CC BY
13
извихтия
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1967
Том 162
УСИЛИТЕЛИ ИЗМЕНЕНИИ ФАЗЫ С НАКОПИТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ
Л. М. АНАНЬЕВ, С. Ф. ВАСИЛЕВСКИЙ
(Представлена научным семинаром кафедры ПЭ)
При измерении малых фазовых сдвигов возникают трудности как 8 получении, так и в регистрации усредненного значения импульсов малой длительности, возрастающие при необходимости измерять относительно малые отклонения фазы от среднего ее значения. Одним из возможных путей преодоления этих трудностей является усиление отклонений фазы. Целесообразно иметь такое устройство, у которого изменения фазы на входе приводили бы к увеличенным в некоторое число раз &Ф изменениям фазы на его выходе.
Предварительные исследования показали, что хорошие результаты можно ожидать, если использовать для усиления изменений фазы процессы заряда (или разряда) накопительного элемента при скачкообраз-
Рис. 1. Блок-схема усилителя изменений фазы: О — йпорный сигнал; И — интервальный сигнал, ИП — источник питания, КУ— коммутирующее устройство, Н — накопитель, СрУ — сравнивающее устройство, СхВ — схема восстановления.
ном изменении параметров цепи заряда. Обобщенная блок-схема такого усилителя изменений фазы (рис. 1) состоит из накопителя энергии Н, заряжаемого от источника питания ИП через коммутирующее устройство КУ, предназначенное для скачкообразного изменения пара-
з
метров зарядной цепи и коммутируемого за счет воздействия на него предварительно преобразованным опорным О и исследуемым (интервальным) И сигналами. В мом'ент, когда накопитель Н зарядится до заранее заданного уровня, на выходе сравнивающего устройства СрУ появится импульс. Момент сравнения определяется параметрами цепи заряда накопителя до и после коммутации интервальным сигналом и моментом появления интервального сигнала. При изменении момента ком*-мутации момент появления выходного импульса СрУ также изменяется по определенному закону, причем это изменение на выходе больше входного в некоторое число раз. Это можно показать следующим образом.
Пусть с момента tн поступления опорного сигнала накопитель энергии начинает заряжаться с некоторой скоростью, определяемой параметрами ри цепи заряда
¿1 (О - ~~7Г =/1 (Рх* Рг- - Р*..., Рп (1)
аъ
В момент и поступления интервального сигнала И некоторый параметр р1 схемы путем коммутации скачком изменяет свое значение. С этого момента ¿0 скорость изменения напряжения на накопителе скачком прим'ет другое значение
¿2 (0 = =Л (А/Аь .-:Р\ Рп *). (2)
Отсюда напряжение на накопителе до и после и2(0 мо-
мента t(í появления интервального сигнала
.«1(0 = 1 МОЛ + с,, (3)
«2(0= 1 ¿а(0Л + С2, (4)
где Сг, С2 — постоянные интегрирования
С г = г/01 — [ | «г (О Щ / -о, (5)
С2 = И1(/0)-11«2(ОЛ]^ (6>
а ио1 — начальное напряжение на накопителе, ¿¿г (^о) — напряжение иА на накопителе в момент ¿0.
Момент сравнения 'Л, когда накопитель энергии зарядится до некоторого значения «срав , которое может быть названо уровнем сравнения и при достижении которого, на выходе сравнивающего устройства появляется сигнал, определится из (4) и (6).
Гтт//"»!«.-- (7)
и «2 (Ч ] °Рав
где
С4 = *0-[ Г-"77,^2! . (8)
и И2{1) ]ва-в1(/ о)
I
Из выражений (7) и (8) видно, что при изменении момента /0 на некоторую величину Д£0 момент сравнения 1Х получит приращение Д^. Очевидно, что если Д^, > то можно говорить об усилении изменений фазы Д/0. Это усиление можно оценить коэффициентом усиления изменений фазы ¿ф, который равен отношению приращения момента когда напряжение на накопителе достигнет некоторого уровня
сравнения исрав, к приращению Д£0 момента t0 появления интервального сигнала (2, 3)
¿¿о Мо
}Г ГОиЛ )
Ц ^ и2 ] «а - йх </0) \
(9)
Достаточным условием получения усиления изменений фазы будет
сI Г Г Г* йъ*
> 2. (10)
При экспоненциально изменяющемся напряжении на накопителе получим
¿Ф = 1 —— =1 —9 (п)
где — постоянные цепи заряда накопителя до и после момента £0. Таким образом, коэффициент усиления изменений фазы опреде-
(¿о) /
ляется соотношением скоростей заряда — (или постоянных цепи заряда —) до и после момента ¿0 появления интервального импуль-
са, определяющего момент коммутации.
