Пристрій для порівняння амплітуд двох гармонійних сигналів

Винахід відноситься до області вимірювальної техніки і автоматики, може бути використаний, зокрема, при вимірюванні малої різниці амплітуд двох не-синфазних гармонійних напруг або струмів. Відомий пристрій для порівняння двох гармонійних напруг по амплітуді, який містить комутатор, перший підсилювач, детектор, другий підсилювач, синхронний детектор, квадратурний фазоповертач, перемножувач аналогових сигналів, фільтр і подільник частоти [Авт. св. СРСР №596886, кл. G 01 R 17/00]. Однак цей пристрій не дозволяє реалізувати високу чутливість через обмеження комбінаційних складових в каналі огинаючої. Відомий також пристрій для порівняння двох гармонійних напруг по амплітуді, який складається з двох вхідних ключів, двох зарядних ключів, двох розрядних ключів, двох ключів для зняття запам'ятованого сигналу на Індикатор, двох конденсаторів як елементів пам'яті, підсилювача, амплітудного детектора, трьох тригерів, одновібратора, пристрою переходу через нуль, диференціюючої ланки, трьох елементів затримки і двох логічних елементів "І" [Соболевский K.M., Сумительнов В.Н. Об одном классе быстродействующих модульных указателей разновременного сравнения. - Автометрия, 1970, №3, рис. 2]. Однак цьому пристрою характерна адитивна складова похибки запам'ятовування, обумовлена неідентичністю сталих часу елементів пам'яті. Найбільш близьким до пропонованого рішення є пристрій для порівняння амплітуд перших гармонік двох періодичних сигналів, що складається з першого комутатора, підсилювачів сигналу несучої та огинаючої частоти, фільтра прямокутного сигналу, синхронного детектора, першого та другого елементів пам'яті, диференціатора, компаратора, одновібратора, двох Т-тригерів та Індикатора, а також другого комутатора, двох смугових фільтрів, двох фазоповертачів, третього елемента пам'яті, подільника частоти і двох логічних схем "І [Авт. св. СРСР №1402952, кл. G 01 R 19/10]. Однак цей пристрій придатний для вимірювання різниці амплітуд тільки синфазних сигналів. В основу винаходу поставлено завдання створити пристрій для порівняння амплітуд двох гармонійних сигналів, в якому введення нових блоків дозволило 6 перетворити послідовність прямокутних імпульсів, амплітуда яких пропорційна різниці амплітуд вхідних сигналів, а шпаруватість визначається зсувом фаз між вхідними сигналами, в послідовність імпульсів з амплітудою, пропорційною різниці амплітуд вхідних сигналів, і шпаруватістю 2, і за рахунок цього вимірювати різниці амплітуд несинфазних сигналів з високою чутливістю. Завдання вирішується тим, що в пристрій для порівняння амплітуд двох гармонійних сигналів, який містить послідовно з'єднані комутатор, підсилювач несучої частоти та перший елемент пам'яті, послідовно з'єднані фільтр прямокутного сигналу, підсилювач напруги огинаючої частоти, синхронний детектор та Індикатор, послідовно з'єднані перший диференціатор, перший компаратор, другий вхід якого заземлений, перший Т-тригер та перший одновібратор, причому вхід першого диференціатора підключений до першого входу комутатора, прямий вихід першого Т-тригера з'єднаний з керуючими входами комутатора, фільтра прямокутного сигналу і синхронного детектора, другий елемент пам'яті і другий Т-тригер, додатково введені послідовно з'єднані другий диференціатор, вхід якого підключений до другого входу комутатора, та другий компаратор, другий вхід якого заземлений, а вихід підключений до входу другого Т-тригера, другий одновібратор, вхід якого підключений до прямого виходу другого Т-тригера, третій одновібратор, вхід