Измерительный преобразователь среднеквадратичных значений напряжений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в вольтметрах среднеквадратичных значений переменного напряжения. Цель - повышение точности за счет уменьшения погрешности преобразования в широком диапазоне частот и температур. Преобразователь содержит измерительный канал, состоящий из последовательно соединенных масштабного преобразователя 1 напряжения, импульсного амплитудного модулятора 9, преобразователя 10 напряжение - ток, к выходу которого подключен также первый диод 7, фильтра 11 нижних частот, первого усилителя 12, подключенного неинвертирующим входом, конденсатора 4 и первого элемента 17 выборки-хранения. При этом вывод конденсатора 4 и вход первого элемента 17 выборки-хранения соединены с первым выходом элемента 19 фиксации уровней и цепью обратной связи, состоящей из квадратора 13 и делителя 14 напряжения, соединенного с инвертирующим входом первого усилителя 12. Опорный канал состоит из последовательно соединенных источника 15 импульсного тока, второго усилителя 16, второго конденсатора 5, второго элемента 18 выборки-хранения. При этом к выходу источника 15 импульсного тока подключены также второй диод 8 и выход источника 21 стабильного тока, а вывод второго конденсатора 5 и вход второго элемента 18 выборки-хранения соединены со вторым выходом элемента 19 фиксации уровней. Вход опорного канала и управляющий вход импульсного амплитудного модулятора 9 соединены с первым выходом формирователя 22 управляющих напряжений, второй выход которого соединен с входом элемента 19, а третий выход формирователя 22 подключен к управляющим входам элементов 17, 18, выходы которых соединены с входами сумматоров. Сигнал с выхода сумматора 6 подается на первый диод 7 через усилитель 3 постоянного тока, измеритель 2 тока и управляемый источник 20 тока. Выделение среднеквадратичного значения осуществляется в измерительном канале за счет действия цепи обратной связи, причем ток источника 20 прямо пропорционален среднеквадратичному значению входного напряжения, а компенсация погрешности обеспечивается сигналом опорного канала, в состав которого входит диод 8 с характеристиками, идентичными диоду 7 измерительного канала. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 С 01 R 19/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К д ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ дхо

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbfl HAM

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 3973076/24-63 (22) 04.11.85 (46) 15.08.90. Бюл. Р 30 (71) Куйбышевский электротехнический институт связи (72) В.В.Иванютин (53) 621.317.7 (088.8) (56) Милливольтметр ВЗ-48А. Техничес. кое описание и инструкция по эксплуатации, 1983. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

СРЕДНЕКВАПРАТИЧШ!Х ЗНАЧЕНИЙ НАПРЯ жЕН1й (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в вольтметрах среднеквадратичных значений переменного напряжения. Цель, — повышение точности за счет уменьшения погрешности преобразования в широком диапазоне частот и температур. Преобразователь содержит измерительный канал, состо„,80„„1585766 A 1 ящий из последовательно соединенных масштабного преобразователя 1 напряжения, импульсного амплитудного модулятора 9, преобразователя 10 напряжение — ток, к выходу которого подключен также первый диод 7, фильтра 11 нижних частот, первого усилителя 12, подключенного неинвертирующим входом, конденсатора 4 и первого элемента 17 выборки-хранения.

При этом вывод конденсатора 4 и вход первого элемента 17 выборки-хранения соединены с первым выходом элемента

19 фиксации уровней и целью обратной связи, состоящей из квадратора 13 и делителя 14 напряжения, соединенного с инвертирующим входом первого усилителя 12. Опорный канал состоит из последовательно соединенных источника 15 импульсного тока, второго усилителя 16, второго конденсатора 5, второго элемента 18 выборки-хранения, При этом к выходу источника 15 импульсного тока подключены также вто-, 1585766

15 рой диод 8 и выход источника 21 стабильного тока, а вывод второго конденсатора 5 и вход второго элемента 18 выборки-хранения соединены с вторым выходом элемента 19 фиксации уровней. Вход опорного канала и управляющий вход импульсного амплитудного модулятора 9 соединены с первым выходом формирователя 22 управляющих напряжений, второй выход которого соединен с входом элемента

19, а третий выход формирователя 22 подклю;ен к управляющим входам элементов 17, 18, выходы которых соединены с входами сумматоров. Сигнал с

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в вольтметрах среднеквадратичных значений для измерения среднеквадратичных значений переменных нап- 25 ряжений с нулевыми средними значениями в диапазонах звуковых, ультразвуковых и радиочастот.

Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет 30 уменьшения погрешностей преобразования в широком диапазоне частот и температур.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства; на фиг.2 — импульс- 3 ный амплитудный модулятор; на фиг.3— элемент фиксации уровней; на фиг,4 формирователь управляющих напряжений.

