ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01R19/02 

Изобретение относится к электронике. Основная область применения - измерительная техника. Применяется для измерения уровня сигналов переменного тока.

Известны преобразователи среднеквадратического значения переменного напряжения [1], [2]. Их принцип действия основан на уравнении:

где U - среднеквадратическое значение напряжения, u(t) - мгновенное значение измеряемого сигнала и Т - период измерения (усреднения).

Первое из известных устройств [1] содержит квадратор, фильтр нижних частот (усредняющее устройство) и устройство вычисления квадратного корня.

Второе из известных устройств [2], являющееся наиболее близким техническим решением к данному изобретению, содержит квадратор, усредняющее устройство, аналого-цифровой преобразователь с источником опорного напряжения постоянного тока и цифровое устройство для вычисления квадратного корня. Вход квадратора соединен с входной клеммой, а выход с входом усредняющего устройства, которое своим выходом подключено ко входу аналого-цифрового преобразователя, выходное значение кода которого, выражающее отношение напряжения на входе к опорному напряжению, подается на вход вычислительного устройства, выдающего на выход измеренное среднеквадратическое значение в виде цифрового кода.

Недостатком известных устройств является невысокая точность, определяемая, в первую очередь, параметрами квадратора. Усредняющее устройство погрешности, обычно, не вносит, а ошибки вычисления квадратного корня в известном устройстве [2] устраняются выбором аналого-цифрового преобразователя и цифрового вычислительного устройства с достаточной разрешающей способностью и точностью.

Целью изобретения является повышение точности измерения (преобразования) переменного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство добавляется цифроаналоговый преобразователь, вход которого подключен к выходу вычислительного устройства, первый аналоговый ключ на входе квадратора, подключающий его вход к входной клемме или к выходу цифроаналогового преобразователя, второй аналоговый ключ, переключающий конденсатор фильтра, изменяя постоянную времени усредняющего устройства, третий аналоговый ключ на входе аналого-цифрового преобразователя, подключающий его вход к выходу усредняющего устройства или выходу цифроаналогового преобразователя, устройство управления аналоговыми ключами и вычислительным устройством.

Схема преобразователя показана на чертеже (фиг. 1).

Преобразователь содержит соединенные последовательно квадратор 1, усредняющее устройство 2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3 с источником опорного напряжения 4 и вычислительное устройство 5. Вход квадратора подключен к выходу аналогового ключа 6, через который на него подается измеряемое напряжение Ux или выходное напряжение Uc цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 9. Аналоговый ключ 7 обеспечивает изменение постоянной времени усредняющего устройства. Через аналоговый ключ 8 на вход аналого-цифрового преобразователя подается выходное напряжение U² усредняющего устройства или выходное напряжение цифроаналогового преобразователя, которые сравниваются с опорным напряжением Ur. Устройство управления 10 вырабатывает сигналы, устанавливающие в необходимое состояние аналоговые ключи и режим работы вычислительного устройства.

Преобразователь работает следующим образом.

Схема управления обеспечивает формирование 2N+1 состояний (фаз) работы преобразователя (далее будем их называть 0-я, 1а, 1b, 2a ... Na и Nb фазы).

В 0-й фазе измеряемое напряжение подается на вход квадратора, усредняющее устройство включается с такой постоянной времени, чтобы обеспечить необходимое подавление пульсаций выходного напряжения квадратора на самой низкой частоте измеряемого сигнала. Выходное напряжение усредняющего устройства подается на (АЦП). Вычислительное устройство, используя измеренное АЦП значение U0, определяет значение измеряемого сигнала Ux как:

Вычисленное значение пропорционально величине входного напряжения, отличаясь на коэффициент передачи квадратора, и содержит составляющие погрешности, свойственные реальному квадратору, например, за счет нелинейности.

Последующие фазы работы преобразователя обеспечивают определение коэффициента преобразования и коррекцию других погрешностей. Причем калибровка квадратора преобразователя (а это именно операция калибровки) выполняется при уровне, приблизительно равном измеряемому напряжению, действующему в этот момент на входе, что существенно снижает погрешность измерения.

Для осуществления калибровки вход квадратора 1 подключается к выходу ЦАП 9 аналоговым ключом 6. Аналоговый ключ 7 размыкается, уменьшая постоянную времени усредняющего устройства настолько, чтобы можно было с максимальной скоростью измерять напряжение постоянного тока, подаваемое на вход квадратора 1. Это состояние схемы сохраняется неизменным в течение выполнения всех фаз калибровки от 1а до Nb. Состояние аналогового ключа 8 в это время меняется, обеспечивая АЦП 3 возможность поочередного измерения напряжения на выходе ЦАП 9 (фазы с индексом а) и на выходе усредняющего устройства (фазы с индексом b). Изменение состояния схемы преобразователя происходит под действием сигналов управляющего устройства 10.

