Ваттметр Советский патент 1987 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых и аналоговых приборах с автоматическим выбором пределов измерения мощности.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона измеряемых мощностей и повьшение точности за счет автоматического переключения масштаба измерения и компенсации температурной погрешности.

На чертеже .приведена функциональная схема ваттметра.

Устройство содержит логарифмические усилители 1 и 2 напряжения и то- t5 транзистора 2и, являющемуся входом ка, блок 3 суммирования, блок 4 по- рендирования, вольтметр 5, блок 6 переключения пределов измерения, блок 7 выбора пределов измерения,, блок 8 опорного напряжег ия, причем измеряемое напряжение и ток с входных клемм 9 и 10 поступают на входы логарифмических усилителей тока 2 и напряжения 1. При этом логарифмический усилитель 1 напряжения выполнен на операционном усилителе 11, прямой вход которого соединен с общей шиной, а инвертирующий вход соединен с базой

блока 4 потенцирования, а управляющ входы ключей 23-26 соединены с выхо дами блока 7 выбора ггределов измере ния, выполненного на компараторах 3

20 34 напряжения, прямые входы которых объединены И подключены к входу бло ка 4 потенцирования, а выходы компа раторов 32-34 напряжения соединены с логическими -элементами ТОЖДЕСТВЕН

25 НОЕ ИЛИ 35-38, выходы которых явля ются выходами блока 7 выбора пределов измерения, причем инвертирующие входы компараторор 32-34 напряжения соединены с резисторным делителем

25 НОЕ ИЛИ 35-38, выходы которых являются выходами блока 7 выбора пределов измерения, причем инвертирующие входы компараторор 32-34 напряжения соединены с резисторным делителем

и коллектором транзистора 12 и через резистор 13 - с входной клеммой 9, 30 опорного напряжения, выполненного на эмиттер транзистора- 12 соединен с вы- резисторах 39-42, причем первый выходом операционного усилителя 11 и через резистор- 14 - с инвертирующим входом операционного усилителя 15, блока 3 суммирования, первым выводом . резистора 16, а также через резистор 17 - с выходом операционного усилителя 18 и эмиттером транзистора 19,

вод резистора 39 соединен с общей ши ной, а второй вывод резистора 42 соединен с первым выходом блока 8 опор

35 ного напряжения, при этом точки резисторов 39-40, 40-41, 41-42 соединены с инвертирующими входами компараторов 32-34 напряжения, причем точ ка соединения резисторов 40 и 41 под

являюш 1мся выходом логарифмического усилителя 2 тока. Причем коллектор и база транзистора 19 соединены с входной клеммой 10, инвертирующим входом операционного усилителя 18, Прямой вход которого соединён с общей шиной, прямым входом операционно- 45 операционного усилителя 43 соединен

го усилителя 15, выход которого соединен с вторым выводом резистора 16 и входом блока 4 потенцирования, который выполнен на транзисторе 20, база которого является входом блока 4 потенцирования, а коллектор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 21 и через -резистор 22 - с выходом операционного усилителя 21,

являюпщмся выходом блока 4 потенциро-55 разом,

вания, который соединен с первым выводом вольтметра 5, второй вывод которого соединен с прямым входом операционного усилителя 21 и общей ши

ной. Блок 6 переключеиия пределов измерения выполнен на транзисторных ключах 23-26, входы которых подклк че- мы к резисторному делителю опорргого напряжения, который выполнен на резисторах 27-31, причем первый вывод резистора 27 соединен с общей шиной, а второй вывод резистора 31 соединен с первым выходом блока 8 опорного напряжения, при этом точки соединения резисторов 27 и 28, 28 и 29, 29 и 30, 30 и 31 соединены с соответствующими входами ключей 23-26, выходы которых объединены и подключены к эмиттеру

t5 транзистора 2и, являющемуся входом

блока 4 потенцирования, а управляющие входы ключей 23-26 соединены с выхо- дами блока 7 выбора ггределов измерения, выполненного на компараторах 3220 34 напряжения, прямые входы которых объединены И подключены к входу блока 4 потенцирования, а выходы компараторов 32-34 напряжения соединены с логическими -элементами ТОЖДЕСТВЕН25 НОЕ ИЛИ 35-38, выходы которых являются выходами блока 7 выбора пределов измерения, причем инвертирующие входы компараторор 32-34 напряжения соединены с резисторным делителем

30 опорного напряжения, выполненного на резисторах 39-42, причем первый выопорного напряжения, выполненного на резисторах 39-42, причем первый вывод резистора 39 соединен с общей шиной, а второй вывод резистора 42 соединен с первым выходом блока 8 опорного напряжения, при этом точки резисторов 39-40, 40-41, 41-42 соедиены с инвертирующими входами компараторов 32-34 напряжения, причем точка соединения резисторов 40 и 41 подключена к второму выходу блока 8

опорного напряжения, выполненного на операционном усилителе 43, выход которого является первым выходом блока 8 опорного напряжения, прямой вход

с общей шиной, первым выводом источник 44 опорного напряжения соединен через резистор 45 с инвертирующим входом операционного усилителя 43 и эмиттером транзистора 46, коллектор и база которого объединены и являются вторым выходом блока 8 опорного напряжения.

