Линейный преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике. Цель изобретения - повышение точности преобразования. Для этого в преобразователь введены клемма 9, шунтирующий конденсатор 10 и развязывающий резистор 11. Точность преобразования повышается за счет снижения погрешностей нелинейности и от влияния формы входного напряжения при высоком входном сопротивлении и более широком диапазоне входных напряжений. Преобразователь содержит также два квадратора 1/2, интегрирующий усилитель 3. генератор 4 импульсов, амплитудный модулятор 5, выходную и входную клеммы 6,7. 1 ил/

СОУЭЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 R 19/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4621799/21 (22) 19 12.88 (46) 23.03.92. Бюл. ЬЬ 11 (72) В.А,Сидоров (53) 621.317.322 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

hk 1170367, кл. G. 01 R 19/22, 25,02.82.

Авторское свидетельство СССР

- М 920539, кл. G 01 R 19/02, 22.02.82. (54) ЛИНЕЙНЫЙ ПРчОБРАЗОВАТЕЛЬ . СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ .

ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике, Цель изобретения — повы„„Я „„1721526 А1 шение точности преобразования. Для этого в преобразователь введены клемма 9, шунтирующий конденсатор 10 и развязывающий резистор 11. Точность преобразования повышается за.счет снижения погрешностей нелинейности и от влияния формы входного напряжения при высоком входном сопротивлении и более широком диапазоне входных напряжений. Преобразователь содержит также два квадратора 1, 2, интегрирующий усилитель 3, генератор 4 импульсов, амплитудный модулятор 5, выходную и входную клеммы 6, 7. 1 ил, 1721526 сигнальный вход которого соединен с выходной клеммой преобразователя, управляющий вход — с выходом генератора импульсов. Недостатком известного преобразователя является невысокая точность, обусловленная неидентичностью показателей степени п1, п2 функций преобразования первого и второго квадраторов соответственно, а также от <лонением Л и покаэате50

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в точных аналоговых системах, например вольтметрах среднеквадратического значения (СКЗ) переменного напряжения произ- 5 вольной формы, Известен линейный преобразователь

СКЗ переменного напряжения (далее — преобразователь), содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах, 10 у которых затвор соединен с истоком, подключенным через соответствующий конденсатор к шине нулевого -потенциала, усилитель постоянного тока, выход которого соединен с выходной клеммой преобра- 15 зователя, один из входов подключен к истоку транзистора первого квадратора, связанного по стоку с входной клеммой преобразователя, а другой вход- к истоку транзистора второго квадратора, модулятор, 20 сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, а выход— к истоку транзистора второго квадратора, генератор импульсов, выход которого подключен к управляющему входу модулятора. 25

Недостатком данного преобразователя является невысокая точность, обусловленная большим уровнем шумов на выходе преобразователя, квадратичностью реальных квадраторов и наличием методической по- ЗО грешности.

Кроме того, иэ-за наличия двух постоянных времени в петле обратной связи возможна потеря устойчивости, Наиболее близким к изобретению по 35 технической сущности является преобразователь, содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах с управляющим р — и переходом, у которых исток соединен с затвором, инте рирующий 40 усилитель постоянного тока, генератор импульсов, модулятор, причем выход упомянутого усилителя соединен с выходной клеммой преобразователя, неинвертирующий вход — с истоком транзистора первого 45 квадратора, связанного по стоку с входной клеммой преобразователя, и со стоком транзистора второго квадратора, исток которого соединен с выходом модулятора, лей степени п1 и пр от идеального значения, равного двум.

Погрешность квадратора, реагирующего на мгновенные значения напряжений (каким является квадратор на полевом транзисторе), зависит не только от коэффициента амплитуды (Ка), отклонения Л и, но и от вида функции, описывающей кривую напряжения. Для исключения указанных составляющих погрешности необходимо обеспечить п1 = п2 = 2, т,е. Л n = О.

Большинство исследованных полевых транзисторов в диодном включении (как и у прототипа) имеют показатели п1 и п2, отличающиеся между собой и от значения, равного двум, на несколько сотых, что обуславливает погрешность нелинейности и от влияния формы напряжения, достигающую единиц процентов, Цель изобретения — повышение точности преобразования.

При этом одновременно повышается входное сопротивление преобразователя и расширяется диапазон СКЗ преобразуемых напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь. содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах с управляющим р — п переходом, интегрирующий усилитель постоянного тока, генератор импульсов, модулятор, причем выход упомянутого усилителя соединен с выходной клеммой преобразователя, неинвертирующий вход — с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход — с истоком транзистора первого квадратора, сток которого соединен с входной клеммой преобразователя, сигнальный вход модулятора соединен с выходной клеммой преобразователя, а управляющий вход — с выходом генератора импульсов, введены клемма, соединенная с затвором транзистора первого квадратора, на которую подано напряжение смещения запирающей полярности, конденсатор емкостью С, включенный между затвором и стоком транзистора второго квадратора, и резистор сопротивлением R, включенный между затворами транзисто-. ров первого и второго квадраторов, причем значение упомянутого напряжения смещения не превышает значений напряжений отсечки транзисторов, а параметры С, R u частота f импульсов упомянутого генератора связаны соотношением 2 x f и С» 1.

