Цифровой измеритель эффективного значения напряжения переменного тока Советский патент 1987 года по МПК G01R19/02 

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано при разработке широкополосных вольтметров или в системах автоматического контроля радиоэлектрон- ного оборудования при измерении эффективного значении напряжения переменного тока.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона входных сигналов в сторону мальк значений путем компенсации погрешности измерения входных сигналов с малыми значениями, вызванной изменением температуры окружающей среды за время измерения,

На фиг.1 представлена схема измерителя; на фиг.2 - зависимости мощности и напряжений от температуры окружающей среды; на фиг.З - зависимость результирующего напряжения от времени.

Измеритель содержит высокочастотный переключатель 1, нагрузочный резистор 2, автобалансный термистор- ный мост 3, суммирующий усилитель 4 постоянного тока, коммутатор 5, аналого-цифровой преобразователь

Мощность, необходимая для приведения термистора автобалансного тер- мисторного моста 3 в рабочую точку, изменяется по линейному закону в зависимости от температуры окружающей среды (фиг.2а).

20

25

Р

FOQ (t-20).

где Р - мощность при температуре

20°С; а - температурный коэффициент

мощности.

При установке термистора одним из плечей автобалансного моста к нему прикладывается напряжение, от воздействия которого на термисторе выде

(АЦП ) 6, цифровой вычислитель 7, циф- зо ляется необходимая мощность. Напря- ровой индикатор 8, источник 9 опорного напряжения в виде автобалансного термисторного моста, цифроанало- говый преобразователь ( ЦАП ) 10, регистр 11 последовательного приближение на термисторе поддерживается автоматически, величину его можно оп ределить по формуле

35

и т/ P-RO ,

жения, компаратор 12 и источник 13 напряжения постоянного тока.

Вход высокочастотного переключателя 1 является входом измерителя, а выходы соединены с нагрузочным резистором 2 и входом автобалансного термисторного моста 3, выход которого соединен с первым входом суммирующего усилителя 4 постоянного тока и первым входом коммутатора 5, выход которого соединен с входом А1Щ 6 выходом соединенного с входом цифрового вычислителя 7, информационный выход которого соединен с входом цифрового индикатора 8, выход источника 9 опорного напряжения в виде автобалансного термисторного моста соединен с аналоговым входом ЦАП 10, цифровой вход которого соединен с выходом регистра 11 последовательного приближения, а выход - с вторым входом суммирующего усилителя 4 постоянного тока, выход которого соединен с вторым входом коммутатора 5 и

первым входом компаратора 12, второй вход которого соединен с выходом источника 13 напряжения постоянного тока, а выход - с входом регистра II последовательного приближения, первый второй и третий управляющие выходы цифрового вычислителя 7 соединены соответственно с управляющими входами высокочастотного переключателя 1, коммутатора 5 и А1Щ 6.

Измеритель работает следующим образом.

Мощность, необходимая для приведения термистора автобалансного тер- мисторного моста 3 в рабочую точку, изменяется по линейному закону в зависимости от температуры окружающей среды (фиг.2а).

20

Р

FOQ (t-20).

где Р - мощность при температуре

20°С; а - температурный коэффициент

мощности.

При установке термистора одним из плечей автобалансного моста к нему прикладывается напряжение, от воздействия которого на термисторе выделяется необходимая мощность. Напря-

жение на термисторе поддерживается автоматически, величину его можно определить по формуле

ляется необходимая мощность. Напря-

и т/ P-RO ,

где RJ, - сопротивление термистора

в рабочей точке.

Характер изменения напряжения на термисторе при изменении температуры окружающей среды определяется из зависимости

и

РО- а (t - 20) R,

График зависимости напряжения на термисторе от температуры окружающей среды (фиг.26) представляет собой одну ветвь параболы, начинающуюся в

точке t(j (максимальная рабочая температура ).

Если взять два одинаковых автобалансных термисторных моста, термис- торы которых находятся в одинаковых

условиях (в непосредственной близости друг от друга), и вычесть из величины выходного напряжения одного моста умноженную на коэффициент К величину выходного напряжения второго моста, то при определенном значении К

и

результирующее напряжение

р будет изменяться по линейному закону в зависимости от температуры окружающей среды (фиг,2в) Up K,U2.