С выхода вычислительного устройства на вход ЦАП подается N значений кода, обеспечивающих воспроизведение на его выходе N калибровочных уровней. Каждый калибровочный уровень Uc действует в течение двух рабочих фаз (с индексами а и b) и вычисляется как:
Uс_1...N=Ux•M_1...N,
где M₁, М₂ ... M_N - весовые коэффициенты, описывающие ожидаемый закон распределения значений измеряемого сигнала (форму измеряемого сигнала). Например, для синусоидального сигнала при N=8 удобно использовать следующие значения коэффициентов: -1,4166, -1,0833, -0,75, -0,5, 0,5, 0,75, 1,0833, 1,4166. Они могут определяться и по другим критериям, обеспечивающим наилучшую коррекцию нелинейности квадратора (или всего преобразователя). Выбор весового коэффициента также происходит по сигналу управляющего устройства 10. Причем порядок применения коэффициентов не имеет никакого значения.

В каждой из фаз калибровки на вычислительное устройство поступают от АЦП 3 значения напряжения, поданные на вход квадратора 1 (Ula...UNa) и полученные на выходе усредняющего устройства 2 (Ulb...UNb). Таким образом, можно определить коэффициент передачи квадратора (преобразователя) K₁ ... K_N для каждого калибровочного уровня:

Коэффициент калибровки квадратора (преобразователя) К определяется как среднее значение масштабных коэффициентов K₁ ... K_N, полученных для каждого калибровочного уровня:

По завершении всего измерительного цикла производится вычисление результата с учетом коэффициента калибровки:
U=U_x•К
Результат в цифровом виде подается на выход преобразователя. Далее управляющее устройство приводит схему в состояние, соответствующее 0-й фазе, и снова повторяет весь измерительный цикл.

Следует отметить особую роль опорного источника 4, который, только на первый взгляд, никакой дополнительной функции, кроме обеспечения работоспособности схемы АЦП 3, не несет.

Она заключается в том, что размерность воспроизводимого им постоянного напряжения переносится на размерность измеряемого переменного напряжения. Средством передачи служит АЦП, выступающий как мера отношения, а калибровка преобразователя (масштаба преобразования) сводится к одной простой операции - установке уровня опорного источника 4.

В роли равноценного опорного источника постоянного напряжения может выступать и ЦАП 9. Однако практическая реализация такого решения нецелесообразна - усложняется схема ЦАП, усложняется его калибровка (он ведь становится многозначной мерой напряжения, которую нужно калибровать во многих точках). При этом очень высокие требования к параметрам АЦП сохраняются. В предлагаемом варианте преобразователя ЦАП должен обеспечивать только кратковременную стабильность выходного напряжения, достаточную для проведения двух измерений - на входе и выходе квадратора.

Таким образом, в данном устройстве точность измерения переменного напряжения обеспечивается только параметрами опорного источника 4 (точностью и стабильностью выходного напряжения) и АЦП 3 (линейностью, динамическим диапазоном и разрешающей способностью). Самый же критичный узел преобразователя - квадратор 1, как средство преобразования переменного напряжения в постоянное, исключается из цепи передачи размерности напряжения.

По сравнению с прототипом [2], у которого параметры квадратора прямо влияют на коэффициент преобразования, предложенная схема преобразователя позволяет значительно повысить точность измерений. При реализации преобразователя достигается снижение погрешности в среднем на порядок при использовании квадраторов того же типа. Единственным существенным фактором, ограничивающим возможность полной коррекции погрешности квадратора, остается его случайная (шумовая) составляющая погрешности.

Во всех случаях применения предлагаемая схема позволяет отказаться от тщательного отбора элементов квадратора и снизить требования, предъявляемые к ним (начальному смещению, асимметрии, температурной стабильности, временному дрейфу). Она наиболее эффективна:
- для построения прецизионных преобразователей, когда недостаточно параметрической точности существующих квадраторов:
- в приборах, работающих в широком температурном диапазоне, позволяя скомпенсировать даже сильную зависимость параметров квадратора от окружающей температуры;
- в высокочастотных измерительных приборах, когда отсутствует возможность применения высококачественных квадраторов из-за неудовлетворительных частотных свойств.