Нетрудно заметить, что условие усиления изменений фазы выполняется при различной последовательности заряд-разрядных процессов на накопителе до и после момента /0 коммутации. Возможны 4 случая: заряд — заряд, разряд — заряд, заряд — разряд, разряд — разряд, которые неравноценны в отношении погрешностей усиления изменений фазы.
Можно показать, что основная погрешность связана с нестабильностью уровня сравнения и равна
Д^о • (Е #срав)
Из выражения (12) видно, что для уменьшения погрешности из-за нестабильности уровня сравнения необходимо уменьшать величину порога сравнения исрав- Поэтому для уменьшения выгодно применять схемы УИФ, у которых выходное напряжение после момента /0 коммутации уменьшается (например, заряд — разрядную).
В качестве накопителя энергии возможно применение как индуктивного, так и емкостного накопителя. УИФ с индуктивным накопителем целесообразно применять при постоянных фазовых сдвигах /о<ТЮ~5 сек. Для получения больших коэффициентов усиления изменений фазы целесообразно применение УИФ смешанного типа, т. е. таких, в которых сочетаются накопители ¿и С.
В качестве примера на рис. 2 приведена схема простейшего УИФ типа /?С (с емкостным накопителем). В исходном состоянии лампа Лх и Л2 открыты; сопротивление /?аг в анбде лампы </7г отрегулировано таким образом, что в исходном состоянии падения напряжения на анодах ламп равны и, следовательно, начальное напряжение на конденсаторе С равно 0. В момент 1п отрицательный прям'оугольный импульс длительностью ти^> /о с преобразователя импульсов, запускаемого опорным сигналом, поступает на вход 1 м, запирает лампу Ль Благодаря скачку напряжения на аноде Лх конденсатор С начинает заряжаться через
диод Л3 и лампу Так как сопротивление Яо много больше внутреннего сопротивления /?/2 лампы Л2, то его влиянием на процесс заряда можно пренебречь. В момент коммутации на вход 2 поступает такой же отри-
Рис. 2. Схема УИФ типа /?С.
дательный прям'оугольный импульс, но уже с преобразователя, запускае мого интервальным сигналом. Лампа ¿1% запирается, конденсатор С будет продолжать заряжаться через сопротивление Я0. Так как + то ^ < ЧТО необходимо для усиления изменений
фазы.
Для данной схемы
>1.
Выходное напряжение, поступающее на устройство сравнения СрУу пропорционально току заряда, что да^т возможность использовать низкие значения порога сравнения исрав- Положительными свойствами рассматриваемой схемы УИФ являются самовосстанавливаемость, заземленные катоды обеих коммутирующих ламп, возможность получения значительных Схема УИФ типа приведена на рис. 3, а
+ 1
Рис. 3. Схема УИФ типа /?£ (а) и временные диаграммы к ней (б)
В начальном состоянии лампы Л2 и Лх закрыты, ток в цепи Яа — £ — /?с наибольший. В момент /н появления опорного сигнала положительный прямоугольный импульс, поступающий на вход 1, отпирает лам
пу Ль потенциал ее анода понижается и ток через индуктивность А начинает убывать с постоянной времени (1):
ЦЯп + Яа)
Яп-Яа + ЯИ Яо+ЯоЯа
В момент поступления интервального импульса отпирается лампа Л2. Ток через индуктивность продолжает убывать, но уже с другой постоянной времени
___ЦЯц + Яа)
"2
То ==
Поэтому
А* = 1
ДпДа + Я/! -/?|2 + /?/2 Яа
(14)
Эта схема УИФ имеет низкий уровень сравнения исрав, самовосстанавливается, дает значительные простота в осуществлении коммутации. Рассмотренные схемы УИФ целесообразно применять в фазомет-рической аппаратуре, предназначенной для измерения относительно небольших отклонений фазы от некоторого постоянного значения. Блок-схема такого фазометра -на основе УИФ приведена иа рис. 4.