Измерительный преобразователь среднеквадратичных значений напряжений (ИПСЗН) содержит масштабный преобразователь 1 напряжений, измеритель 2 тока, усилитель 3 постоянного тока, первый 4 и второй 5 конденсаторы и аналоговый сумматор 6.

В ИПСЗН введены полупроводниковые диоды или диоды Иоттки 7 и 8, соединенные последовательно импульсный амплитудный модулятор 9, преобразователь 10 напряжение — ток,фильтр 11 низких частот и первый усилитель 12 с двумя входами, один из которых неинвертирующий, а второй инвертирующий. Кроме того, в ИПСЗН введены соединенные последовательно квадра55 тор 13 и делитель 14 напряжения, соединенные последовательно источник 15 импульсного тока и второй усилитель

16 импульсов, первый 17 и второй 18 выхода сумматора 6 подается на первый диод 7 через усилитель 3 постоянного тока, измеритель 2 тока и управляемый источник 20 тока. Выделение среднеквадратичного значения осуществляется в измерительном канале за счет действия цепи обратной связи, причем ток источника 20 прямо пропорционален среднеквадратичному значению входного напряжения, а компенсация погрешности обеспечивается сигналом опорного канала, в состав которого входит диод 8 с характеристиками, идентичными диоду 7 измерительного канала . 4 ил . элементы выборки-хранения, элемент

19 фиксации уровней, управляемый источник 20 тока, источник 21 стабильного тока и формирователь 22 управляющих напряжений.

Масштабный преобразователь 1 обеспечивает усиление входных напряжений

ИПСЗН и может быть выполнен в виде широкополосного усилителя, имеющего достаточно равномерную амплитудночастотную характеристику в диапазоне частот укаэанных входных напряжений.

Коэффициент усиления такого усилителя должен обеспечивать получение выходных напряжений с максимальными амплитудными значениями порядка 1В.

Это необходимо для того, чтобы уменьшить погрешности преобразования, связанные с помехами от управляющего импульсным амплитудным модулятором 9 напряжения (или тока). Если вход ИПСЗН должен быть рассчитан на непосредственное подключение к входному аттенюатору вольтметра, его входное сопротивление должно быть достаточно высоким, а входная емкость малой.

Измеритель 2 тока обеспечивает отсчет среднеквадратичных значений напряжений, поступающих на вход вольтметра, в состав которого будет входить ИПСЗН. В качестве такого измерителя можно использовать микроамперметр или миллиамперметр магнитоэлектрической системы или цифровой измеритель постоянного напряжения с включенным параллельно его входу шунтом и соответствующей системой

)585766

2S диода можно использовать полупроводниковые диоды или диоды Шоттки, имеющие малые диффузионные емкости и малые рекомбинационные составляющие тока при прямых токах, лежащих в диапазоне О, 1-10 мА. В диапазоне частот до 30-50 мГц можно применять доиоды

КД503 и КД521, а в диапазоне частот до сотен мегагерц рекомендуется использовать диоды Шоттки, например

КД514.

Второй диод 8 обеспечивает получение импульсного напряжения, амплитудное значение которого пропорци55 онально температурному потенциалу у т р-и-перехода первого диода 7. Этот диод должен иметь хороший тепловой контакт с первым диодом и может быть управления индикацией порядка измеряемых значений напряжений.

Усилитель 3 постоянного тока необходим для усиления выходного напряжения аналогового сумматора 6

5 и выделения среднего значения этого напряжения. В качестве такого усилителя может быть применен инвертирующий усилитель с использованием операционного усилителя, Конденсаторы 4 и 5 используются для разделения по постоянному току выходов усилителей 12 и 16 импульсов и входов элементов 17 и 18 выборкк-хранения. Разделение необходимо для уменьшения погрешностей преобразования, связанных с дрейфом нуля усилителей импульсов. Емкости конденсаторов должны быть выбраны так, 20 чтобы "скалывание" вершин импульсов на входах элементов 17 и 18 не превышало десятых долей процента.

Аналоговый сумматор 6 выполняет операцию суммирования поступающих на его входы постоянных напряжений, пропорциональных "размаху" (разность максимального и минимального значений напряжений) импульсов на выходах усилителей 12 и 16. В качестве такого сумматора можно применить инвертирующий сумматор с использованием операционного усилителя.

Первый диод 7 введен для получения приращения напряжения, пропорционального квадрату переменного .тока, 35 который прямо пропорционален входному переменному напряжению ИПСЗН, и обратно пропорционального квадрату выходного постоянного тока управляемого

40 источника 20 тока. В качестве такого аналогичен первому диоду. Предйочтительным является размещение первого и второго диодов на общей подлож ке или в одном кристалле полупроводника.