При использовании данного преобразователя в измерительных приборах высокой точности, например вольтметрах, возможно:
- сократить объем калибровочных операций (снизить трудоемкость) благодаря тому, что преобразователь, фактически, калибруется автоматически;
- заменить сложную калибровку на переменном токе более точной калибровкой на постоянном токе и добиться дополнительного повышения точности.

Следует отметить, что платой за повышение точности являются:
- дополнительные аппаратные затраты на усовершенствование преобразователя по сравнению с аналогом [2], но они незначительны - стоимость увеличивается приблизительно на четверть или может не возрастать, если соответственно снизить требования к элементной базе;
- снижение быстродействия в среднем вдвое, однако, оно может быть восстановлено отключением калибровки квадратора, и тогда схема переходит в такой же режим работы, что и известное устройство [2]. Другой возможностью восстановления скорости измерений может быть, например, применение двух параллельных каналов с поочередной калибровкой;
- усложнение вычислительного и управляющего устройств, но это затраты только на программирование микропроцессорного устройства, так как иначе (аппаратно) реализовать описанный алгоритм работы данного преобразователя затруднительно.

Во втором варианте преобразователь, описанный выше, содержит третий дополнительный вход третьего аналогового ключа, позволяющий соединять вход АЦП со второй дополнительной входной клеммой. Это дополнение дает возможность измерения постоянного напряжения с более высокой точностью, минуя квадратор. Однако целью данного дополнения является не повышение точности измерения постоянного напряжения, что очевидно, а возможность калибровки опорного источника АЦП. При этом, подавая на вход преобразователя эталонный уровень постоянного напряжения, посредством пересчета показаний АЦП можно вычислить действительное значение опорного источника, то есть откалибровать его, чем в дальнейшем обеспечить более точное измерение переменного напряжения. Во-вторых, такой преобразователь может работать в режиме сравнения (компарирования) переменного напряжения с постоянным. При этом погрешность измерения будет формироваться только за счет погрешности (нелинейности) АЦП, а погрешность опорного источника АЦП исключается. Таким образом, если изобретение по первому пункту - преобразователь СКЗ для вольтметра, то изобретение по второму пункту - уже преобразователь СКЗ для вольтметра-компаратора напряжений. Схема преобразователя по второму пункту показана на чертеже (фиг. 2).

Наличие второй клеммы для осуществления компарирования необязательно. Сравниваемые напряжения могут подаваться на объединенный вход поочередно.

Работа преобразователя в качестве компаратора напряжений осуществляется чередованием циклов измерения:
- переменного напряжения на первой входной клемме так же, как и в первом варианте схемы;
- постоянного напряжения на второй входной (или объединенной) клемме в третьем положении ключа 8.

По результатам двух измерительных циклов, в которых определяются значения переменного Uac и постоянного Udc напряжений относительно внутреннего опорного источника, вычисляется действительное значение переменного напряжения, поданного на вход преобразователя:

где Us - значение эталонного постоянного напряжения, с которым сравнивается переменное.

Литература
1. У.Титце, Л.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982 г., с. 473.

2. ВОЛЬТМЕТР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В3-71, В3-71/1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Ч.1, 1998 г., с.10 (рис. 5.1) и с.13 (рис. 5.2).

Предлагаемый преобразователь предназначен для измерения уровня переменного напряжения и входит в состав вольтметров переменного тока (или универсальных вольтметров), может применяться в других устройствах для измерения или стабилизации среднеквадратического значения напряжения или тока, например в калибраторах. Его применение целесообразно в измерительных устройствах средней (0,1-0,5%) и высокой точности (менее 0,1%), когда требуется достижение лучших метрологических характеристик. Технический результат - повышение точности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь среднеквадратического значения напряжения, содержащий квадратор, усредняющее устройство на его выходе, аналого-цифровой преобразователь с источником опорного напряжения постоянного тока и вычислительное устройство, определяющее значение квадратного корня, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход - с выходом преобразователя, отличающийся тем, что введен цифроаналоговый преобразователь, вход которого соединен с выходом вычислительного устройства, на входе квадратора введен первый аналоговый ключ, соединяющий его с входной клеммой или выходом введенного цифроаналогового преобразователя, введен второй аналоговый ключ для изменения постоянной времени усредняющего устройства, на входе аналого-цифрового преобразователя введен третий аналоговый ключ, соединяющий его с выходом усредняющего устройства или выходом цифроаналогового преобразователя, введено управляющее устройство, выходы которого соединены с управляющими входами аналоговых ключей и вычислительного устройства. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что введен дополнительный вход третьего аналогового ключа, позволяющий соединять вход аналого-цифрового преобразователя с второй входной клеммой или объединенной клеммой.