Кроме того, истоки транзисторов соединены между собой, а сток транзистора второго квадратора — с сигнальным выходом .модулятора, 1721526 соединенную с затвором транзистора квад- 20

35 шения 2 л 1 8 С» 1 конденсатор 10 шунти- 40

На чертеже представлена структурная схема предложенного преобразователя.

Преобразователь содержит первый 1 и второй 2 квадраторы, выполненные на полевых транзисторах с управляющим р — и переходом, интегрирующий усилитель 3, генератор 4 импульсов, выход которого соединен с управляющим входом модулятора

5, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя 3 и выходной клеммой 6 преобразователя, а сигнальный выход — со стоком транзистора квадратора 2. Входная клемма 7 преобразователя соединена со стоком транзистора квадратора 1, а соединенные между собой истоки транзисторов подключены к инвертирующему входу усилителя 3, неинвертирующий вход которого соединен с шиной 8 нулевого потенциала.

Кроме того, устройство содержит клемму 9, ратора 1, между которой и шиной 8 нулевого потенциала приложено упомянутое напряжение смещения, конденсатор 10, включенный между затвором и стоком транзистора квадратора 2, и резистор 11, включенный между затворами упомянутых транзисторов. Модулятор 5 может быть выполнен в виде электронного ключа, управляемого генератором,4 прямоугольных импульсов типа меандр.

Преобразователь работает следующим образом.

Поскольку потенциал инвертирующего входа усилителя 3 близок к нулю, то напряжение смещения оказывается приложенным к управляющему переходу затвор-истоктранзисторов квадратора 1 непосредственно, а транзистора квадратора 2— через резистор 11. При соблюдении соотнорует по переменному току переход сток-затвор транзистора квадратора 2, а резистор 11 осуществляет развязку. между затворами транзисторов, не препятствуя при этом передаче постоянного смещения на затвор транзистора квадратора 2 (обратный ток р- и перехода мал). Полярности квадратичных составляющих выходных токов квадрэторов противоположны, что необходимо для правильной работы преобразователя.. В усилителе 3 резистор — в обратной связи, что уменьшает погрешность статизма преобразователя.

Постоянная составляющая Е выходного напряжения преобразователя связана с

СК3 0 входного напряжения следующим соотношением: ь е = К.О(Л+4, где К вЂ” коэффициент пропорциональности;

U )э/г

Vo (1) д — погрешность преобразования.

Погрешность определяется неквадратичностью вольт-амперных характеристик (ВАХ) полевых транзисторов. Исследуем выражение, описывающее ВАХ в крутой области (до насыщения) (ч (й,е(/o (Й +ягк )э/г где А — ток стока;

4 — ток отсечки канала;

Uc — напряжение сток-исток; р< — контактная разность потенциалов на переходе (барьерный потенциал);

Ua — напряжение затвор-исток; (/o = Uo+ рк — полное напряжение отсечки;

Uo — напряжение отсечки.

Ic, Введя нормированные величины !с = —, 4

Uc. Us

Uc = —, Оэ =- —, (/о (/o где Чэ = Оз+ уъ, формулу (1) можно представить в виде с= — 3 Uñ — 2(Uз — Uñ) +2 0 . (2)

Разложив (2) в ряд по степеням Uc, используя при этом для члена в круглых скобках формулу бинома Ньютона, получим с = — 3 Ос+ 3 Us Ос — Оу . Ос—

1/2 3 — 1/2

-" U," О, - — 30" 0 Z, (3)

2 64 где Z — остаток ряда.

Разложение(3) справедливо при Uc< 0>, что, как правило, выполняется на практике.

Ограничимся суммой ряда до четвертой степени ((, вклкгчитевьно. (/Статпк 2 при этом не превышает О,024 Uz Uc. При U> > 0,5, Uc < 0,1 относительная ошибка аппроксимации не превышает 0,004%, Усредняя по времени указанную частичную сумму ряда (3) и полагая при этом, что входное напряжение 0>< (t) = Uc (1)— периодическое с нулевой постоянной составляющей, после перехода к ненормированным величинам получим

Х =! (а 02+ Ь 04) (4)

3 0-1/2 /-3/2. где а= — —, з о

Ь 3 - /5/2 1/-з/2

64

Ов = (— J Ос (с) dt) — биквадратичет 4 1/а т, ское значение напряжения, Представим в (4) U< = Кф U, где Кф—

4 4 коэффициент, однозначно определяемый формой напряжения, получим

Хс = à 4 U2 (1 + у); (5) 1721526 где y= U =0,06 К М U — погреш-2 2 ность квадрирования.

Из (5) следует, что при увеличении l Us l погрешность ууменьшается, что равносильно и-+2 при степенной аппроксимации ВАХ полевого транзистора.

