Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1987 года по МПК G01R19/22 

Изобретение относится к электро измерительной технике и может быть использовано в универсальных цифровых вольтметрах, анализаторах спектра, информационных измерительных системах различного назначения испытания сложной техники.

Целью изобретения является уменьшение погрешности преобразования из-за формы кривой входного напряжения.

На фиг, 1 представлена схема измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное; на фиг, 2 - таблица выражений для погрешностей однополупериодного преобразователя средневыпрямленного значения с несимметричной обратной связью для трех видов входных сигналов; на фиг, 3 - рассчитанные зависимости погрешностей этих преобразователей дпя двух видов входных сигналов.

Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит однополупериодные преобразователи 1 и 2 средневыпрямленного значения, сумматор-фильтр 3, входные шины 4 и 5 которого соединены с выходами однополупериодных преобразователей 1 и 2 средневыпрямленного значения, а выход - с выходной шиной, и входной разделительный конденсатор 6, включенный между входной шиной и объединенными входами однополупериодных преобразователей 1 и 2 средневыпрямленного значения,

Однополупериодный преобразователь 1 средневыпрямленного значения содержит усилитель 7, диоды 8 и 9, резисторы 10 - 14, конденсаторы 15 и 16, причем соединены последовательно ре- зистор 10, усилитель 7 и конденсатор 16, второй вывод которого соединен с разноименными выводами диодов 8 и 9, вторые выводы которых соединены через резисторы 12 и 14 с первыми выводами резистора 13 и конденсатора 15, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и инвертирующим входом усилителя 7, объединенные выводы 17 диода 8 и резистора 12 соединены через резистор 11 с общей шиной, а объединенные выводы 18 диода 9 и резистора 14

10

венно с входными шинами 4 и 5 сумматора-фильтра 3, инвертируюшдй вход усилителя 19 соединен со вторыми выводами резисторов 20 и 21 и первыми выводами резистора 22, конденсатора 23, вторые выводы которых соединены с выходами усилителя 19 и выходной шиной устройства,

Однополупериодный преобразователь 2 средневыпрямленного значения содержит усилитель 24, диоды 25 и 26, резисторы 27 - 31, конденсаторы 32 и 33, причем соединены последовательно резистор 27, усили- 15 тель 24 и конденсатор 33, второй

вывод которого соединен с разноименными выводами диодов 25 и 26, вторые выводы которых соединены через резисторы 29 и 31, с первыми выводами 20 резистора 30 и конденсатора 32, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и инверти- руюшдм входом усилителя 24, объединенные выводы 34 диода 25 и резис- 25 тора 29 соединены через резистор 28 с общей шиной, а объединенные выводы 35 диода 26 и рб зистора 31 соединены с входной шиной 5 сумматора- фильтра 3, при этом объединенные вы- 30 водь: 17 и 34 объединены с одноименными выводами диодов 8 и 25, величины отношений резисторов 11 и 12 и 28 и 29 выбраны различными, а вторые выводы резисторов 10 и 27 соеди- jr нены через входной разделительный

конденсатор 6 с входйой шиной устро ства,

В измерительном прелбразователе переменного напряжения в постоянное Q однополупериодные преобразователи 1 и 2 средневыпрямленного значения мо гут быть выполнены не только на базе усилителя, охваченного параллель ной отрицательной обратной связью п 5 переменному напряжению, но и на базе усилителя, охваченного последова тельной отрицательной обратной связью по переменному напряжению. При этом выпрямительные диоды и резисторы в цепи последовательно отрицател ной обратной связи должны также быт отделены от выхода и входа усилителя с помош;ью разделительных конденс торов. Аналогичным образом сумматор50

соединены с входной шиной 4 суммато- 55 3 преобразователя может быть

выполнен по другой схеме.

