Калибратор переменного напряжения Советский патент 1984 года по МПК G05F1/44 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к калибраторам переменного тока, и может быть использовано при построении информационно-измерительных систем и систем автоматического контроля и управления. Известен калибратор переменного напряжения, содержащий задающий генератор, регулирующий элемент, последовательно соединенные источник опорного напряжения, дифференциал ьньй компаратор и усилитель П . Недостатком устройства является низкая точность установки заданного уровня выходного напряжения в широком диапазоне частот из-за частотной погрешности дифференциального компаратора, с помощью которог происходит сравнение значения выход ного напряжения калибратора с опорным напряжением, в качестве которог используется напряжение постоянного тока. При зтом погрешность калибров ки выходного напряжения в диапазоне частот до единиц гигагерц может дос тигать десятков процентов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является калибратор переменного напряжения, содержащий задающий генератор, к вы ходу которого подключен регулирующий элемент, стробоскопический прео разователь, выходом подключенный к входу первого усилителя, последовательно соединенные источник опорног напряжения, компаратор и второй усилитель, а также клемму для подключения нагрузки Г23. В известном устройстве стробоскопический преобразователь выполнен в виде стробоскопического смесителя, вход стробировання которого подключен к выходу формирователя стробирующих импульсов, а выход соединен с усилителем. Известное устройство обеспечивает получение переменного напряжения калиброванного по амплитудному значению в широком диапазоне частот. Однако при необходимости получения переменного напряжения различной формы и калиброванного с высокой точностью по среднем либо действую щему значению известное устройство использовано быть не может, так как при постоянстве амплитудного значения выходного напряжения капибратора его действующее либо среднее значение зависит от его формы, которая не является постоянной. При использовании известного устройства погрешность калибровки выходного напряжения по среднему либо действующему значению будет значительной (десят-. ки процентов), что совершенно недопустимо при прецизионных измерениях. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей калибратора переменного напряжения, состоящее в том, что предлагаемое устройство может формировать переменное напряжение различной формы, калиброванное по амплитудному, среднему либо действующему значению. Поставленная цель достигается тем, что в калибратор переменного напряжения, содержащий задающий генератор , к выходу которого подключен регулирующий элемент, компаратор, один вход которого соединен с источником опорного напряжения , выход - с входом первого усилителя, второй усилитель, стробоскопический преобразователь, клемму для подключения нагрузки, введены сумматор, усилитель мощности, два ключа, запоминающий узел и блок управления, причем выход первого усилителя через последовательно соединенные первый ключ и запоминающий узел подключен к управляющему входу регулирующего элемента, вход стробоскопического преобразователя соединен с клеммой для подключения нагрузки, а выход через второй усилитель подсоединен к .другому входу компаратора непосредственно и через второй ключ - к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом регулирующего элемента, а выход через усилитель мощности подсоединен к клемме для подключения нагрузки, при этом управляющие входы обоих ключей подключены к выходу блока управления. На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 блок-схема одного из возможных вариантов исполнения блока управления; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства. Калибратор переменного напряжения содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, регулирующий элемент 2, сумматор 3, усапитель 4 мощности и клемму 5 для подключения нагрузки 6, последовательно соединенные стробоскопический преобразователь 7, первый усилитель 8, дифференциальный компаратор 9, другой вход которого подключен к выходу источника 10 опорного напряжения, второй усилитель 11, первый ключ 12 и запоминающий узел 13, выходом подключенный к управляющему входу регулирующего элемента 2, а также второй ключ 14, включенный между выходом первого усилителя 8 и другим входом сумматора 3, блок 15 управления , выходами подключенный к управляющим входам первого 12 и второго 14 ключей. Блок управления (фиг.2) содержи генератор 16 тактовых импульсов, счетчик 17 импульсов, дешифраторы 18-20, триггеры 21 и 22. При работе калибратора в составе автоматических систем измерения и контроля функции блока управ ления может выполнять мини-ЭВМ. Стробоскопический преобразователь 7 выполнен в виде стробоскопического смесителя, подключенного к усилителю-расширителю со схемой обратной связи по постоянному и переменному току, а также к формирователю стробкрующих импульсов с системой фазовой автоподстройки частоты следования стробирующих импульсов. Компаратор 9 конструктивно пред ставляет собой, например, преобра зователь амплитудного, среднего л бо действующего