СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 1994 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для преобразования и измерения напряжения в различных радиотехнических устройствах, например в многофункциональных вольтметрах.

Известен способ [1] линейного преобразования переменного напряжения в постоянное путем демодулирования, когда преобразуемое напряжение, одновременно с непосредственной его подачей на демодулятор, усиливают, ограничивают по амплитуде и подают на демодулятор в качестве опорного.

Недостатком способа является погрешность преобразования, обусловленная задержкой опорного напряжения относительно преобразуемого.

Известен способ [2] преобразования переменного напряжения в постоянное, основанный на формировании импульсов, амплитуда которых определяется переменным входным напряжением в течение времени, когда последнее больше нуля, и инвертированным входным переменным напряжением в течение времени, когда последнее больше нуля, и на последующей фильтрации постоянной составляющей сформированных импульсов.

Основной недостаток метода обусловлен задержкой или опережением управляющего сигнала, который определяет длительность сформированных импульсов относительно измеряемого напряжения, что приводит к увеличению погрешности преобразования при возрастании частоты входного напряжения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ преобразования переменного напряжения в постоянное, заключающийся в сравнении входного переменного напряжения с пороговым напряжением путем формирования постоянного напряжения логической единицы в течение времени, когда входное напряжение больше порогового, и постоянного напряжения логического нуля в течение времени, когда входное напряжение меньше порогового, в перемножении сформированного напряжения, полученного в результате сравнения, с входным и последующей фильтрацией постоянной составляющей произведения напряжений, причем пороговое напряжение равно нулю, а напряжение единицы равно напряжению нуля со знаком минус.

Недостатком данного способа является ограниченный частотный диапазон преобразования переменного напряжения, обусловленный задержкой сигнала, сформированного в результате сравнения, относительно входного переменного напряжения.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона входных напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что в дополнение к способу преобразования переменного напряжения в постоянное, заключающемуся в сравнении входного переменного напряжения с пороговым напряжением путем формирования постоянного напряжения логической единицы в течение времени, когда входное напряжение больше порогового, и постоянного напряжения логического нуля в течение времени, когда входное напряжение меньше порогового, и фильтрации постоянной составляющей, производится фильтрация постоянной составляющей напряжения, сформированного в результате сравнения, вычитание эталонного напряжения, усиление разностного напряжения и сравнение усиленного напряжения, являющегося пороговым, с входным переменным напряжением, причем пороговое напряжение представляет собой выходное напряжение.

Осуществление фильтрации постоянной составляющей напряжения, полученного в результате сравнения, вычитание эталонного напряжения, усиление разностного напряжения и сравнение усиленного напряжения, являющегося пороговым, с входным переменным напряжением, причем пороговое напряжение представляет собой выходное напряжение, позволило устранить влияние задержки сигнала, сформированного в результате сравнения, относительно входного переменного напряжения на результат преобразования, чем достигается расширение частотного диапазона входных напряжений в области высоких частот.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая сущность способа преобразования переменного напряжения в постоянное.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что с помощью следящей обратной связи поддерживается равенство с заданным коэффициентом пропорциональности сравниваемых входного переменного напряжения и выходного постоянного напряжения.

Проанализируем математически предлагаемый способ преобразования переменного напряжения в постоянное при воздействии синусоидального напряжения
U(t) = U_m·Sin · t , (1) где U_m - амплитуда;
Т - период синусоидального напряжения.

В результате сравнения формируется напряжение логической единицы U₁в течение времени, когда
U(t) ≥ U_п где U_п - пороговое напряжение, напряжение логического нуля U_о в течение времени, когда
U(t) < U_п.

В результате сравнения входного напряжения U(t) с пороговым формируется напряжение в виде импульсной последовательности U₁(t) (фиг.2). При фильтрации постоянной составляющей сформированного напряжения U₁(t) выделяется постоянное напряжение
U = , (2) где временной интервал t₁ определяется из равенства
U_m·Sin t₁ = U_n . (3)
После преобразования выражения (3) получим:
t₁ = arcSin . (4)
Согласно алгоритму преобразования переменного напряжения в постоянное усиленная разность постоянной составляющей напряжения, полученного в результате сравнения и эталонного, равна пороговому напряжению
(U - U_э) ˙ К = U_п (5) где U_э - эталонное напряжение,
К - коэффициент усиления.