Интервалы времени Г - ч; (фиг. 3 ) равны между собой и определяются временем преобразования А1Щ 6, интервалы Г. Тз - Г так

же равны между собой, длительность их определяется временем переходного процесса при подключении и отключении измеряемого сигнала.

На изменение напряжения /1U от воздействия измеряемого сигнала (фиг.З) - накладывается изменение, связанное с изменением температуры окружающей среды. Однако, если за значение напряжения при отсутствии на термисторе измеряемого сигнала взять среднее арифметическое значение напряжения в интервале Т - Г (до включения измеряемого сигнала) и напряжения в интервале 4- i Cj (после снятия измеряемого- сигнала) Up,, то температурный дрейф буде учтен и исключен. Это обусловлено тем, что при линейном характере изменения результирующего напряжения от температуры окружающей среды среднее арифметическое значение напряжений Up и Пр соответствует значению напряжения в интервале 2 LJ при отсутствии на термисторе измеряе мого сигнала , то есть измерение результирующего сигнала при отключенном и подкл}оченном сигналах производится как бы одновременно и изменение напряжения j3U,вычисленное по формуле

2

Upi

- и

Р2

и

Р2

результирующее напряжение в интервале C j - f (при подключенном измеряемом

сигнале),

не зависит от температуры окружающей 50 необходимое для окончания переходных

процессов, А1Щ 6 преобразует напряжение и с выхода суммирующего усилителя 4 постоянного тока в цифровой код, поступающий в цифровой вычислитель 7.

среды во время измерения.

После включения питания и окончания переходных процессов на выходе автобалансного моста 3 устанавливается напряжение П , которое поступает 55 на первый вход суммирующего усилителя 4 постоянного тока, на второй его вход поступает напряжение с выхода ЦАП 10. Регистр II последовательно

О

15

0

5

0 5

0

го приближения устанавливает код 1ЛП 10, обеспечивающий коэффициент передачи напряжения с выхода источника 9 опорного напряжения на вход суммирующего усилителя 4 постоянного тока, при котором на его выходе устанавливается напряжение, равное выходному напряжению источника 13 напряжения постоянного тока. При этом разница в велштине выходных напряжений автобалансного термисторного моста 3 и ЦА11 10 незначительна (так как при коэффициенте передачи суммирующего усилителя постоянного тока Kj 10 и выходном напряжении источника 13 напряжения постоянного тока 0,1 В, например, разница составит всего 10 мВ ), чего на практике вполне достаточно для обеспечения линейной зависимости выходного напряжения суммирующего усилителя 4 постоянного тока от температуры.

Величина напряжения на выходе источника 13 напряжения постоянного тока выбирается равной верхнему пределу диапазона А1Щ 6, обладающего максимальной разрешающей способностью. Далее работа измерителя осуществляется в три такта.

В первом такте коммутатор 5 подключает к входу А1Щ 6 выход автобалансного термисторного моста 3, где напряжение U преобразуется в цифровой код, поступающий в цифровой вычислитель 7. Затем коммутатор 5 подключает к входу А1Щ 6 выход суммирующего усилителя 4 постоянного тока, напряжение с него- U, преобразуется

в цифровой код, поступающий в цифровой вычислитель 7.

Во втором такте срабатывает высокочастотный переключатель 1 и подключает измеряемый сигнал U к вхо- ду автобалансного термисторного моста, 3, напряжение на его выходе уменьшается, также уменьшается напряжение на выходе суммирующего усилителя 4 постоянного тока. Через время Т,

процессов, А1Щ 6 преобразует напряжение и с выхода суммирующего усилителя 4 постоянного тока в цифровой код, поступающий в цифровой вычислитель 7.

В третьем такте вновь срабатывает высокочастотный переключатель 1 и отключает измеряемый сигнал U от входа автобалансного термисторного

моста 3, напряжение на его вькоде и на выходе суммирующего усилителя 4 постоянного тока возрастает. Через время Т А1Щ 6 преобразует напряжение и . с выхода суммирующего усилителя 4 постоянного тока в цифровой код, поступающий в цифровой вычислитель 7. Управление высокочастотным переключателем 1, коммутатором 5, АЦП 6, формирование временных интервалов осуществляются цифровым вычислителем 7. В цифровом вычислителе 7 производится также вычисление результата по формуле

и„ (2U, - ди) ди ,

в которой величина ли вычисляется по формуле

ли

U3+ из

- и.)/К,

где К - коэффициент передачи суммирующего усилителя 4 постоянного тока. Величины и

и

и.