Импульсный амплитудный модулятор

9 введен для получения импульсной амплитудной модуляции входного переменного напряжения ИСПЗН. его коэффициент передачи должен с частотой модуляции скачкообразно изменяться от значения порядка единицы до значения, близкого к нулю. На частотах до сотен килогерц в качестве такого модулятора можно применить инвертирующкй усилитель с использованием операционного усилителя, значение коэффициента передачи которого можно изменять с помощью полевого транзистора. Схема такого модулятора, приведенная на фиг.2 и содержащая преобразователь уровней управляющего напряжения на транзисторе VT1 обеспечивает воэможность управления напряжениями с логическими уровнями микросхем ТТЛ.

Преобразователь 10 напряжение — ток формирует импульсы переменного тока, значения которого прямо пропорциональны значениям выходного напряжения модулятора 9, имеющего импульсную модуляцию.

Фильтр 11 низких частот служит для выделения среднего значения приращения напряжения первого диода

7. Через укаэанный диод протекает постоянный прямой ток источника 20 тока и выходной переменный ток преобразователя 10, имеющий импульсную модуляцию.

Первый усилитель 12 импульсов используется для усиления импульсов среднего значения приращений напряжения диода 7, поступающих с выхода фильтра :1.

Квадратор 13 необходим для коррекции погрешности преобразования ИПСЗН, связанной с составляющей приращения напряжения первого диода 7, пропорциональной четвертой степени выходного тока преобразователя 10.0н формирует импульсное напряжение, пропорциональное квадрату входного напряжения первого элемента 17 выборки-хранения, которое является однополярным в результате использования элемента 19 фиксации уровней. В качестве квадратора 13 можно применить один из кз1585766

30 торы.

Источник 20 тока служит для изменения значения постоянного тока первого диода 7 в процессе автоматической

i0 подстройки этого тока, обеспечиваемого действующей в 1Ц1СЗН обратной связью. Значения выходного тока источника 20 должны быть прямо пропорциональны его входному току, протекающему через входную цепь измерителя 2 тока, 5 выходное сопротивление его должно быть высоким, а выходная емкость малой, Последнее необходимо для того, вестных квадраторов с использованием аналогового умножителя или квадратор с использованием импульсной модуляции переменного тока диода, пропор5 ционального входному напряжению квадратора.

Делитель 14 напряжения обеспечивает деление и регулировку выходного напряжения квадратора 13.

Источник 15 импульсного тока введен для получения на втором диоде

8 импульсного напряжения с прямоугольнойй Аормой, амплитудные значения которого прямо пропорциональны температурному потенциалу р-п-перехода первого диода 7. Импульсное напряжение используется для коррекции мультипликативной погрешности преобразования ИПСЗН, связанной с изменением температуры. Источник 15 тока может быть выполнен в виде переключателя тока на двух транзисторах с источником. стабильного тока в цепях их эмиттеров. 25

Элементы 17 и 18 выборки-хранения обеспечивают, выборку (запоминание) и хранение "размаха" импульсов выходного напряжения усилителей

12 и 16. Для получения размаха но время паузы межпу Аормируемыми модулятором 9 радиоимпульсами входы элементов 17 и 18 необходимо соединять с общей шиной, т.е. обеспечивать фиксацию уровней напряжения.

Элемент 19 Аиксации уровней слу35 жит для подключения входов элементов

17 и 18 выборки-хранения к общей шине во время паузы между формируемыми модулятором 9 радиоимпульсами.

В качестве такого элемента можно применить два аналоговых ключа со схемой управления (преобразователь уровней управляющего напряжения), например по Аиг.3. В ней в качестве ф °

45 ключей использованы полевые транзисчтобы обеспечить малую погрешность преобразования ИИСЗН, связанную с ответвлением части выходного тока преобразователя 10 я выходную цепь источника 20.

Источник 21 стабильного постоянного тока введен для обеспечения стабилизации тока покоя второго диода Я, имеющего порядок десятых долей миллиампера, Формирователь 22 управляющих напряжении введен для получения импульсных напряжений, используемых для управления импульсным амплитудным модулятором 9,источником 15 импульсного тока, элементами 17, 18 выборки-. хранения, элементом 19 Аиксации уровней. Форма выходных импульсов Аормирователя 22 должна быть близкой к прямоугольной, а период следования должен быть равен (не обязательно точно) нескольким единицам или десяткам периодов самого низкочастотного из входных напряжений ИЛСЗН. Последнее необходимо для обеспечения возможности реализации AHJIbTpa 11, подавляющего переменную составляющую приращений напряжения диода 7.