При K _→ ∞
U - U_э = 0 (6)
После подстановки выражения (2) с учетом выражения (3) в равенство (6), получим
- - U_э = 0 , (7) откуда
arcSin = . (8)
Представив эталонное напряжение в виде
U_э = + ΔU , (9) получим
arcSin = - · π , (10) или
= Sin . (11)
Учитывая, что пороговое напряжение является выходным, то есть U_п=U_вых, получим
U_вых = U_m·Sin · π . (12)
Из полученного выражения видно, что при выборе ΔU из условия
_ < ΔU < , (13) за исключением ΔU = 0, когда U_вых = 0 выходное напряжение в результате преобразования переменного напряжения в постоянное по предложенному способу пропорционально входному переменному напряжению.

Устройство для осуществления предложенного метода, структурная схема которого приведена на фиг.1, содержит компаратор 1, суммирующе-интегрирующий усилитель 2 и источник 3 эталонного напряжения. Первый вход суммирующе-интегрирующего усилителя 2 подключен к выходу компаратора 1, второй вход - к источнику 3 эталонного напряжения, а выход - к первому входу компаратора 1, второй вход которого является входом устройства. Причем полярность сигнала на выходе компаратора 1 и источника 3 эталонного напряжения противоположного знака.

Реализация блоков структурной схемы (фиг.1) устройства может быть осуществлена в виде [4].

Устройство работает следующим образом. Следящая обратная связь осуществляемая посредством суммирующе-интегрирующего усилителя 2, поддерживает среднее значение напряжения на выходе компаратора 1 равным напряжению на выходе источника 3 эталонного напряжения. Таким образом обеспечивается равенство входного переменного напряжения и постоянного выходного напряжения с определенным, зависимым от величины эталонного напряжения, коэффициентом пропорциональности.

Дополнительным преимуществом предлагаемого способа преобразования является то, что можно осуществить преобразование переменного напряжения в постоянное по уровню амплитудного значения сигнала любой формы.

Выражение (12) справедливо для любого сигнала, и при изменении его формы изменяется соответственно только коэффициент пропорциональности.

При
ΔU = - , U_э= U_о выходное напряжение после преобразования равно максимальному значению положительной полуволны, а при
ΔU = , U_э = U₁ минимальному значению отрицательной полуволны напряжения любой формы.

Использование предлагаемого способа преобразования переменного напряжения в постоянное позволяет исключить влияние задержки сигнала, получаемого в результате операции сравнения, относительно входного, что позволяет расширить частотный диапазон входных напряжений в области верхних частот. Кроме того, использование данного способа позволяет повысить точность преобразования за счет сведения к минимуму операций, производимых с входным сигналом. Осуществляется одна операция: сравнение.

Предложенный способ преобразования переменного напряжения в постоянное может быть использован для выделения огибающей амплитудно-модулированного сигнала выбором соответствующей постоянной времени фильтра, выделяющего постоянную составляющую сигнала, сформированного в результате сравнения, а также для стабилизации амплитуды напряжения в генераторах стандартных сигналов.

Использование: в электроизмерительной технике, может быть применено для преобразования и измерения напряжения в различных радиотехнических устройствах, например в многофункциональных вольтмерах. Сущность: способ преобразования переменного напряжения в постоянное заключается в получении порогового напряжения в результате сравнения входного напряжения и сложении с эталонным напряжением с дальнейшим сравнением полученного порогового напряжения с входным напряжением, формировании постоянного напряжения логической единицы в течение времени, когда входное напряжение больше порогового напряжения и напряжения логического нуля в течение времени, когда входное напряжение меньше порогового, с фильтрацией постоянной составляющей, что позволяет устранить влияние задержки сформированного в результате сравнения сигнала относительно входного на результат преобразования, чем значительно расширяется частотный диапазон входных напряжений. 2 ил.

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, заключающийся в сравнении входного переменного напряжения с пороговым напряжением с последующим формированием постоянного напряжения логической единицы в течение времени, когда входное напряжение больше порогового напряжения, и формированием постоянного напряжения логического нуля в течение времени, когда входное напряжение меньше порогового напряжения, и фильтрации постоянной составляющей, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона входных напряжений, формирование постоянного напряжения производится путем получения порогового напряжения в результате сравнения входного напряжения и сложения с эталонным напряжением с дальнейшим сравнением полученного порогового напряжения с входным напряжением, причем пороговое напряжение U_п при изменении входного напряжения устанавливается так, чтобы обеспечить следующее соотношение:
= U_э,
где U₁ - постоянное напряжение логической единицы в течение времени U(t) > U_п;
U_э - эталонное напряжение;
T_и - длительность сформированного импульса;
T - период входного напряжения.