Ваттметр Советский патент 1990 года по МПК G01R21/00 

(21)1 325593/2 -21

(22)09.11.87

(46) 2Я.04.90. Бюл. № 15

(71)Ленинградский институт точной механики и оптики

(72)В.А.Прянишников, Н.Н.Губанов, О.Н.Морозова и С.Г.Олешкевич

(53) 621.317 (088.8) (56) Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982, с. 10.

Авторское свидетельство СССР ff 1287026, кл. G 01 R 21/00, 1985.

( ВАТТМЕТР

i

(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в циф0о ых и аналоговых приборах с автоматическим выбором предела измерения мощности тока и напряжения. Цель изобретения - повышение точности за счет автоматической компенсации температурной погрешности. Для этого в устройство, содержащее первый логарифмический усилитель 1 напряжения, логарифмический усилитель 2 тока, сумматор 3, блок b потенцирования, вольтметр 5, блок 6

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых и аналоговых приборах с автоматическим выбором предела измерения мощности тока и напряжения. Цель изобретения - повышение точности за счет автоматической компенсации температурной погрешности. Для этого в устройство, содержащее первый логарифмический усилитель 1 напряжения, логарифмический усилитель 2 тока, сумматор 3, блок 4 потенцирования, вольтметр 5, блок 6 переключения пределов измерения, блок 7 выбора пределов измерения, введены логарифмический усилитель 8 напряжения, блок 9 автоматической регулировки напряжения, фазоинвертор 10, сумматор 11. В описании изображения приведен конкретный пример выполнения блоков 1-11. Блок 9 автоматической регулировки напряжения таким образом изменяет входное напряжение логарифмического усилителя 8 напряжения, что изменения его выходного напряжения, связанные с изменением температуры, полностью компенсируются. Транзисторы 12, 19, 20, 52, 62 должны иметь одинаковые параметры и минимальное тепловое сопротивление для обеспечения их одинаковой рабочей температуры. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

(Л

СЛ

ел

& со

о

переключения пределов измерения, блок 7 выбора пределов измерения, введены логарифмический усилитель 8 напряжения, блок 9 автоматической регулировки напряжения, фазоинвертор 10; сумматор 11. В описании изобретения приведен конкретный пример выполнения блоков 1-11. Блок 9 автоматической регулировки напряжения таким образом изменяет входное напря1559300

жение логарифмического усилителя 8 напряжения, что изменения его выходного напряжения, связанные с измене5 нием температуры, полностью компенсируются. Транзисторы 12, 19, 20, 52, 62 должны иметь одинаковые параметры и минимальное тепловое сопротивление для обеспечения их одинаJQ ковой рабочей температуры. 1 з„п. ф-лы, 1 ил.

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

Целью изобретения является повышение точности измеряемых мощностей за счет автоматической компенсации температурной погрешности.

На чертеже показана функциональная схема устройства, вариант выполнения.

Ваттметр содержит первый логарифмический усилитель 1 напряжения, логарифмический усилитель 2 тока, первый сумматор 3 блок k потенцирования, вольтметр 5, блок 6 выбора предела измерения, блок 7 переключения предела измерения, второй логарифмический усилитель 8 напряжения, блок 9 автоматической регулировки напряжения, фазоинвертор 10, второй сумматор 11. Выходы первого логарифмического усилителя 1 напряжения и логарифмического усилителя 2 тока соединены с входами первого сумматора 3, выход которого подключен к первому входу второго сумматора 11 и первому входу блока 6 выбора пределов измерения, второй его вход соединен с выходом второго логарифмического усилителя 8 напряжения и входом фазоин- вертора 10. Выходы блока б выбора пределов измерения соединены с управляющими входами блока 7 переключения пределов измерения, выход которого подключен к второму входу второго сумматора 11. Выход фазоинверто- ра 10 соединен с первым входом блока потенцирования, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора 11, а выход - к вольтметру