Один иэ вариантов схемы Аормирователя 22 приведен на фиг.4. Он содержит автоколебательный мультивибратор 23 и пять ждущих мультивибраторов, которые могут быть выполнены на интегральных микросхемах К155АГЗ.

Длительность выходного импульса ждущего мультивибратора 24, соединенного с первым выходом, может быть близкой к половине периода выходных импульсов мультивибратора 23. Иультивибратор 25 используется для обеспечения задержки импульса, Аормируемого мультивибратором 26 на время, превышающее половину периода. В результате этого формируемый мультивибратором 26 импульс с длительностью порядка 1/0 периода, используемый для управления фиксации уровней, заканчивается до появления импульса на первом выходе и до начала Аормируемого модулятором

9 радиоимпульса. Иультивибратор 27 используется для получения задержки импульса с длительностью порядка 1/8 периода, Аормируемого мультивибратором 28 и используемого для управления выборкой. Задержка, обеспечиваемая мультивибратором 27, должна быть несколько больше длительности переходного процесса Аильтра 11. При этом

85766

25

9 15 ,)борка происходит на интервале времени, во время которого входное на пряжение элемента 17 выборки-хранения имеет поч и постоянное значение.

11ри преобразовании синусоидальных входных напряжений ИПСЗП работает следующим образом.

Входное переменное напряжение U>

ИПСЗН поступает на вход масштабного преобразователя 1, имеющего коэффициент преобразования К,, и после усиления преобразуется модулятором 9 в

У радиоимпульсы напряжения. На интервалах времени, когда модулятор 9 формирует радиоимпульсы, его коэффициент передачи равен К9, а во время паузы межцу радиоимпульсами имеет значение, близкое к нулю.

Преобразователь 10, имеющий коэАфициент преобразования напряжения в ток, равный К, преобразует радиоим1o пульсы напряжения в радиоимпульсы тока i, протекающего через диод 7 вместе с выходным постоянным током упрпвляемого преобразователя (источника 20 тока).

Среднее значение приращения напряжения диода 7 выделяется фильтром 11, имеющим коэффициент передачи К „,, а с его выхода поступает на первый вход первого усилителя 12 импульсов, имеющего дифференциальный коэффициент усиления I:, . Ita второй вход усилителя 12 поступает выходное напряжение делителя 14, который имеет коэффициент передачи К . На вход делителя

14 напряжения подается выходное напряжение квадратора 13, имеющего коэф0<3 фициент преобразования --, -- =К)

1 бк 1

Это напряжение имеет форму однополярных прямоугольных импульсов, поскольку входное напряжение квадратора

13 в результате работы элемента 19 фиксации уровней является однополярным.

Постоянный ток источника 20 прямо пропорционален среднеквадратичному

Uмвх значению — — — входного синусоидальЧ7 ного напряжения ИПСЗН.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь среднеквадратичных значений напряжений, содержащий масштабный преобразователь напряжения, измеритель тока, усилитель постоянного тока, первый и второй конденсаторы, сумматор и два нелинейных элемента, о т л и ч а ю.— шийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения погрешности преобразования в широком диапазоне частот и температур, масштабный преобразователь напряжения своим выходом подключен к входу измерительного канала, состоящего из последовательно соединенных импульсного амплитудного модулятора, преобразователя напряжение — ток,фильтра нижних частот, первого усилителя, подключенного неинвертирующим входом перного кон) денсатора и первого элемента выборкихранения, соединенного с первым входом сумматора, к выходу )креобразователя напряжение — ток подключен первый нелинейный элемент, выполненный в виде диода, вывод п<.рного конденсатора и вход первого элемента выборкихранения соединены с первым выходом элемента фиксации уровней и с входом квадратора, выход которого через делитель напряжения соединен с инвертирующим входом первого усилителя, управляющий вход импульсного амплитудного модулятора соединен с первым выходом формирователя управляющих напряжений и с входом опорного канала, состоящего из последовательно соединенных источника импульсного тока, второго усилителя, второго конденсатора и второго элемента выборки-хранения, соединенного выходом с вторым входом сумматора, выход источника импульсного тока подключен также к второму нелинейному элементу, выполненному в виде диода, и к выходу источника стабильного тока, вывод второго конденсатора и вход второго элемента выборки-хранения соединены с вторым входом элемента фиксации уровней, управляющий вход которого соединен с вторым выходом формирователя .управляющих напряжений, третий выход которого соединен с управляющими входами элементов выборки-хранения, выход сумматора через последовательно соединенные усилитель постоянного тока, измеритель тока и управляемый источник тока соединен с первым нелинейным элементом.

1535766

1585766 их 1

Составитель А.Васильев

Техред Л.Олийнык Корректор М.Самборская

Редактор М.Циткина

Заказ 2325 Тираж 557 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета. по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101