3 - 3 4 представляют собой усиленные суммирующим усилителем 4 постоянного тока ре-зультируюI

щие напряжения Up Р2 ветственно т.е.

и

Р2

соот

и

Рг

Ко; ui

2

Р1

К

2

и,

Up2-K

2

Таким образом, величина л) не зависит от изменений температуры окружающей среды (реально существующих ) за счет возможности учета темпе ратурных изменений выходного ( результирующего ) напряжения при линейной зависимости его от температуры.

Суммирующий усилитель 4 постоянного тока позволяет произвести вычитание умноженного на коэффициент передачи К выходного напряжения источника 9 опорнсгго напряжения из выходного напряжения аэтобалансного термисторного моста 3, обеспечивает близость к нулю результирующего напряжения при отсутствии измеряемого сигнала, что позволяет получить линейную зависимость результирующего напряжения и напряжения на выходе суммирующего усилителя 4 постоянного тока от температуры. Кроме того, при таких условиях зависимость результирующего напряжения от температуры уменьшается в 5-20 раз,что поз

волит значительно расширить динамический диапазон входных сигналов устройства в сторону малых значений.

Формула изобретения

Цифровой измеритель эффективного значения напряжения переменного тока, содержащий автобалансный терми- сторный мост, нагрузочный резистор, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, источник напряжения пос- тоянного тока, цифровой индикатор, цифровой вычислитель и высокочастотный переключатель,вход которого является входом измерителя, а первый и второй выходы подключены соответственно к входу автобалансного термисторного моста и к нагрузочному резистору, информационный выход цифрового вычислителя подключен к входу цифрового индикатора, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона входных сигналов сторону малых значений, в него введены источник опорного напряжения в виде автобалансного термисторного моста, цифроаналоговый преобразователь, суммирующий усилитель постоянного тока, регистр последовательного приблия ения и компаратор, выход автобалансного моста подключен к первым входам коммутатора и суммирующего усилителя постоянно

0

5

0

5

напряжения подключен к входу цифро- аналогового преобразователя, цифро вой вход которого подключен к выходу регистра последовательного приближения, а выход - к второму входу суммирующего усилителя постоянного тока, выход которого подключен к второму входу коммутатора и первому входу компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника напряжения постоянного тока, а выход - к входу регистра последовательного приближения, выход коммутатора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу цифрового вычислите- ля, первый управляющий выход которого подключен к управляющему входу высокочастотного переключателя, второй - к управляющему входу коммутатора, третий - к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение может быть использовано при разработке широкополосных вольтметров. Цель изобретения - расширение динамического диапазона вход- ньрс сигналов п сторону малых значений. Цифровой измеритель содержит высокочастотный переключатель 1, нагрузочный резистор 2, авт.обаланс- ный термисторный мост 3, коммутатор 5,аналого-цифровой преобразователь 6,цифровой вычислитель 7, цифровой 5х индикатор 8 и источник I3 напряжения постоянного тока. В устройство введены цифроаналоговый преобразователь 10, регистр 1 Г последовательного приближения и компаратор 12. Суммирующий усилитель 4 постоянного тока позволяет произвести вычитание умноженного на коэффициент передачи выходного напряжения источника 9 опорного напряжения, вьтолненного в виде автобалансного термисторного моста, из выходного напряжения автобалансного термисторного моста 3. Кроме того, обеспечивает близость к нулю результирующего напряжения при отсутствии измеряемого сигнала, что, в свою очередь, позволяет получить линейную зависимость резуль- тирзгащего напряжения и напряжения на выходе суммирующего усилителя 4 постоянного тока от температуры. При таких условиях зависимость результи- руюп;его напряжения от температуры уменычается в 5...20 раз. 3 ил. с € (Л СО о 00 со о vl

Фиг. 3