0

5

0

5

0

5

0

5

Логарифмический усилитель 1 напряжения выполнен на ОУ, прямой вход которого соединен с общей шиной, а инвертирующий вход - с базой и коллектором транзистора 12 и через резистор 13 с входом устройства. Эмиттер транзистора 12 соединен с выходом ОУ и через резистор 14 с инвертирующим входом ОУ 15 первого сумматора 3. Резисторы 14, 16 и 17 включены в отрицательную обратную связь с ОУ 15. Выходы ОУ 18 и транзистора 19 логарифмического усилителя 2 тока соединены с входом первого сумматора 3 через резистор 17- Блок k потенцирования выполнен на транзисторе 20, эмиттер которого является входом блока Ц потенцирования, а коллектор соединен с инвертирующим входом ОУ 21, вход и выход которого соединены с двумя выводами резистора 22, выход блока 4 потенцирования соединен с первым выводом вольтметра 5 второй вывод которого соединен с прямым входом ОУ 21 с общей шиной. Блок 7 переключения предела-измерения выполнен на транзисторных ключах 23 - 26, входы которых подключены к резис- торному деЛителю опорного напряжения U, который выполнен на резисторах 27 - 31, причем первый вывод резистора 27 соединен с общей шиной, а второй вывод резистора 31 с первым выводом опорного напряжения U, вто- , рой вывод которого соединен с общей шиной. Точки соединения резисторов 27 и 28, 28 и 29, 29 и 30, 30 и 31 соединены с соответствующими входами ключей, выходы которых объединены и подключены к входу второго сумматора 11 через резистор 32. Второй сумматор 11 выполнен на резисторах 32 - 3 и ОУ 35. Резистор 32 соединен с выходом резистора Управ

515

ляющие входы ключей 23 - 26 соединены с входами блока 6 выбора предела измерения, выполненного на компараторах 3& - 38 напряжения, прямые входы которых объединены и подключены к выходу первого сумматора 3, выполненного на ОУ 15. Выходы компараторов 36 - 38 напряжения соединены с преобразователем кода, выполненным на логических элементах ТОЖДЕСТВЕННОЕ ИЛИ 39 2. Инвертирующие входы компараторов 3& 38 соединены с ре- зистивным делителем напряжения, выполненным на резисторах 3 - 6, при чем первый вывод резистора 3 соединен с общей шиной, а второй вывод резистора 6 - с выходом логарифмического усилителя 8 напряжений. Точки соединения резисторов 3 и А, kk и 5, 5 и kf соединены с инвертирующими входами компараторов 36 - 38. Фазои нвертор 10 выполнен на ОУ 7 и резисторах 8 и 9. Второй логарифмический усилитель 8 напряжения выполнен на резисторе 50, транзисторе 51 и ОУ 52, своим выходом соединен с резистором А6 блока 6 выбора предела измерения.

Выход блока 9 автоматической регулировки напряжения соединен с входом второго логарифмического усилителя 8 напряжения через резистор 50. Операционный усилитель 53 с резисторами 51 И 55 представляет собой инвертирующий усилитель, который через резистор 56 соединен с базой и коллектором датчика температуры на транзисторе 56, а ОУ 57 с резисторами 58 - 61 - третий сумматор, второй вход которого (резисторы 60 и 61) соединен с источником опорного напря

жения Uon . Первый вход третьего сумматора через резистор 59 соединен с выходом инвертирующего усилителя на ОУ 53. Второй вход третьего сумматора с параллельно включенными резисторами 60 и 61 соединен с источником опорного напряжения и датчиком температуры, выполненным на резисторе 62 и транзисторе 56. Транзистор 56 через теплопередающий элемент (подложку) связан с транзистором 51, который является регулирующим элементом, и транзисторами 12. 19 и 20.

Ваттметр работает следующим обра- зом.

Пусть требуется измерить мощность

Pjr-U.I,.

Измеряемый ток 1 поступает на токовый вход ваттметра. Затем этот ток логарифмическим усилителем 2 тока, состоящим из ОУ 18 и транзистора 19 в цепи отрицательной обратной связи, преобразуется в напряжение. Аналогично измеряемое напряжение Uхпоступает на вход ваттметра. Затем напряжение поступает в логарифмический усилитель 1 напряжения, выполненный на ОУ, с транзистором 12 в цепи отрицательной обратной связи и резисторе 13.

Выходные напряжения логарифмического усилителя 2 тока и логарифмического усилителя 1 напряжения имеют значения

20

И)

(2)

где

ЧТ1 Чтл

температурные потенциалы транзисторов 12 и 19;

эо

ог

m

1

- обратные токи эмиттеров

транзисторов 12 и 19; R, - сопротивление резистора 13; tn. - коэффициенты, зависящие от режима транзисторов. Выходное напряжение первого сумматора 3, которое подается на эмми- тер потенциирующего транзистора 20 равно

U3 miM T, In ™--- + m7ip In

-Э01

хЬ Igol

(3)

В результате получается напряже- ние, пропорциональное логарифму произведения напряжения Ux и тока 1Х.