ра-фильтра 3, который содержит усилитель 19, резисторы 20 - 22 и конденсатор 23, причем первые выводы резисторов 20 и 21 соединены соответст

10

12492 2

венно с входными шинами 4 и 5 сумматора-фильтра 3, инвертируюшдй вход усилителя 19 соединен со вторыми выводами резисторов 20 и 21 и первыми выводами резистора 22, конденсатора 23, вторые выводы которых соединены с выходами усилителя 19 и выходной шиной устройства,

Однополупериодный преобразователь 2 средневыпрямленного значения содержит усилитель 24, диоды 25 и 26, резисторы 27 - 31, конденсаторы 32 и 33, причем соединены последовательно резистор 27, усили- 15 тель 24 и конденсатор 33, второй

вывод которого соединен с разноименными выводами диодов 25 и 26, вторые выводы которых соединены через резисторы 29 и 31, с первыми выводами 20 резистора 30 и конденсатора 32, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и инверти- руюшдм входом усилителя 24, объединенные выводы 34 диода 25 и резис- 25 тора 29 соединены через резистор 28 с общей шиной, а объединенные выводы 35 диода 26 и рб зистора 31 соединены с входной шиной 5 сумматора- фильтра 3, при этом объединенные вы- 30 водь: 17 и 34 объединены с одноименными выводами диодов 8 и 25, величины отношений резисторов 11 и 12 и 28 и 29 выбраны различными, а вторые выводы резисторов 10 и 27 соеди- jr нены через входной разделительный

конденсатор 6 с входйой шиной устройства,

В измерительном прелбразователе переменного напряжения в постоянное Q однополупериодные преобразователи 1 и 2 средневыпрямленного значения могут быть выполнены не только на базе усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью по 5 переменному напряжению, но и на базе усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью по переменному напряжению. При этом выпрямительные диоды и резисторы в цепи последовательно отрицательной обратной связи должны также быть отделены от выхода и входа усилителя с помош;ью разделительных конденсаторов. Аналогичным образом сумматор50

3 преобразователя может быть

выполнен по другой схеме.

Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное работает следуюшим образом.

3-1

Переменное напряжение /v Ug поступает одновременно на входы одно- полупериодных преобразователей 1 и средневыпрямленных значений, детектируется в них и далее суммируется и усредняется с помощью сумматора- фильтра 3, Величина асимметрии глубины обратной связи в однополупери- одных преобразователях 1 и 2 сред- невыпрямленного значения различна и выбрана таким образом, что в результате суммирования их выходных сигналов на сумматоре-фильтре 3 происходит компенсация погрешности из-за формы кривой измеряемого сигнала. Асимметрия глубины обратной связи в однополупериодных преобразователях 1 и 2 средневыпрямленного значения осуществляется отводом части тока положительной полуволны сигнала через резисторы I и 28, помимо цепи обратной связи в общую шину. Введение асимметрии глубины обратной связи можно осуществить путем отвода части тока .отрицательной полуволны сигнала помимо цепи обратной связи в общую шину, изменив включение диодов 8, 9, 25 к 26 на противоположное.

Коэффициент асимметрии а определяется соотношением пппротивлений резисторов ., и . При этом вторая полуволна сигнала не должна искажаться, ток от нее не должен отводиться помимо цепи обратной связи

Однополупериодные преобразователи ОПСЗ 1 и 2 имеют различные значения параметра а и коэффициентов передачи К. Преобразователь ОПСЗ 1 при значении параметра а имеет коэффициент передачи К. В преобразователе ОПСЗ 2 значение параметрса выбирается равным «2 и обеспечивает ко- эффициент передачи К., Выходные сигналы ОПСЗ 1 и 2 суммируются с помощью сумматора-фильтра 3, При этом выходной сигнал ОПСЗ 1 дополнительно усиливается в К раз. Если значения параметров с( и «2 выбрать определенным образом, то можно полностью устранить методическую погрешность от формы кривой для трех форм сигналов синусоидального, прямоугольного и треугольного, и значительно ее уменьшить для выбранного класса сигналов.

Аналитические Зависимости (e() этих трех форм сигналов показаны на фиг. 2. Используя эти -зависимос924

ти, несложно с помощью ЭВМ построить для ОПСЗ зависимости погрешностей преобразования прямоугольного и треугольного напряжений с)т значения параметра « при калибровке ОПСЗ по синусоидальному напряжению. Анализ графика погрешностей ОПСЗ (фиг. 3)показывает, что существуют зоны равных отношений погрешностей

cftfnp

и а преобразователей ОПСЗ 1 и 2 выбрать внутри этих зон определенным образом, то методическая погрешность от формы кривой будет устранена.

