Преобразователь переменного напряжения в постоянное по уровню средневыпрямленного значения Советский патент 1986 года по МПК G01R19/22 

1

Изобретение относится к области электроизмерений и может быть использовано в прибо1 ах для измерения сред- невьтрямленного значейия переменлого напряжения.

Цепь изобретения - повышение точности путем уменьшения влияния времени задержки компаратора на выходное напряжение.

На.фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг, 2 и 3 - временные диаграммы напряжений, поясняющие его работу; на фиг. 4 - функциональная схема генератора треугольного напряжения; на фиг. 5 - временные диаграммы напряжений, поясняющие его работу..

Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит компара

тор 1, первый вход которого соединен с входной шиной, а второй - с основным выходом генератора 2 треугольного напряжения, первый ключ 3, управ- лйюпщй вход которого соединен с вы- х.одом компаратора 1, выход - с первы входом суммирующе-фил.ьтру5ощего блока 4, выход которого соединен с выходной шинсЛй. СинхронизируЕоп5Ий выход генератора 2 треугольного напряжения соединен с управляющим входом второго ключа 5, выход которого подключен к второму входу суммирукще-фильтрую- щего элемента 4, и с входом формирователя 6 меандра, выход которого подключен к входам первого 3 и второго 5 ключей..

Генератор 2 треугольного напряжения содержит, например, генератор 7 тактовых импульсов, триггеры 8, 9 и 10, интегратор 1t и формирователь 12 (фиг. 4).

Преобразователь переменного напряжения в постоянное работает следующим образом.

Генератор 2 треугольного напря- жения формирует треугольное двухпо- лярное напряжение на основном выходе и прямоугольные импульсы на синхронизирующем выходе.

Генератор 7 иьшульсов генератора 2 треугольного напряжения формирует последовательность тактовых импульсов (фиг. 5а) с частотой 4/, где If. - период треугольного, напряжения На выходах триггера 8, работающего в режиме делителя частоты на двг, образуется прямая и инвертированная последовательносфи Прямоугольных

10

25

30

35

40

45

50 55

257539

импульсов (фиг. 56,в). После повторного деления в триггере 9 (фйг.5г) напряжение поступает на вход формирователя 12, который формирует двух- полярное напряжение типа меандр (фиг. 5г). На выходе интегратора 11 формируется треугольное напряжение (фиг. 5д), поступающее на основной выход генератора 2 треугольного напряжения. Инвертированный сигнал с второго выхода триггера 8 поступает на триггер 10, на вьЬсоде которого образуе тся прямоугольное напряжение, синфазное и синхронное с треугольным (фиг. 5е), поступающее на синхрони-. зирующий выход генератора 2 треугольного напряжения, Треугольное напряжение U-p(t) (фиг. 2а) с основного выхода генератора 2 треугольного напряжения сравнивается компаратором 1 с входным напряжением U(t). Выходной сигнал компаратора 1 управляет ключом 3 таким образом, что прямоугольное напряжение U (t) выхода формирователя 6 меандра поступает на первый вход сумнирующе-фильтрующего блока 4 при условии U(t) U(t) (заштрихованные импульсы на фиг. 2а). На второй вход суммирующе-ф}-тьтрующего блока 4 через ключ 5 проходят импульсы прямоугольного напряжения

)5

20

U,(t)

при условии U(t) о (фиг. 26). Напряжения, поступающие на входы суммирующе-фильтрующего блока 4, усредняются, а затем суммируются, в результате чего на выходе преобразователя выделяется постоянное напряжение, пропорциональное средневыпрям- ленному значению входного сигнала, что можно показать г-сатематически.

Среднее напряжение, поступающее на первый вход суммирующе-фильтрующего блока 4 в режиме, когда период треугольного напряжения значительно меньше периода Т входного сигнала синусоидальной формы U(t)U sinwt, для положительной полуволны (фиг.2а) равно

м

1 г

- Is

TTU.I - -2-J ,

и, (it; +. At ) (1)

где N : ,

2Тт-

и,, - амплитуда выходного напряжения формирователя 6 меандра.

31257539-

Для определения At; аппроксимиру- Среднее напряжение за период поло- ем кривую U(t) на .каждом i-м периоде жительной полуволны синусоиды треугольного напряжения oтpeзкa fи

.прямых, проходящих через точки Aj п 1 т Г yil-J j§iHl§ii i + и В| с кoopдинaтa я :. s Р Т ;-о (. 4 Т -УР+

А; iT +t , и sinudTf + У TL

В; IT, .1: . f . J

U,sinc.(iT, ,4.10 P °

ZH- Для i-ro периода можно записатьU p 4 gff |I )rT

U(t) i ib-ЫУг ±- где p 2cos(4i«:+o)sinft:.

rt.5

+ и sin(8io +u).Воспользовавшись соотношением

Tl

где f, sin«(iT, + 1 -Ы -r 1 , . ,,, n (3j

IЛ

- sinuCiT +Z) 2cos(8ioi +cJ +u )x 20 и ограничив ряд двумя членами, можно X sino ;записать

«41. s«i.. 125-)

Т .+ 2 JP cos{4ic + (x)sin(xd.