Для получения линейной зависимости применяется блок 4 потенцирования. Выходное напряжение блока k потенци- рования, зависящее от выходного напряжения первого сумматора 3, подаваемого на эмиттер транзистора 20, определяется следующим образом. Примем, что коэффициент передачи третье- г%о сумматора блока 9 автоматической регулировки на ОУ 57 равен 1, а коэффициент передачи инвертирующего уси-м лителя выбран таким, что на его выходе формируется напряжение (при фиксированной температуре транзисторов 51 и 56)

-Uon, т.е. |Ц-°2,

чТ

где К - коэффициент усиления усилителя 53}

UT - напряжение на транзисторе 56

Выходное напряжение третьего сумматора блока 9 автоматической регулировки на ОУ 57

U9 2U0f,-U53),

так как сумматор по первому входу имеет коэффициент передачи, равный 1, а по второму - 2.

Выходное напряжение блока 9 автоматической регулировки напряжения имеет вид

U9 иоп

Это напряжение подается на инвер- 5 тирующий п -

пц - параметры транзистор п - коэффициент деления ля на резисторах 27 Подставляя в (5) выражения

U4 R4l3o4e

вход ОУ 52, поэтому выходное(), получаем,, „ и

m u f.. - U ..2i. - fn 390,R,i

+ m,j4 gn .Ј.;, П2

6 J90tR 3Э01 g НТ4М4. +

Если ток транзистора 51 задан таким образом, что транзистор нагрелся выше температуры окружающей среды то транзисторы 12, 19 20, 56, находящиеся на одной подложке с ним, тоже нагреются до той же температуры.

Выходное напряжение U| зависит от температуры транзистора 51 и ав- тематически поддерживается блоком 9. Коээфициент передачи усилителя на ОУ 53 имеет значение

i/ „ и К UT

иля - напряжение источника опорного напряжения; напряжение на транзисторе 51.„ . 50

en UT

Блок 9 автоматической регулировки напряжения представляет собой статический регулятор для поддержания нап-, ряжения U8 с заданной погрешностью, например 0,5%.

Допустим, что при некотором номинальном значении температуры Т напряжение ,7 В, которое задается

напряжение второго логарифмического усилителя 8 напряжения равно

V г,-, 1- (4)

гДе Ьп

ц , mg - параметры транзистора 51;

r R. - сопротивление резистора

8 50.

х Выходное напряжение блока потенцирования

U3 0n-0g т Ч

(5)

где RH - сопротивление резистора 22 ; ISP

Т4

пц - параметры транзистора 20; п - коэффициент деления делителя на резисторах 27 - 31. Подставляя в (5) выражения (3) и

е 4

5

0

5

0

5

напряжением -Uor,, подаваемым с блок; 9 автоматической регулировки напряже ния. В этом случае напряжение на его выходе можно представить в виде

U9 -2Uon+KUr -Uon-aU,

где ди иоп-кит.

Величина ли не должна превышать 0,5% от 0,7 В, т.е. 3,5 мВ. Приращение напряжения ли будет положительным, если транзисторы 12, 19 и 20 имеют температуру ниже требуемой, и отрицательной в противном случае.

Задавшись тохом через резисторы

50и 62. которые обеспечивают требуемый тепловой режим транзисторов

51и 56, по напряжению для фиксированной температуры определяют

TJ г-л

коэффициент передачи К - -- усилиR

(,1

теля на ОУ 53°

Резисторы 60 и 61 выбираются так, чтобы на выходе ОУ 57 при поддерживалось напряжение -Uon, обеспечивающее выбор температурного режима транзисторов устройства для заданной температуры Т транзистора. Если напряжение поддерживается постоянным, то параметры транзисторов постоянны, a m-i1 жение на выходе блока ния принимает вид

, тогда напря- 4 потенцироваR4R nU

v o;;ехр ж

kr

Tt

где & , так как блок 9

301 - Э01

поддерживает напряжение Ug const, что позволяет выполнить компенсацию влияния обратных токов и теплового потенциала -fTi,. Это позволяет повысить точность работы устройства.

Рабочий режим по температуре Т следует выбирать таким образом, чтобы выходные токи логарифмических усилителей 1 и 2 ( - }Q А) не вызывали разогрева транзисторов 12 и 19 выше Т. Увеличение температуры транзисторов на 20° приводит к увеличению коллекторных токов на порядок, а это снижает диапазон измеряемой мощности.

Стабилизация температурного режима приводит к расширению динамичес кого диапазона устройства.