Ваттметр работает следующим обПусть требуется измерить мощность

I.

Измеряемый ток Ij, поступает на клемму 10 ваттметра. Затем этот ток

логарифмическим усилителем 2 тока преобразуется в напряжение. Аналогично измеряемое напряжение U, поступает на клемму 9 ваттметр а. Затем напряжение поступает в логарифмический усилитель 1 напряжения.

Выходные напряжения логарифмического усилителя 2 тока и логарифмического усилителя 1 напряжения соответвенно равны:

(f,ln|i--;

эп

-эо

UX-R,

cf,

(1)

(2)

Э02

где сс - температурный потенциал; I Дэо, обратный ток эмиттера транзисторов 19 и 12; R - резистор 13.

Выходное напряжение блока 3 сумми- 20 рования равно

u,u,-HU,cf,ln( (3)

Э02

в результате получается напряжение пропорциональное логарифмическому произведению напряжения U, и тока 1. Для получения линейной зависимости применяется блок 4 потенцирования. Выходное напряжение блока потенцирова- -30 ния, зависящее от выходного напряжения блока 3 суммирования, подаваемого на базу транзистора 20 и о порного напряжения U,, подаваемого на эмиттер транзистора 20, равно 35

1

эо

ехр

У11У2.п

Ч-г

эа5. |/Ь.111о.Л21 сд п т т Р- тт

Г J SOlLUpnJ

где 1,„, ,1

Э04

Э04

- обратный ток эмитт ера транзисторов 20 и 46; R.R - резисторы 22 и 45;

Ug - напряжение источни-

ка 44;

п - коэффициент деления делителя блока 6 переключения пределов измерения.

Из этого следует, что для изменения масштаба между измеряемой мощностью PJJ и напряжением U , измеряемым вольтметром 5 (что эквивалентно выбору предела измерения), можно изменять коэффициент деления делителя в блоке 6 переключения пределов измерения .

5

fO

f5

0

3035

0

5

0

Предел измерения (масштаб между измеряемой величиной Р и напряжением и.) выбирается автоматически блоком 7 выбора пределов измерения, который состоит из компараторов 32- 34 напряжения, сравнивающих напряжение Uj, поступающее с выхода блока 3 суммирования, с напряжениями, снимаемыми с делителя, выполненного на резисторах 39-42.

Делитель напряжения подключен к выходу операционного усилителя 43, инвертирующий вход которого соединен с эмиттером транзистора 46 и с резистором 45, другой вывод которого соединен с источником 44 опорного напряжения. База и коллектор транзистора 46 подключены к средней точке делителя напряжения.

Напряжение на вьгходе операционного усилителя 43, питающее делитель напряжения на резисторах 39-42, равно

u qJin--yf-(t |i -i| -). (5)

L -1-904 J 0

Так как выполняется равенство R, +R« . то

,in() (6)

90

Изменение измеряемой мощности на декаду вызывает изменение напряжения на выходе блока 3 суммирования на

(0). (7)

Пороговое напряжение, формируемое делителем на резисторах 39-42, должно отличаться на эту же величину.

На выходе k-ro компаратора напряжения появится напряжение 1, если или Uj-U , где е - порог чувствительности компаратора.

При -- О

Xp,ln(b-yi-5i)-K(ln(--yf-), ЭО1 5 504

(8)

где К - коэффициент деления делителя напряжения на резисторах 39-42.

что

После упрощения легко показать, э

kU.Г( У 1 (

Г Э01 402L к,-1,01 J .

.Выражение показывает, что выбор предела измерения легко осуществить изменением коэффициента деления К

делителя, это равносильно срабатыванию k-ro компаратора. К выходам компараторов 32-34 напряжения подключены четыре логических элемента ТОЖДЕСТВЕННОЕ ИЛИ 35-38, на выходах которых появляется 1 в зависимости от выбранного диапазона. При этом на других вькодах появляется напряжение О. Эти напряжения поступают на входы ключей 23-26, находящихся в блоке 6 переключения пределов измерения. Ключ, на вход которого по- ,ступает напряжение 1, находится в открытом состоянии и напряжение с делителя, собранного на резисторах 27

31, поступает на вход блока 4 потенцирования, вы зывая изменение масштаба измерения.