якого підключений до інверсного виходу другого Т-тригера, перший та другий логічні елементи "АБО", причому перші та другі входи логічних елементів "АБО" підключені до виходу другого одновібратора, другий вхід першого елемента "АБО" підключений до виходу першого одновібратора, а вихід - до керуючого входу першого елемента пам'яті, другий вхід другого логічного елемента "АБО" підключений до виходу третього одновібратора, а вихід - до керуючого входу другого елемента пам'яті, вхід другого елемента пам'яті підключений до виходу першого елемента пам'яті, а вихід - до входу фільтра прямокутного сигналу. Введення другого диференціатора, другого компаратора, другого і третього одновібратора, першого та другого логічних елементів "АБО" дозволить перетворити послідовність прямокутних імпульсів, амплітуда яких пропорційна різниці амплітуд вхідних сигналів, а шпаруватість визначається зсувом фаз між вхідними сигналами, в послідовність імпульсів з амплітудою, пропорційною різниці амплітуд вхідних сигналів, і шпаруватістю 2 і використати для їх виділення фільтр прямокутного сигналу, що в свою чергу дозволило вимірювати різниці амплітуд несинфазних сигналів та реалізувати високу чутливість. На фіг.1 приведена структурна схема пристрою для порівняння амплітуд двох гармонійних сигналів; на фіг.2 - часові діаграми роботи його вузлів. Пристрій містить комутатор 1, входи якого являються входами пристрою, послідовно з'єднані підсилювач 2 сигналу несучої частоти, вхід якого підключений до виходу комутатора 1, перший елемент пам'яті 3, другий елемент пам'яті 4, фільтр 5 для виділення сигналу у вигляді меандру, підсилювач 6 напруги огинаючої частоти, синхронний детектор 7 та індикатор 8, послідовно з'єднані перший диференціатор 9, вхід якого підключений до першого входу пристрою, перший компаратор 10, другий вхід якого заземлений, перший Ттригер 11 і перший одновібратор 12, послідовно з'єднані другий диференціатор 13, вхід якого підключений до другого входу пристрою, другий компаратор 14, другий вхід якого заземлений, другий Т-тригер 15 і другий одновібратор 16, третій одновібратор 17, вхід якого підключений до інверсного виходу другого Т-тригера 15, перший 18 і другий 19 логічні елементи "АБО", перші входи яких підключені до виходу другого одновібратора 16, другий вхід першого логічного елемента "АБО" 18 підключений до виходу першого одновібратора 12, а вихід - до керуючого входу першого елемента пам'яті 3, другий вхід другого логічного елемента "АБО" 19 підключений до виходу третього одновібратора 17, а вихід - до керуючого входу другого елемента пам'яті 4, прямий вихід першого Т-тригера 11 підключений до керуючих входів комутатора 1, фільтра 5 для виділення сигналу прямокутної форми у вигляді меандру і синхронного випрямляча 7. Пристрій працює таким чином. Сигнали, які порівнюються, U1-U1sin(wt+ j1) і U2-U2sin(wt+ j2) (фіг.2а) подаються на входи комутатора 1, який керується вихідними сигналами Т-тригера 11. При цьому перший сигнал U1, який порівнюється, поступає також на диференціатор 9, вихідний сигнал якого (фіг.26) подається на Інверсний вхід компаратора 10, а з його виходу (фіг.2в) - на лічильний вхід Т-тригера 11. Вихідний сигнал Т-тригера 11 (фіг.2г) керує роботою комутатора 1, фільтра 5 для виділення сигналу прямокутної форми у вигляді меандру і синхронного детектора 7. Тому комутатор 1 періодично з частотою комутації підключає вхідні сигнали U1 і U2 до входу підсилювача 2 несучої частоти, формуючи амплітудно-фазомодульований сигнал, що представляє собою пакети вхідних напруг U1 і U2 , які чергуються