Рассмотрим уравнения, описывающие напряжения ка выходе преобразовате- ля для трех форм сигналов

-, Если значения -параметров Р,

син - вл снн (Кп-гсин )

Ugfcix пр -Ugv пр (Кп- пр к+Кп гпр) (О

гр-UBX тр (к п 1пр-К+Кп2тр) «

Полагая, что коэффициенты переда- чи ОПСЗ 1 и 2 для прямоугольного и треугольного сигналов можно выразить через коэффициенты передачи для синусоидального сигнала, получим

Ugbix пр-U вх пр L(K Г1-1 счн rrp.ai

+ СКп7с:..аг )J ;

- вых тр вх тр (Кпгсин гр.оч )К +

л

тр.«2

),

(2)

где Лпро(1, Дпр с(2 Л тр «-( « абсолютные погрешности коэффициентов преобразования ОПСЗ и 2 для прямоугольного и треугольного напряжений в точках а и а, .

Если коэффициент К выбрать равным

пр 012 ГРй2

отношению -, то выражение

npoii

(2) можно представить в виде Ugbix пр и вх пр (Kfi . рин К+Кпг2 син ) Uftbix тр -Ug;( тр (Кп-1 pun - К+Кр2 син

(3)

Следовательно, в схеме измерительного преобразователя переменного на5Q пряжения в постоянное можно выбрать такие значения параметров а, а и К, при которых выходные напряжения для трех форм кривой равны при равенстве среднеквадратичных значений

55 входных напряжений. Из (1 и (3) получаем выражение для суммарного коэффициента передачи измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное д.ая синусоидального.

5131

треугольного и прямоугольного сигналов

Г11син К|-|2е ин

(А)

Коэффициент К, с которым усиливается выходной сигнал ОПСЗ 1, может быть введен как с помощью отношения резисторов 22 и 20 сумматора-фильтра 3, так и с помощью отношения резисторов 14 и 10 самого ОПСЗ 1, Усреднение выходных сигналов ОПСЗ 1 и 2 осуществляется одновременно с их суммированием с помощью общего сумматора-фильтра 3. Фильтрация таким образом в измерительном преобразователе переменного напряжения в постоянное осуществляется с помощью электронного интегратора, умножающего емкость конденсатора 23 обратной связи в -линейном режиме. Интегрирование определяется эквивалентными постоянными времени, зависящими от величины сопротивлений 20 и 21 величины емкости конденсатора 23 и величины коэффициента усиления усилителя, 19, Схема сумматора-фильтра 3 при перегрузке обеспечивает более быстрый разряд конденсатора 23 по сравнению с простейшей интегрирующей RC-цепочкой, а также меньщую величину емкости конденсатора 23,

Как было уже указано выше, внутри зон равных отношений погрешностей

суи ествует множество пар пара ф ПР

метров а и у,,. а также соответст1зуюищк им значений К. подойти к выбору пар а и о(, для класса сигналов с точки зрения двух критериев минимально погрешности и максимальной стабильности, то с помощью ЭВМ можно определить эти пары внутри зон, значения К и величины погрешнотей из-за формы кривой . Так, например, особенность пары максимальной стабильности 0 1, ,4435 К 7,92 состоит в том, что в ней суш;ественные отклонения а, «2, К от их расчетных значений незначително увеличивают погрешности из-за форм1.1 кривой. Например, при изменении а, dj , К в этой паре на +1%. во всех возможных комбинациях максималная погрешность из-за формы кривой для рассматриваемых форм сигналов увеличивается не более чем на 0,09% т.е., в этой паре влияние разброса q, ci2, К на погрешность от формы кривой на порядок ослабляется, Пре2-6

образователь, следовательно, можно выполнить на резисторах невысокого класса точности, имеющих большой разброс номиналов (например, на интегральных резистивных микросхемах типа 301НР7), Поскольку коэффициент передачи ОПСЗ 1 и 2, а также величины й и а, зависят только от отношения резисторов, то имеется возможность создания преобразователей высокого класса точности, работаю 1щх в тяжелых условиях эксплуатации.