Треугольное напряжение на i-м После преобразований получим отрезке можно записать.. п yip ZM

„,„. ш.л,.,...,, ,„ Р.; ;f «si S f

+ sinoC sinCSioc + ot ) где Ujv,o,j;c амплитуда треугольногоiT

напряжения.-Ysin u ZNl

Из условия U(t) Uf(t) определяем J

Учитывая, что

.„, Tr и,251п(81со + a )35

t- . iT,.+ - + 7- л - --г,-n - / COS 2Ы

r----o;

I 0о J. Ll f-Qf

Тогда « l-:-2 f- ,

д. III 5isl§i i - ,2..

° 4 1 -7/ 403

.2H-(

Un, sinCSioi +OC) 0.

где у .

UMOKCrrс-

Если за начальную точку отсчета при- После преобразования получим

нять точку в и отсчет времени вести

45н

влево, то---

и - У1- + УьУ.

t- -т ч. J y-§is() ср 4 2- ,.

то;; д;7Г -96NV.

. .--itivf .

u 4ci( -u ,Используя выражение (3) и огра( ничив ряд первыми членами пос/3 2 cos(8i(x: + 5oi - Д ) .ле преобразований, получим

При этом . у, y.Jl 1 1Г1

т, о- / 2-П 32N2 96N

it- Ii-t 5i2l§i ± 4 (Х - Л ),.4иг 4 1 -УД + ---. )- .

о/П3072N 512N3

ZH-

o)

Отбросив члены второго порядка малости получим

гд

и

ср

и, и.. о.У2

4 2 128№

Рассмотрим отрицательную полуволну синусоиды.

Если за начальную точку отсчета принять точку С и отсчет времени вести влево, tj определяется аналогично, 10 как и для потенциальной полуволны, только знак напряжений U(t) и U(t) заменяется на противоположный и Г

-

Тогда

J., iT -С+ 2l i sin() 1 4 1 -У/

где р - 2cos(8ioi +ct - U )sin«.

llfifi определения tj за начало отсчета выбирается точка В, отсчет времени вправо и

Тг 2

Тт

с +

-t-C; t JT + ii- +

J sis( i)

4

где . - 2cos( + 5c + u )siTio:.

Среднее напряжение за период отрицательной полуволны синусоиды 4 TI т

2-- ч. -ut .U, )... (4)

Подставив значения itj и ut : при условии, что IT О

II У + U t г- op- 4 8N .,% Т - СГЗначение и п определяется таким же выр.ажением, как и для положительной полярности (2) синусоиды, тогда сред нее напряжение, поступающее на первый вход суммирующе-фильтрующего блока 4, равно

u, , и,гг . + „„

64N2 Среднее на выходе второго ключа

и,

2 :

Напряжение на выходе устройства

и.

%х V.

и П 2и--(),

метке.

тг

где 8 2N2

и j/u(t)/dt,

о

средневыпрямленное значение синусоидального сигнала.

Таким образом, на вмходе преобразователя получается напряжение, дро- порциональное средневьтрямленному значению входного сигнала с определенной погрешностью. Погрешность о

с ростом отношения -- резко убывает,

Г г

как при Т 101., S 1,2%.

Рассмотрим режим, когда Т и Т (фиг. 3). Усредняется часть прямоугольного напряжения ), когда выполняется условие U(t) UY.(t) . Рассмотрим период времени, когда треугольное напряжение возрастает и Положительно

4U

ллоко

U,(t).

Заменим возрастающее треугольное напряжение отрезками прямых, параллельных оси времени в моменты

t: |ilT.

тогда

u(t) ill.,

г /(

r

Среднее напряжение на первом входе суммирующе-фильтрующего блока, когда U(t) О и возрастает, равно . N-I „

5 2u,

где .и„/ти при Т . Т . Исходя из равенства U(t) U (t), определяем , t;

.t; L: arcsin i I.ill

45

4i-i-1

50

- - -arcsin----,

Тогда

2и,Т

N.4

5 1

41+1,

- / I. 41-t-l,.

- ТГ S4 2f -4N1 0

:У Т

N4

41+1,

ui,f,.4iT|,

7т А- - carcsin-Tn-).

:2Т

ri 0

4N

Аналогично, когда U(t) О, но быв-ает

,т и.Т . 2 . 41+3 V 2Т-

Когда U.j.(t) : О и возрастает

и ЯУл.:: - у 2U ( - xtO ср. 1 . iJ ЛЧ -

После преобразований получим

и. . и, т

N-H

ср -тЧт -- Г itO

2 . 4i+K - arcsin ),

где и (t) : О и убывает -I и, и, Т

Ucp - д- 2т;

f, 2 . 41+Зч X 2 (1 - arcsin-Tg-).