Погрешность (днл) нелинейности и погрешности (дф) от влияния формы напряжения (являющиеся основными составляющими погрешности преобразования) можно определить по следующим формулам:

1 г д.. = -(у -1г) =0,030 (кф !v»

Кфг/ A2)i (6) дф = — (y1 — year ) = 0,03 (Кф - Кфг) х

2г

x U /V,>, (7) гдето«, «г и у — погрешность первого, второго квэдраторов и погрешность первого квадратора при градуировочной форме сигнала соответственно;

Кф1, Кфг и Кфг — коэффициенты, определяемые соотношением входного напряжения преобразователя, выходного напряжения модулятора и градуировочного напряжения соответственно;

V», Чзг- полное напряжение затвор-исток первого и второго квадраторов..

Например, при синусоидальном градуировочном напряжении (Кф = 1,5) и входном напряжении, представляющем собой последовательность прямоугольных импульсов с к.=1o(кф = к. =1oo), дф -3 U /Чз1. у-Лп, тогда при степенной аппроксимации функций преобразования квадраторав погрешности днл п1 — пг и дф Л и, Следовательно, при повышении } Оз l уменьшается отклонением и от по = 2, чта свидетельствует о повышении квадратичности квадраторов и, как следствие, повышении точности преобразователя.

Входное сопротивление (Язх) преобразователя с открытым входом определяется сопротивлением канала транзистора квадратора 1 по формуле (6)

В.,=Я./(1-vs), (8) .где R — начальное сопротивление канала.

Из (8) следует, что при увеличении U3 =

= (Оз+ p<)/(Uo+ p

Максимальный симметричный (относительно Оо = О) диапазон преобразуемых напряжений (U ) можно оценить по формуле (7)

Uw:= 0,5 l Uo l + 0,3; (9)

v = uç./Uî = О 5 — 0 3! Uî l, (10) где Оз и Оо выражены в вольтах .

Для диодного включения транзисторов (каку прототипа) v =О. При этом U = 0,6 B.

Из формулы (9) следует, что при использовании транзистора, имеющего Оо > 0,6 В, воз5 можно расширение диапазона входных напряжений. Например, при Оо= 1,8 В UM== 1,2 В, что достигается при U = 0,6 В. Как показали исследования различных типов транзисторов в качестве квадраторов, чув10 ствительность последних при изменении смещения на управляющем переходе изменяется незначительно (менее 5 «(). Поэтому в данном случае происходит расширение диапазона по уровню СКЗ или увеличение

15 максимально допускаемого значения Кз без ухудшения соотношения сигнал/шум(в приведенном примере — в 2 раза).

При постановке в (1) 0> = О,.члены разложения с четными степенями изменяют по20 лярность на противоположную.

Исследуе,лая выборка полевых транзи-. сторов содержала транзисторы различных .типов, лет выпуска, различные по технологии изготовления. На всех транзисторах

25 партии отмечено повышение квадратичности при увеличении v. Для большинства транзисторов удавалось получить значение и = 2 с точностью до случайной составляющей погрешности и погрешности измери30 тельных приборов. Измерение и можно проводить, например, по способу формулы (8}.

Практически все палевые транзисторы имеют n > 2. При некотором значении v0

35 возможно достижение и = 2. Если продолжать увеличивать ч, то и становится менее двух, что не вытекает из общей теории. Повидимому, в этом случае сказывается влияние поперечного и продольного

40 электрических полей, которые определяются напряжением V3 и конструктивно-технологическими параметрами транзистора.

Например, при использовании неподобранных по параметрам полевыхтранзисторов типа КП103Л (Uoi = 2,98 В; 002.= 2,36 Bj и при v = 0 максимальная погрешность нелинейности достигает 12 j (в диапазоне 100—

300 Bj. При О» = 0,94 В, Озг =-0,79 В указанная погрешность не превышает 0,2Я„т.е. уменьшается в 60 раз. При использовании согласованной пары КПС104 на практике удается снизить погрешность на порядок (до сотых долей процента).

Предложенный преобразователь по сравнению с известным имеет меньшие погрешности нелинейности и от влияния формы напряжения. большее входное сопротивление и диапазон преобразуемых напряжений, 1721526

Составитель Сидоров

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С.Шевкун

Редактор Л.Гратилло

Заказ 950 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Формула изобретения

Линейный преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения, содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах с управляющим р — и переходом, интегрирующий усилитель, генератор импульсов, модулятор, причем выход интегрирующего усилителя соединен с выходной клеммой преобразователя, неинвертирующий вход— с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход — с истоком транзистора первого квадратора, сток которого соединен с входной клеммой преобразователя, сигнальный вход модулятора соединен с выходной клеммой преобразователя, а управляющий вход соединен с выходом генератора импульсов, о т л и ч э ю щ.и и с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, дополнительно введены третья клемма, конденсатор, резистор, причем затвор транзистора первого квадратора соединен

5 с третьей клеммой, сток транзистора второго квадратора соединен с сигнальным выходом модулятора, а исток соединен с истоком транзистора первого квадратора, выводы конденсатора соединены соответственно с

10 затвором и стоком транзистора второго квадратора, выводы резистора соединены соответственно с затворами транзисторов первого и второго квадраторов, причем частота импульсов f генератора определяется

15 соотношением 2 л f R С» 1, где С вЂ” емкость конденсатора;

R — сопротивление резистора,