Особенность пары минимальной погрешности q 2,2, (2 188,5, ,33

состоит в том, что в ней обеспечивается минимально возможная погрешность от формы кривой для рассматриваемых сигналов, которая не превышает 0,161%.

Дополнительное введение второго однополупериодного преобразователя средневыпрямленного значения с несимметричной обратной связью и сумматора-фильтра, а также введение

асимметрии глубины обратной связи в первом и втором однополупериодном преобразователях средневыпрямленного значения путем соединения выходного зажима одного из выпрямительных диодов через резистор с общей шиной позволяет уменьшить погрешность из-за формы сигнала во всем динамическом диапазоне измеряемых сигналов.

Еще одним преимуществом преобразователя является простота его микромодульного исполнения. Изобретение позволяет расширить область применения и функциональные возможности измерительных преобразователей средневыпрямленного значения и приборов на их основе, обеспечить высокую точность измерения в жестких ус- ловиях эксплуатации.

Формула изобретения

1, Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержапщй однополупериодный преобразователь средневыпрямленного значения с несимметричной обратной связью, который содержит соединенные последовательно первый резистор, первый усилитель и первый выходной разделительный конденсатор, второй вывод которого соединен с разноименными выводами первого и второго диодов, вторые выводы которых через второй и третий резисторы соединены с первыми выводами четвертого резистора и первого конденсатора обратной связи, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого усилителя, а объединенные выводы первого диода и второго резистора соединены с первым выводом пятого резистора, входной разделительный конденсатор, включенный между входной шиной и первым резистором, и фильтр, выход которого соединен с выходной шиной, отличающийся тем что, с целью уменьшения погрешности преобразования, в него дополнительно введены сумматор и второй однополу- периодный преобразователь средневып- рямленного значения с несимметричной обратной связью, который содержит соединенные последовательно шестой резистор, второй усилитель и второй выходной разделительный конденсатор, второй вывод которого соединен с разноименными выводами третьего и четвертого диодов, вторые выводы которых через седьмой и восьмой резисторы соединены с первыми выводами девятого резистора и второго конденсатора обратной связи, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом второго усилителя, а объединенные выводы третьего диода и седьмого резистора соединены с первым

12492

8

выводом десятого резистора, причем второй вывод шестого резистора соединен с объединенными выводами входного разделительного конденсатора и первого резистора, вторые выводы четвертого, пятого, девятого и десятого резисторов соединены с общей шиной, пятый и десятый резисторы подключены к одноименным выводам перJO вого и третьего диодов, а отношения величин их сопротивлений к величинам сопротивлений второго и седьмого резисторов не равны между собой, объединенные выводы второго диода и треf5 Tbercf резистора соединены с первым входом сумматора, а объединенные выводы четвертого диода и восьмого резистора - со вторым входом сумматора, выход которого соединен с вхо- 20 дом фильтра.

2. Измеритель по п. 1, о т л и - чающийся тем, что сумматор и фильтр выполнены на третьем усилите- ле, инвертирующий вход которого соединен через параллельно соединенные одиннадцатый резистор и третий конденсатор обратной связи, с выходом и выходной щиной, а через двенадца- тый и тринадцатый резисторы - с

объединенными выводами второго диода, третьего резистора и четвертого диода, восьмого резистора соответственно.

гг

Изобретение относится к электроизмерительной технике, может быть использовано в универсальных цифровых вольтметрах, анализаторах спектра. Цель изобретения - уменьшение погрешности преобразования из-за формы кривой входного напряжения. Устройство содержит однополупериод- ный преобразователь 1 средневыпрям- ленного значения с несимметричной обратной связью. Дополнительное введение второго однополупериодного преобразователя 2 средневыпрямленного значения с несимметричной обратной связью и сумматора-фильтра 3, а также введение асимметрии глубины обратной связи в преобразователях 1 и 2позволило достичь поставленную цель. Преимуществом преобразователя является также простота его микромодульного исполнения. 1 з.п. ф-лы, 3ил. I Л Гг« JT оэ ю QO к

Со ставитель Е, Борзов Редактор Г. Волкова Техред Л.Сердюкова. Корректор А. Тяско

Заказ 1968/43 Тираж 731Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

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