фазы на 90°, выход которого соединен с входом второго управляемого делителя напряжения, выходы первого и второго управляемых делителей напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что в него дополнительно введены арксинусный преобразователь, формирователь косинуса и блок масштабирования, причем управляющий вход устройства соединен с входом блока масштабирования, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения и входом арксинусного преобразователя, выход которого через формирователь косинуса соединен с управляющим входом первого управляемого делителя напряжения.A controlled phase shifter containing two controlled voltage dividers, a 90 ° phase shift unit and an adder, the signal input of the device is connected to the inputs of the first controlled voltage divider and a 90 ° phase shift unit, the output of which is connected to the input of the second controlled voltage divider, the outputs of the first and second controlled voltage dividers are connected, respectively, to the first and second inputs of the adder, the output of which is the output of the device, characterized in that an arcsine converter, a cosine generator and a scaling unit are additionally introduced into it, and the control input of the device is connected to the input of the scaling unit, the output of which is connected to the control the input of the second controlled voltage divider and the input of the arcsine converter, the output of which is connected through the cosine driver to the control input of the first controlled voltage divider.