Если измеряемая мощность соответствует первому пределу измерений, то выходное напряжение блока 3 суммирования не превьшает пороговых напряже НИИ на инвертирующ1-1х входах компараторов 32-34 напряжения. На выходах компараторов 32-34 напряжения формируются напряжения О, а на выходе логического элемента 35 появляется сигнал 1. На выходах элементов 36- 38 сигналы соответствуют О. Эти сигналы поступают в блок 6 переключе НИЛ пределов измерения. При этом ключ 23 находится в открытом состоянии,, так как на его вход поступает напряжение 1. С выхода делителя. Собранного на резисторах 27-31, напряжение через открытый ключ 23 поступает на вход блока 4 потенцирова ния. Это напряжение зависит от выбранного диапазона и равно

п-Ч т-1п(

Ur,,,

R,-J,

-)

(10)

а о 4

Коэффициент деления делителя блока 6. переключения пределов измерения для первого предела измерения определяется выражением

R:

,g-fR,-i-R,.fR,

(10

Блок потенцирования работает с максимальным коэффициентом передачи, что соответствует наиболее чувствительному пределу измерения.

Опорное напряжение зависит от температуры, что позволяет компенсировать температурную пвгрешность ваттметра. Также необходимо, чтобы транзисторы 12, 19, 20 и 46 имели одинаковые параметры и чтобы меяоду ними

0

5

30

было минимгшьное тепловое сопротивление для обеспечения их одинаковой рабочей температуры. Изготовление транзисторов в едином технологичес2 ком цикле и на одной подложке удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям.

Если измеряемый ток соответствует второму пределу измерений, то выходное напряжение блока 3 суммирования становится больше порогового, подаваемого на инвертирующий вход компаратора 32 напряжения, но меньше пороговых напряжений компаратора 33 и 34

5 напряжения. На выходе компаратора 32 напряжения формируется напряжение, соответствующее 1. При этом напряжение 1 появляется на выходе логического элемента 36. На выходах остальных логических элементов 35, 37 и 38 напряжение соответствует О. Эти напряжения, поступив в блок 6, вызывают открывание ключа 24. Ключи 23, 25 и 26 находятся в закрытом состоянии. На вход блока 4 потенцирования поступает опорное напряжение, определяемое коэффициентом деления делителя:

- 5iLl522.

+R,,+RJ+R

,+Ri

(12)

2Т

Коэффициент передачи блока 4 потенцирования уменьшается.

Увеличение выходного напряжения блока 3 суммирования может быть выз, так и

вано как увеличением тока J увеличением напряжения U .

Аналогичным образом работает ваттметр при других значениях измеряемой мощнбсти.

Предлагаемая схема ваттметра позволяет расширить динамический диапазон измеряемых мощностей и снизить погрешность измерения мощности за

счет уменьшения влияния изменений температуры окружающей среды.

Формула изобретения

50 Ваттметр, содержащий логарифмические усилители напряжения и тока, выходы которых подключены к входам блока суммирования, выход которого подключен через блок потенцирования

55 к вольтметру, отличающий- с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона и повьш1ения точности измерения, в него введены блок выбора пределов измерения.

7 . . 12870268.

блок переключения пределов измерения,подключен к входам блоков выбора блок опорного напряжения, выполнен-пределов и переключения пределов, вый на операционном усилителе, тран-вторым выходом блока опорного напря- зисторе и последовательно соединен-женин являются соединенные база и ных резисторе-и источнике опорного5 коллектор транзистора, подключенные напряжения, первый вывод которогок второму входу блока выбора преде- соединен с общей шиной и прямым вхо-лов, выходы которого подключены дом операционного усилителя, а вто-к управляющим входам блока переклю- рой - через резистор с эмиттеромчения пределов, выход которого под- транзистора и инверсным входом опера-Ш ключей к второму входу блока потен- ционного усилителя, выход операцион-цирования, вход которого подключен ного усилителя, являющийся первымк третьему входу блока выбора пре- выходом блока опорного напряжения,делов.

Изобретение относится к области измерительной техники. Может быть использовано в цифровых и аналоговых приборах с автоматическим выбором пределов измерения мощности. Целью изобретения является расширение динамического диапазона измеряемых мощностей и повышение точности. Для этого в устройство, содержащее логарифмические усилители i и 2 напряжения и тока, блок 3 суммирования, блок 4 потенцирования, вольтметр 5, входные клеммы 9 и 10, введены блоки переключенья пределов измерения 6, выбора пределов измерения 7, опорного напряжения 8. В материалах изобретения приведен конкретный пример выполнения блоков 1-8. Опорное напряжение зависит от температуры, это позволяет компенсировать температурную погрешность ваттметра. Также необходимо, чтобы транзисторы 12, 19, 20 и 46 имели одинаковые параметры и чтобы между ними было минимальное теаповое сопротивление для обеспечения их одинаковой рабочей температуры. Изготовление транзисторов в едином технологическом цикле и на одной подложке удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям. 1 ил.