ил
ф
а.«.
0.2 Ф.С Ф
уиФ
Ср. у
Тр
иу
Рис. 4. Блок-схема фазометра на основе усилителя изменений фазы: ОД — опорный датчик, ИД — измерительный датчик, Ф — формирователь, УИФ — усилитель изменений фазы, СрУ — сравнивающее устройство, Тр — триггер, ИУ — измерительное устройство, ДЦ — дифференцирующая цепочка, ФС — фазосдвигатель
Сдвинутые во времени в соответствии с фазовым* сдвигом опорный и интервальный сигналы датчиков поступают на формирователь Ф своего канала. При исследовании импульсных сигналов формирователь состоит из усилителя, ограничителя, дифференцирующих цепей и ждущего мультивибратора; при гармонических сигналах — из усилителя, ограничителя и триггера Шмидта.
Сформированные импульсы со двигом по фазе поступают на входы УИФ. С помощью сравнивающего устройства СрУ и триггера Тр усиленные изменения фазы преобразуются в изменения напряжения, регистрируемые измерительным устройством ИУ. Это осуществляется следующим образом. Опережающий импульс опорного канала после формирования и дифференцирования перебрасываем триггер Тр в состояние 1. В момент, когда напряжение на выходе УИФ достигнет уровня сравнения, сравнивающее устройство выдаст сигнал, переворачивающий триггер в исходное состояние. При изменении фазового сдвига между
сигналами датчика на Д£0 длительность выходного сигнала триггера изменится на Д£0, а изменения среднего значения регистрируемого напряжения будут равны
(15)
где им — амплитуда импульса на выходе триггера, Т — период следования импульсов.
Среднее значение напряжения выходного сигнала триггера регистрируется с помощью измерительного устройства, в котором измерительный прибор включен так, чтобы скомпенсировать показание, соответствующее постоянному фазовому сдвигу.
Предусмотренное в схеме фазосдвигающее ФС устройство предназначено для «установки нуля» в начале измерения.
Применение УИФ дает возможность значительно увеличить чувствительность и разрешающую способность фазометрической аппаратуры.
, Условные обозначения
Кф—коэффициент усиления изменений фазы,
—относительная погрешность усиления изменений фазы, [— время,
/н—момент появления опорного сигнала, /0— момент коммутации, ¿1—момент сравнения,
— изменение момента коммутации, А^—изменение момента сравнения,
Т—период следования импульсов, тц—длительность импульса, тА—постоянная цепи заряда до момента ^—постоянная цепи заряда после момента и коммутации, напряжение до и после момента коммутации, —скорость изменения напряжения до и после момента и коммутации, мсрав—напряжение сравнения,
^"срав— относительная нестабильность уровня сравнения «01—начальное напряжение на накопителе.
— напряжение на накопителе в момент 1:0, и>м— амплитуда импульса на выходе триггера»
Р— параметр цепи заряда накопителя, Ск— некоторая постоянная интегрирования,
— анодное сопротивление,
/?;— внутреннее сопротивление лампы,
/?0—сопротивление цепи заряда накопителя после момента С— емкость /-— индуктивность, Л— электродная ламла,
ЛИТЕРАТУРА
%
1. Л. Р. Нейман, П. Л. К а л а н т а р о в. Теоретические основы электротехники. Госэнергоиздат, М.—Л., ч. 2, 1959.
2. Л. М. Ананьев и др. Индукционный ускоритель электронов — бетатрон. Гос-атомиздат, 1961.
3. Удостоверение о регистрации № 51146, 1965.
