Аналоговые измерительные устройства

6.3.4. Фазочувствительные  выпрямительные преобразователи.

          Фазочувствительные  выпрямительные преобразователи ФЧВП  используются для выпрямления переменного напряжения, причем постоянная составляющая зависит от фазового сдвига управляющего напряжения. ФЧВП имеет два входа, на  один вход подается измеряемое напряжение UX, а на другой – управляющее UУ.
          В качестве ФЧВП может использоваться любая схема, позволяющая умножать два напряжения.
          Пусть на входы подобного умножителя подаются два синусоидальных напряжения UX и UУ одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе на угол φ.
          В результате перемножения получим

,                      (2.32)

          где
          При фазовом детектировании постоянная составляющая Аcosφдостигает максимума при φ =0. Переменная составляющая Аcos(2ωt –φ) входного сигнала может быть удалена при помощи фильтра.
         На рис. 2.15 показана схема кольцевого фазового детектора. В общем случае значение тока i диода  можно представить в виде степенного ряда
,              (2.33)
где U – напряжение, приложенное к диоду.
Выразив токи через диоды VD1 – VD4, получим:
,
,
,
.
                    Рис. 2.15                       Напряжение U0  будет равно

  .            (2.34)

          Таким образом, мгновенное значение выходного напряжения U0 пропорционально произведению мгновенных значений напряжений U1 и U2и данная схема может быть использована в качестве фазового детектора.
          Наибольшее распространение получили ФЧВП с суммо-разностными цепями. Примером построения такого ФЧВП может служить схема, показанная на рис. 2.16,а.  Сумма и разность напряжений, соответствующих векторной диаграмме (рис. 2.16,б), получаются здесь при помощи трансформаторов. Управляющее напряжение  изменено по фазе на 1800 с помощью трансформатора. Напряжения U1 и U2  выпрямляются диодами  VD1 и  VD2 и вычитаются на  нагрузке R.  Если схема симметрична и амплитуды сигналов равны UВХ = UУ = U, то выходное напряжение имеет вид:

.                                         (2.35)

а)                                  б)
Рис. 2.16

          Как видно из 2.35 в пределах 2π выходное напряжение неоднозначно зависит от φ.
          Рассмотренные схемы в основном используются в технике фазовых измерений (например, в фазометрах) и наибольшее распространение получила схема кольцевого фазового детектора (рис. 2.15). Следует отметить, что схемы фазовых детекторов, в частности кольцевых фазовых детекторов, могут использоваться в качестве преобразователей частоты (смесителей). Выходной сигнал смесителя представляет сумму двух напряжений с частотами, равными разности и сумме исходных частот.
          ФЧВП могут выполнены с использованием аналоговых ключей. В этом случае ФВП имеют сигнальный и коммутирующий (управляющий) входы. На рис. 2.17,а,б представлены схема пассивного однополупериодного фазочувствительного преобразователя и временные диаграммы его работы. В этой схеме бесконтактные ключи реализованы на полупроводниковых диодах. Элементы схемы выбираются таким образом, чтобы при подаче на схему управляющего напряжения Uу (измеряемое напряжение Uх = 0) точки а, b и c,d были попарно эквипотенциальны. При этом ток в нагрузке  iн будет равен нулю, то есть управляющее напряжение не вызывает тока в нагрузке RН.  Обычно управляющее напряжение представляет собой двухполярные прямоугольные импульсы, частота которых равна частоте измеряемого переменного напряжения Ux, а амплитуда много больше амплитуды измеряемого напряжения Uу >> Ux. При приложении к диодам VD1 и VD2 управляющего напряжения Uу  в прямом направлении их сопротивление Rпр будет мало и практически не будет изменяться в течение всего полупериода напряжения Uу. В этом случае на эквивалентной схеме ФВП диоды можно заменить постоянными резисторами. При подаче на соответствующий вход ФВП измеряемого напряжения Uх ≠ 0 по нагрузке будет протекать ток iн.
          В следующий полупериод напряжение Uу изменяет фазу и оно будет приложено к диодам в обратном направлении, при этом сопротивление диодов становится большим Rобр >> Rпр и цепи между точками а и с, b и d можно считать разомкнутыми.  Поэтому ток в нагрузке будет пренебрежимо малым iн ≈ 0.
          На рис. 2.17,б изображены временные диаграммы работы однополупериодного ФЧВП. При некотором угле сдвига фаз φ между измеряемым Uх и управляющим Uу напряжениями среднее значение тока в нагрузке IH.CP за период будет равно

,            (2.36)

где Uх – действующее значение измеряемого напряжения; R3 = R4.


а)                                                                а)
    
б)                                                                 б)
Рис. 2.17                                                 Рис. 2.18

          На рис. 2.18,а,б представлены схема и диаграммы работы пассивного двухполупериодного ФЧВП с ключами на диодах. В положительный полупериод управляющего напряжения диоды VD3 и VD4 заперты, а диоды VD1 и VD2 открыты. В следующий полупериод первая пара диодов открывается, а вторая запирается, и кривая тока в нагрузке соответствует диаграмме, приведенной на рис. 2.18,б. Среднее значение тока в нагрузке в этом случае будет равно удвоенному среднему значению тока IH.CP в однополупериодной схеме ФЧВП.
          Если управляющее напряжение имеет синусоидальную форму, то прямое сопротивление диодов изменяется в течение полупериода. Вследствие того пропорциональность между средним током в нагрузке и Ux нарушается, и возникает зависимость между током IH.CP и амплитудой управляющего напряжения, что приводит к возникновению погрешности  ФВП. Для уменьшения погрешности необходимо выполнить условие  Uу >> Ux.

Активные ФЧВП

          Использование различных усилителей, в частности ОУ,  в ФЧВП позволяет уменьшить число ключей, повысить входное и уменьшить выходное сопротивления, усилить выпрямляемый сигнал. На рис.2.19 показаны схемы ФВП с использованием электронных ключей и операционных усилителей.

                     
а)                                                                    б)
Рис. 2.19

          При подаче на вход ФЧВП синусоидального напряжения UВХ, а на управляющий вход (электронный ключ S) напряжения UУ прямоугольной формы той же частоты, напряжение на выходе схемы UВЫХ будет равно

          (2.37)

      В схеме рис. 2.19,а, когда ключ S замкнут, выходное напряжение

.             (2.38)

          При разомкнутом ключе S выходное напряжение

.         (2.39)

          При выполнении равенства  коэффициенты передачи при разомкнутом и замкнутом состоянии ключа будут одинаковы по модулю, но противоположны по знаку.
          В рассмотренном ФЧВП входное сопротивление изменяется в зависимости от того замкнут или разомкнут ключ S.
          В схеме активного ФЧВП рис. 2.19, б, входное сопротивление не зависит от состояния ключа и условие равенства модулей коэффициента передачи при разных состояниях ключа имеет вид .
          Основными источниками погрешностей ФЧВП являются:  нестабильность амплитуды управляющего напряжения; погрешность фазоинверсии (если в схеме ФЧВП  происходит инверсия фазы); нестабильность параметров схемы, вызванная изменением внешних факторов; изменением частоты; погрешность обусловленная неидеальностью элементов (диодов, транзисторов и т. д.).
          ФЧВП находят применение в фазочувствительных вольтметрах, в фазометрах, в качестве демодуляторов при фазовой модуляции сигнала, а также при амплитудной модуляции.  


© Copyright 2008, SLAiPS. All Rights Reserved. | Design by Design by analogiu.ru