між собою (фіг.2е). Другий сигнал U2, який порівнюється, поступає і на диференціатор 13, вихідний сигнал якого (фіг.2з) поступає на Інверсний вхід компаратора 14, де перетворюється в послідовність прямокутних імпульсів (фіг.2i). Вихідний сигнал компаратора 14 (фіг.2і) поступає на вхід Т-тригера 15, з прямого виходу якого сигнал (фіг.2к) подається на одновібратор 16. Одновібратор 16 по передньому фронту вихідного імпульса Т-тригера 15 (фіг.2к) в моменти, які відповідають амплітудним значенням сигналу U2, формує короткий імпульс (фіг. 2м) тривалістю t3, який поступає через перший 18 і другий 19 логічні елементи "АБО" на керуючі входи елементів пам'яті 3 i 4 При цьому амплітудне значення сигналу U2 запам'ятовується обома елементами пам'яті 3 і 4 (фіг. 2н, п). Далі вихідний сигнал Т-тригера 11 поступає на вхід одновібратора 12, який по передньому фронту вихідних імпульсів Т-тригера (фіг.2г) в моменти, які відповідають амплітудним значенням вхідного сигналу U1, формує короткий імпульс (фіг.2ж) тривалістю t3, який поступає через перший логічний елемент "АБО" 18 на керуючий вхід першого елемента пам'яті 3. В результаті цього амплітудне значення сигналу U2 списується і запам'ятовується амплітудне значення сигналу U1 (фіг.2н), тоді коли другий елемент пам'яті 4 продовжує зберігати амплітудне значення сигналу U2 (фіг.2п). Потім з Інверсного виходу Т-тригера 15 подається керуючий сигнал (фіг.2д) на вхід третього одновібратора 17, який по його передньому фронту формує короткий Імпульс (фіг.2о), який поступає через логічний елемент "АБО" 19 на керуючий вхід елемента пам'яті 4. Після цього процес повторюється знову. В результаті цього на виході елемента пам'яті 3 формується послідовність імпульсів, шпаруватість яких обернено пропорційна фазовому зсуву між вхідними сигналами U1 і U2 і в загальному випадку не рівна двом (фіг.2н), а на виході другого елемента пам'яті 4 формується сигнал прямокутної форми у вигляді меандру (фіг.2п) з амплітудою, пропорційною різниці амплітуд вхідних сигналів U1 і U2, який виділяється фільтром 5, підсилюється підсилювачем 6 огинаючої частоти (фіг.2р), випрямляється синхронним детектором 7 (фіг.2с). В такому пристрої, без врахування похибки зберігання інформації, різниця напруг на запам'ятовуючому конденсаторі першого елемента пам'яті 3 в перший і другий півперіоди на n-ному періоді комутації може бути представлена виразом де t3 - час, протягом якого здійснюється запам'ятовування сигналу елементом пам'яті; t - стала часу елемента пам'яті. Очевидно, що аналогічним виразом може бути описана різниця напруг на запам'ятовуючому конденсаторі другого элемента пам'яті 4 в перший і другий півперіоди на n-ному періоді комутації. Перший член останнього виразу представляє собою вимірювальний сигнал, а всі слідуючі, що представляють собою знакоперемінний ряд, члени якого зменшуються по мірі зростання їх номерів, - похибку вимірювання. Кількість членів ряду збільшується з ростом номера n періоду комутації. Очевидно, що такий ряд при збільшенні n збігається до нуля дуже швидко. А це означає, що статична похибка запам'ятовування Інформації може бути зведена до як завгодно малої величини. Так, наприклад, адитивна складова абсолютної похибки запам'ятовування при порівнянні амплітуд U1-U2 U буде рівна Якщо прийняти t3 – 10-5с, t - 10-бс, то уже на третьому періоді комутації будемо мати тобто величина дуже мала. Тому адитивна складова похибки запам'ятовування практично може бути зведена до нуля. Таким чином, запропоноване рішення дозволяє з високою точністю порівнювати несинфазні гармонійні сигнали.