Усредненное напряжение, которое тупает на первый вход суммирующ фильтрующего блока

Ufp Ucp, + Ucp + Ucp, и, U,T .. 2 , 2i+

s - -- .i..i« s (i - -a TTf с 1 «--2 T ;75 -jarcsin

После преобразований получаем, .тывая, что

Hi . и,и„ 2U,T

% - 2 -2u;-r т;т

NI . 2i+1 х arc sin---- ,

4N

напряжение на выходе устройства

2tt-t

и yiU«

2U«a,e

xSI uxjarcsinx . При N - 00

..-jli--

„

X 4 X; arcsinx

i«0

2i+1

где X- ---;

2Й Так как

2N-1

lim ux-arc

Uo

t

1 arcsinx xdx

0 TO

(2 1) У„у,

П-Ti VoI r, fn 7 мaIC

2U

«arc

1257539

а-„у, 2у„

2U -

- «ate

Таким образом в режиме, когда Т Т, обеспечивается точное пре- образование входного синусоидального сигнала в постоянное напряжение по уровню средневыпрямленного значения.

Исходя из выражений (1) и (4) напряжение на первом входе суммирую- ще-фильтрующего блока 4 с учетом времени задержки компаратора 1

,-U,p. -2.

+ fz (fit, +1, + utl -1 ,) -ь

L

ut; + t

;.

(it: где t - время задержки компаратора,

когда происходит размывание ключа,

t - время задержки ко таратора, когда происходит замыкание ключа

N i.

25

К

Т - Т,

где Т, - период времени, ной сигнал положителен;

Т - период входного напряжения U(t), В общем случае N / К

После преобразований получим напряжение на выходе устройства.

«.ы.

и,

и, )(-1

т Z. (at; + at ; ) -tuo

4ti) ш, -1, )-K(t, - t;).

Учитывая, что первое слагаемое представляет собой средневьшрямленное 45 значение положительной полуволны пере J менного напряжени.1 с коэффициентом мак а второе - отрицательной полуволны

и У1У + yiC2Ti ; TKti - t j.)

2U,,

Таким образом, при равенстве t t погрешность от времени задержки компаратора равна нулю при любой фор- 55 ме сигнала. При неравенстве t. и t погрешность зависит от формы сигнала.

Т При Т, - погрешность также равна

нулю.

91

Сделанные выводы справедливы и для режима, когда Т Ту, что позволяет значительно расширить частотиьй диапазон входных сигналов преобразователя в области высоких частот.

Таким образом, отличия преобразователя позволяют за счет многократно го компарирования входного напряжения с треугольным за период входного напряжения уменьшить погрешность, вызванную дрейфом нуля компаратора и его задержкой переключения, что обес печивает пов-ьшение точности преобра- зорания не менее чем в 20 раз. Формула изобретения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное по уровню сред- невьтря-млеиного значения, содержащий компаратор, выход которого сое57539..10

динен с управляюпщм входом первого ключа, а первый вход - с входной шиной, и второй ключ, отличающийся тем, что, с целью повы- г шения точности, в него дополнительно введены формирователь меандра, суммирующе-фильтрующий блок и генератор треугольного напряжения, при этом основной выход генератора тре10 угольного напряжения со единен с вто- входом компаратора, синхронизи- руюпщй выход генератора треугольного напряжения соеди.нен с входом формирователя меандра и управляюпщм вхо15 дом второго ключа, информационные входы первого и вторго ключей соединены с выходом формирователя меандра, а выходы ключей - с входами суммиру- гоще-фильтрующего блока, выход кото20 рого подключен к выходной шине.

Изобретение относится к облас- ти электроизмерений и может быть использовано в приборах для измерения средневыпрямленного значения переменного тока. Цель изобретения - повышение точности работы устройства. Преобразователь содержит компаратор 1 и ключи 3 и 5. Введение генератора 2 треугольного напряжения, суммирующе- фильтрующего блока 4 и формирователя 6 меандра позволяет за счет многократного компарирования входного напряжения с треугольным за период входного напряжения уменьшить погрешность, вызванную дрейфом нуля компаратора 1 и его задержкой переключения, что обеспечивает повышение точности преобразования не менее чем в 20 раз. 5 ил. (Л ffjfoB ВыжоЗ К) сл vl ел со

Un{f)

фиг. г

О It и ( I I I I II I I ,

ь п п п п п п г

1 П П П П П П г

фиг Л

f t

Редактор М.Петрова

(ffu& 5

Составитель А.Пучковский

Техред Л.Олейник Корректор И.Муска

Заказ 4912/42Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

;по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская на5,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная., 4

-.-/