значения переменного напряжения в постоянное, выходом подключенный к одному из входов схемы сравнения, на другой вход которой поступает опорный сигнал в виде напряжения постоянного тока. Выходным сигналом преобразователя переменного напряжения в постоянное является переменное напряжение низкой фиксированной частоты (например, 20 кГц) Калибратор переменного напряже ния работает следующим образом. Периодически через определенно время непрерывной работы происхо дит коррекция уровня выходного на пряжения калибратора. По команде 254 с блока 15 управления замыкаются ключи 12 и 14. В первом режиме работы калибратора (цикле коррекции) высокочастотное напряжение, поступающее на первый вход сумматора 3 с задающего генератора 1 через регулирующий элемент 2, суммируется с напряжением низкой фиксированной промежуточной частоты, поступающим на второй вход сумматора 3 с выхода усилителя 8 через ключ 14. Суммарный сигнал через усилитель 4 мощности поступает на выход калибратора, к которому подключена нагрузка 6. Сигнал низкой фиксированной частоты передается на нагрузку 6 с выхода усилителя 8 практически без искажений., Сформированный на выходе калибратора суммарный сигнал, равный сумме напряжения высокой частоты и напряжения низкой фиксированной частоты поступает на вход стробоскопического преобразователя 7. В стробоскопическом преобразователе 7 при помощи системы фазовой автоподстройки частоты формируются стробирующие импульсы, засинхронизированные с высокочастотным сигналом. Строб-импульсами в смесителе преобразователя 7 происходит стробирование сформированного на выходе калибратора разностного сигнала некрмпенсации, образованного разностью мгновенных значений выcoкoчiacтoтнoгo напряжения и компенсирующего напряжения Uf, промежуточной частоты в моменты времени действия строб-импульсов. При этом на выходе стробоскопического преобразователя 7 формируется разностное напряжение некомпенсации промежуточной низкой фиксированной частоты (например, 20 кГц), намного меньшей, чем частота выходного сигнала задакицего генератора 1. Это напряжение усиливается усилителем 8, инвертируется и через ключ 14 поступает на второй вход сумматора 3. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 8 на выходе калибратора в моменты времени действия строб-импульсов происходит компенсация значений высокочастотного сигнала Ug значениями сформированного напряжения промежуточной частоты Unp (разностное напряжение нёкомпенсации стремится к нулю), Таким образом, стробоскопический преобразователь 7 охвачен отрицательной обратной связью по напряжению низкой фиксированной промежуточной частоты. Сущность действия отрицательной обратной связи по напряжению промежуточной частоты поя.сняется временными диаграммами (фиг.З). Для примера взят случай, когда выходное высокочастотное напряжение калибратора имеет синусоидальную форму. На фиг.За показано высо кочастотное напряжение И, сформированное на выходе калибратора, пунктирной линией вьщелена огибающая промежуточной частоты значений напряжения Ugi, в моменты времени действия строб-импульсов (фиг.36), засинхронизированных с высокочасToTHbJM сигналом Ugj.Ha фиг.Зв показано сформированное компенсирующее напряжение промежуточной частоты которое сдвинуто по фазе относительно огибающей значений напряжения Ugq в моменты вре мени стробирования и отлично от нее по амплитуде. Компенсирующее напряжение U(,p снимается с выхода усилителя 8 и практически без искажений передается ка выход кали ратора с подключенной нагрузкой 6. На фиг.Зг показана сумма компенсирующего напряжения промежуточной частоты Uf, и высокочастотного напряжения Ug на выходе калибрато ра. Этот суммарный сигнал поступае на вход стробоскопического преобра зователя 7. Строб-импульсами (фиг. стробируется разностный сигнал некомпенсации (фиг.Зг), образованный разностью мгновенных значений высо кочастотного напряжения идцСфиг.За и компенсирующего напряжения (фиг.Зв) промежуточной частоты.При этом на выходе стробоскопического преобразователя 7 формируется разностное напряжение некомпенсации ди (фиг.Зд) промежуточной частот Из напряжения некомпенсации U при его усилении и инвертировании формируется компенсирующее напряжение , которое суммируется с в сокочастотным напряжением .В ре зультате при достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 8 напряжение Unp изменится таким об 5 разом, что в моменты времени стробирования на выходе калибратора произойдет компенсация значений высокочастотного сигнала Ug (фиг.За) значениями сформированного компенсирующего напряжения U промежуточной частоты. При этом разностное напряжение некомпенсации ДИ (фиг.Зд) стремится к нулю. В результате компенсирующее напряжение Uf,- будет равно проинвертированному напряжению сгибающей высокочастотного напряжения Цдц т.