Разработка преобразователя разности фаз в постоянное напряжение

Разработка преобразователя разности фаз двух сигналов в постоянное напряжение со следующими параметрами:

· Частота входных сигналов 10кГц - 100 кГц;

· Входное напряжение 50мВ - 5В;

· Диапазон измерения ∆φ 0 - 180о

· Выходное напряжение, макс. 3 В;

· погрешность измерения ±0.5%.

1. Обзор существующих методов решения задачи.

Фазовые детекторы обеспечивают получение выходного напряжения, пропорциональное фазовому сдвигу между двумя сигналами, имеющими одну частоту. Применяются линейные и ключевые фазовые детекторы.

Линейные фазовые детекторы выполняются на основе перемножителей аналоговых сигналов. В них на один из входов, например вход Х, подается напряжение UX=Uопcos(ωt), а на другой (Y) -напряжение UY=Uопcos(ωt+ φ). В результате перемножения выходной сигнал равен

Uвых=KUопcos(ωt)Uccos(ωt+ φ)=KUопUc[K1cos(2 ωt+φ)+K2cos(φ)]

где K, K1, K2 - масштабные коэффициенты.

Если к выходу перемножителя подключить фильтр низких частот, который не пропускает высокочастотную составляющую, имеющую частоту 2ω то выходное напряжение фильтра будет равно

Uвыхф = К3UопUccos(φ)

Таким образом, перемножитель сигналов, к входу которого подключен фильтр низких частот, не пропускающий переменной составляющей, обеспечивает получение постоянного напряжения, пропорционального разности фаз между Uоп и Uc.[1]

Ключевым недостатком этого метода является зависимость выходного сигнала от амплитуды входного, что существенно понижает точность измерения и вводит дополнительные требования к стабильности измеряемых сигналов и необходимость использования дополнительного оборудования для измерения входных напряжений. Так же дрейфы нуля перемножителя и фильтра низких частот приводят к появлению соответствующих погрешностей преобразования. Таким образом мы видим, что данный метод требует привлечения дополнительного оборудования и не обеспечивает высокой точности измерения (обычно, не более 2.5%) .

Ключевые фазовые детекторы.

Функциональная схема ключевого фазового детектора приведена на рис. 1. Детектор состоит из двух формирователей последовательностей прямоугольных импульсов с уровнями логического нуля и логической единицы из синусоидальных напряжений сигнала и опорного колебания (Ф), узла сложения по модулю два (М2)и нагрузки в виде последовательно соединенных резистора Rн и конденсатора Сн, образующих делитель, где Rн нагрузочный резистор,а Сн - шунтирующий конденсатор, образующий фильтр нижних частот.

Рисунок 1.Функциональная схема ключевого фазового детектора

На рис.2 приведены временные диаграммы, поясняю-щие работу детектора.

Рисунок 2. Временные диаграммы напряжений и выходного тока ключевого фазового детектора

Из рисунка следует, что постоянная составляющая тока i определяется следующим соотношением

Этот ток создает падение напряжения на нагрузке

[2]

напряжение детектор схема погрешность

Отсюда можно хорошо видеть, что выходной сигнал фактически не зависит от входного (на самом деле зависимость есть, но она определяется коэффициентом ослабления синфазного сигнала операционных усилителей входящих в состав перечисленных выше элементов и на практике сумарный КОСС достигает десятком миллионов), что в значительной мере повышает точность проводимых измерений. Так же аргументом, говорящим в пользу данного метода является то, что выходной сигнал зависит от величин, обладающих малой, слабо меняющейся со временем и от воздействия внешних факторов, погрешностей, таких как выходное напряжение логических элементов и сопротивление нагрузочного резистора. Но, хоть метод и позволяет уйти от погрешностей связанных с амплитудой, здесь появляется новый источник погрешности - конечное быстродействие логических элементов. Данныйисточник погрешностей является основным в этом методе. Тем не менее, ограниченное быстродействие логических элементов вносит совсем не большую погрешность и, если использовать современные логические элементы в которых переход из одного логического состояния в другое происходит за десятые доли наносекунд, то можно получить точность измерения разности фаз до десятых и сотых долей процента.

Таким образом, руководствуясь приведенными выше соображениями, в качестве метода для проектирования фазометра будет выбран ключевой метод.

• Построение принципиальной схемы
• Расчет принципиальной схемы
• Расчет погрешностей

Другие стьтьи в тему

Разработка и изготовление лабораторного стенда по изучению вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов
Целью данной работы является разработка и создание прибора, предназначенного для изучения полупроводниковых диодов. Для исследования нами был выбран полупроводниковый диод, который наиболее характерно отражает почти все особенности и свойства полупроводниковой техники в целом и являе ...

Разработка специализированного цифрового функционального узла
Разработать генератор чисел, формирующий при поступлении на его вход каждых N входных импульсов синхронизации, в зависимости от задаваемого управляющим сигналом режима, на выходах Z1 и Z2 одну из двух последовательностей значений сигналов, приведенных в табл. 1. Таблица 1. ...