Из этого следует, что для изменения масштаба между измеряемой мощностью Рх и напряжением U4, измеряв- мым вольтметром 5 (что эквивалентно выбору предела измерения), можно изменять коэффициент деления делителя в блоке 7 переключения предела измерения.

Предел измерения (масштаб между измеряемой величиной Рх и напряжением U4) выбирается автоматически блоком 6 выбора предела измерения, который состоит из компараторов 36 - 38, сравнивающих напряжение UJ5 поступающее с выхода первого сумматора 3, с напряжениями, снимаемыми с делителя, выполненного на резисторах 43 - ЬЬ.

Делитель напряжения подключен к выходу ОУ 52 „ инвертирующий вход которого соединен с эмиттером транзистора 51 и резистором 50Увеличение мощности на декаду вы- зывает изменение напряжения на выходе первого сумматора 3 на

4U ipTln мВ.

(7)

559300I0

Пороговое напряжение, формируемое делителем на резисторах 43 - +6, должно отличаться на эту же величину.

На выходе к-го компаратора напряжения появляется напряжение логической единицы, если LI3 UkoAAt, , или U,- -Ј гДе Ј порог чувствительК V гл П

ности компаратора.

При из выражений СО и имеем

10

(3)

(

IxUxR

Э01 Э02

-) - К In

(8)

где К - коэффициент деления делителя напряжения на резисторах 43 - 6. После упрощения легко показать,

что

LdJx-Г „Уса. «я

R ТТ R Т1

I &1L ЭО« J

Выражение показывает, что выбор предела измерения легко осуществить изменением коэффициента деления К делителя, что равносильно срабатыванию К-го компаратора. К выходам компараторов напряжения подключены четыре логических элемента 39 2 ТОЖДЕСТВЕННОЕ ИЛИ, на выходе которых появляется логическая единица в зависимости от выбранного диапазона. При этом на других выходах появляется напряжение логического нуля. Эти напряжения поступают на входы ключей 23 - 26, находящихся в блоке 7 переключения напряжения пределов. Ключ, на вход которого поступает напряжение логической единицы, находится в открытом состоянии, и напряжение с делителя, собранного на резисторах 27 - 31, поступает на второй сумматор 11, вызывая изменения масштаба измерения.

Если измеряемая мощность соответствует первому пределу измерения, то выходное напряжение второго сумматора 11 не превышает пороговых напряжений на инвертирующих входах компараторов 36 - 38. На выходах компараторов 36 - 38 формируется напряжение логического нуля, а на выходе логического элемента 39 появляется сигнал логической единицы. На выхоп

дах элементов 0 - k2 сигналы соответствуют логическому нулю. Эти сигналы поступают в блок 7 переключения предела измерения. При этом ключ 23 находится в открытом состоянии, так как на его вход поступает напряжение логической единицы. С выхода делителя, собранного на резисторах 2 31, напряжение через открытый ключ 23 поступает на вход второго сумматора 11. Это напряжение зависит от выбранного диапазона. Схема потенцирования работает с максимальным коэффициентом передачи, что соответствует наиболее чувствительному пределу измерения.

Увеличение выходного напряжения второго сумматора 11 может быть вызвано как увеличением тока 1Х, так и увеличением напряжения U..

Аналогичным образом работает ваттметр при других значениях измеряемой мощности.

Опорное напряжение зависит от температуры, это позволяет компенсировать температурную погрешность ваттметра. Также необходимо, чтобы транзисторы 12, 19 20 и 51 имели одинаковые параметры и чтобы между ними было минимальное тепловое сопротивление для обеспечения их одинаковой рабочей температуры. Изготовление транзисторов в едином технологическом цикле и на одной подложке удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям.

Таким образом, изобретение позволяет снизить погрешность измерения мощности за счет уменьшения влияния изменений температуры окружающей среды.

Характерной особенностью изобретения является то, что оно позволяет создать ваттметр в микросборочном варианте методами гибридной технологии. При изготовлении ваттметра в виде микросборки резко падают массо- габаритные показатели и увеличивается надежность.

15

. ор

мула

2 зоб

р е т е н и я

0

5

0

5

0

5

40

45

с первым входом третьего сумматора, транзистор, база и коллектор которого объединены и подключены к входу инвертирующего усилителя и первому выводу резистора, второй вывод которого соединен с выходами источника опорного напряжения и вторым входом третьего сумматора, эмиттер транзистора соединен с общей шиной.