е. будет равно по амплитуде напряжению Ugg и полностью повторять его по форме, но в трансформированном (растянутом) масштабе времени. Охват стробоскопического преобразователя 7 отрицательной обратной связью по промежуточной частоте позволяет уменьшить погрешность преобразования от нестабильности коэффициента его передачи. Сигнал с выхода усилителя 8 поступает на первьш вход компаратора 9 (амплитудньк, средних либо действующих значений), сравнивается с опорным напряжением постоянного тока,поступающим на второй вход компаратора 9 с источника 10. Разностный сигнал с выхода компаратора 9, усиленньй усилителем 11 через ключ 12 и запоминающий узел 13, воздействует на управляющий вход регулирующего элемента 2. В результате выходное высокочастотное напряжение калибратора изменяется до тех пор, пока не станет равно опорному напряжению (по амплитудному, среднему либо действующему значению).Равенство устанавливается с высокой точностью, определяемой статизмом замкнутой системы авторегулирования. Таким образом, происходит коррекция уровня выходного напряжения калибратора при подключенной нагрузке. При этом может задаваться как амплитудное, так и среднее либо действующее значение выходного напряжения калибратора, которое может иметь различную форму. Режим коррекции длится 0,1-1 с. Затем по команде с блока управления происходит переключение калибратора во второй режим работы,Сначала размыкается ключ 12. Этим устраняется прохоадение на вход запоминающего узла 13 напряжения переходного процесса, возникающего при размыкании ключа 14. Запоминающий узел 13 запоминает значение напряжения , поступающего на управляющий вход регулирующего элемента 2. При этом значение выходного высокочастотного напряжения калибратора, установленное в режиме коррекции, поддерживается постоянным.Затем размыкается ключ 14. В результате цепь обратной связи по промежуточной частоте размыкается и из выходного напряжения калибратора исключается составляющая промежуточной частоты. Второй режим работы калибратора длится 5-10 с. В течение этого времени выходное напряжение калибратора не успевает измениться, а сам калибратор может быть использован в качестве образцового источника переменного напря жения . При работе калибратора в составе автоматических систем измерения и контроля от калибратора не требуется непрерывной работы. Переключение калибратора во второй режим может быть засинхронизировано с проведением разли.чных контрольно измерительных операций. В паузах между ними может происходить коррекция значения выходного напряжения калибратора. Если работа системы и калибрато ра в составе системы засинхронизированы, то цикличность работы калибратора не повлияет на быстродей ствие системы в целом. Автоматичес кая коррекция уровня выходного напряжения калибратора может быть запрограммирована с любыми переклю чениями в схеме калибратора (например, при переходе с одного калиброванного уровня выходного напряжения на другой, при переключении частоты выходного сигнала, при изменении сопротивления нагрузки п переходе с одного контролируемого объекта на другой). Блок 15 управления (фиг.2) рабо тает следующим образом. На счетчик 17 импульсов поступа тактовые импульсы частоты f от ге ратора 16 тактовых импульсов. В мо мент перехода кода счетчика в нуле вое состояние формируется выходной сигнал дешифратора 20, который под 0258 ется на входы установки в состояние 1 триггеров 21 и 22. При этом сигналами с выходов триггеров 21 и 22 замыкаются ключи 12 и 14. При переходе счетчика 17 в состояние f , где t - длительность цикла коррекции, формируется выходной сигнал дещифратора 18, устанавливающий в состояние О триггер 21. При этом размыкается ключ 12. С некоторой задержкой на время срабатывания ключа 12 при установке следующего состояния кода счетчика 17 дешифратор 19 устанавливает в О триггер 22. При этом размыкается ключ 14. При любых переключе-, ниях в схеме калибратора счетчик устанавливается в нулевое состояние. После чего начинается цикл коррекции. Введение новых блоков и узлов с соответствующими связями значительно расширяет функциональные возможности устройства, которое может быть использовано для получения переменного напряжения различной формы,калиброванного как по амплитудному, так и по среднему либо действующему значению в широком диапазоне частот вплоть до единиц гигагерц. Погрешность установки заданного значения выходного напряжения калибратора при этом может составлять 2-3%. Предлагаемое схемное решение позволяет охватить стробоскопический преобразователь в составе калибратора переменного напряжения отрицательной обратной связью по напряжению низкой фиксированной промежуточной частоты. Причем само уравновешивание высокочастотного сигнала напряжения обратной связи происходит непосредственно на входе стробоскопического преобразователя , которьй подключен к выходу калибратора, т.е. калибровка высокочастотного напряжения осуществляется непосредственно на входе стробоскопического преобразователя. При этом исключается влияние на точность установки заданного уровня выходного напряжения калибратора погрешности передачи высокочастотного сигнала сумматором, с помощью которого осуществляется введение обратной связи по напряжению промежуточной частоты (а также усилителя), Если выходной сигнал калибратора снимать до сумматора (т.е. с выхода регулирующего элемента), то частотная

погрешность сумматора полностью войдет в погрешность установки уровня выходного напряжения калиб109402510

ратора, которая при этом существенно возрастает и может достигать 7-10%.

ZJ

к /

1в

I

гг

К Ш

ZO

7 iI I I

Ф14г.Е

а