Измерительный преобразователь среднеквадратичных значений напряжений Советский патент 1990 года по МПК G01R19/02 

Фиг. 7

рой диод 8 и выход источника 21 стабильного тока, а вывод второго конденсатора 5 и вход второго элемента 18 выборки-хранения соединены с вторым выходом элемента 19 фиксации уровней. Вход опорного канала и управляющий вход импульсного амплитудного модулятора 9 соединены с первым выходом формирователя 22 управляющих напряжений, второй выход которого соединен с входом элемента 19, а третий выход формирователя 22 подключен к управляющим входам элементов 17, 18, выходы которых соединены с входами сумматоров. Сигнал с

5857664

выхода сумматора 6 подается на первый диод 7 через усилитель 3 постоянного тока, измеритель 2 тока и управляем1, J источник 20 тока. Выделение среднеквадратичного значения осуществляется в измерительном канале за счет действия цепи обратной связи, причем ток источника 20 прямо пропорционален 10 среднеквадратичному значению входного напряжения, а компенсация погрешности обеспечивается сигналом опорного канала, в состав которого входит диод 8 с характеристиками, идентичными дио- 15 ДУ 7 измерительного канала. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в вольтметрах среднеквадратичных значений переменного напряжения. Цель - повышение точности за счет уменьшения погрешности преобразования в широком диапазоне частот и температур. Преобразователь содержит измерительный канал, состоящий из последовательно соединенных масштабного преобразователя 1 напряжения, импульсного амплитудного модулятора 9, преобразователя 10 напряжение - ток, к выходу которого подключен также первый диод 7, фильтра 11 нижних частот, первого усилителя 12, подключенного неинвертирующим входом, конденсатора 4 и первого элемента 17 выборки-хранения. При этом вывод конденсатора 4 и вход первого элемента 17 выборки-хранения соединены с первым выходом элемента 19 фиксации уровней и цепью обратной связи, состоящей из квадратора 13 и делителя 14 напряжения, соединенного с инвертирующим входом первого усилителя 12. Опорный канал состоит из последовательно соединенных источника 15 импульсного тока, второго усилителя 16, второго конденсатора 5, второго элемента 18 выборки-хранения. При этом к выходу источника 15 импульсного тока подключены также второй диод 8 и выход источника 21 стабильного тока, а вывод второго конденсатора 5 и вход второго элемента 18 выборки-хранения соединены со вторым выходом элемента 19 фиксации уровней. Вход опорного канала и управляющий вход импульсного амплитудного модулятора 9 соединены с первым выходом формирователя 22 управляющих напряжений, второй выход которого соединен с входом элемента 19, а третий выход формирователя 22 подключен к управляющим входам элементов 17, 18, выходы которых соединены с входами сумматоров. Сигнал с выхода сумматора 6 подается на первый диод 7 через усилитель 3 постоянного тока, измеритель 2 тока и управляемый источник 20 тока. Выделение среднеквадратичного значения осуществляется в измерительном канале за счет действия цепи обратной связи, причем ток источника 20 прямо пропорционален среднеквадратичному значению входного напряжения, а компенсация погрешности обеспечивается сигналом опорного канала, в состав которого входит диод 8 с характеристиками, идентичными диоду 7 измерительного канала. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в вольтметрах среднеквадратичных значений для измерения среднеквадратичных значений переменных напряжений с нулевыми средними значениями в диапазонах звуковых, ультразвуковых и радиочастот.

Целью изобретения является повьппе- ние точности преобразования за счет уменьшения погрешностей преобразования в широком диапазоне частот и температур.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства; на фиг.2 - импульсный амплитудный модулятор; на фиг.З- элемент фиксации уровней; на фиг,4 - формирователь управляющих напряжений.

Измерительный преобразователь среднеквадратичных значений напряжений (ИПСЗН) содержит масштабный преобразователь 1 напряжений, измеритель 2 тока, усилитель 3 постоянного тока, первый 4 и второй 5 конденсаторы и аналоговый сумматор 6.

В ИПСЗН введены полупроводниковые диоды или диоды Шоттки 7 и 8, соединенные последовательно импульсный амплитудный модулятор 9, преобразователь 10 напряжение - ток,фильтр 11 низких частот и первый усилитель 12 с двумя входами, один из которых неинвертирующий, а второй инвертирующий. Кроме того, в ИПСЗН введены соединенные последовательно квадратор 13 и делитель 14 напряжения, соединенные последовательно источник 15 импульсного тока и второй усилитель 16 импульсов, первый 17 и второй 18

элементы выборки-хранения, элемент 19 фиксации уровней, управляемый источник 20 тока, источник 21 стабильного тока и формирователь 22 управляющих напряжений.

МасшТабньй преобразователь 1 обеспечивает усиление входных напряжений ИПСЗН и может быть выполнен в виде широкополосного усилителя, имеющего достаточно равномерную амплитудно- частотную характеристику в диапазоне частот указанных входных напряжений. Коэффициент усиления такого усилителя должен обеспечивать получение выходных напряжений с максимальными амплитудными значениями порядка 1В. Это необходимо для того, чтобы уменьшить погрешности преобразования, связанные с помехами от управляющего импульсным амплитудным модулятором 9 напряжения (или тока). Если вход ИПСЗН должен быть рассчитан на непосредственное подключение к входному аттенюатору вольтметра, его

входное сопротивление должно быть достаточно высоким, а входная емкость малой.

Измеритель 2 тока обеспечивает отсчет среднеквадратичных значений напряжений, поступающих на вход вольтметра, в сюстав которого будет входить ИПСЗН. В качестве такого измерителя можно использовать микроам- перметр или миллиамперметр магнитоэлектрической системы или цифровой измеритель постоянного напряжения с включенным параллельно его входу шунтом и соответствующей системой

управления индикацией порядка измеряемых значений напряжений.

Усилитель 3 постоянного тока необходим для усиления выходного напряжения аналогового сумматора 6 и выделения среднего значения этого напряжения. В качестве такого усилителя может быть применен инвертирующий усилитель с использованием операционного усилителя.

Конденсаторы 4 и 5 используются для разделения по постоянному току выходов усилителей 12 и 16 импульсов и входов элементов 17 и 18 выборки-хранения. Разделение необходимо для уменьшения погрешностей преобразования, связанных с дрейфом нуля усилителей импульсов.Емкости конденсаторов должны быть выбраны так, чтобы скалывание вершин импульсов на входах элементов 17 и 18 не превышало десятых долей процента.

Аналоговый сумматор 6 выполняет операцию суммирования поступающих на его входы постоянных напряжений, пропорциональных размаху (разность максимального и минимального значений напряжений) импульсов на выходах усилителей 12 и 16. В качестве такого сумматора можно применить инвертирующий сумматор с использованием операционного усилителя.

Первый диод 7 введен для получения приращения напряжения, пропор- ционального квадрату переменного.тока который прямо пропорционален входному переменному напряжению ИПСЗН, и обратно пропорционального квадрату выходного постоянного тока управляемого источника 20 тока. В качестве такого диода можно использовать полупроводниковые диоды или диоды Шоттки, имеющие малые диффузионные емкости и малые рекомбинационные составляющие тока при прямых токах, лежащих в диапазоне 0,1-10 мА. Б диапазоне частот о 30-50 МГц можно применять доиоды КД503 и КД521, а в диапазоне частот о сотен мегагерц рекомендуется исользовать диоды Шоттки, например Д514.

Второй диод 8 обеспечивает полуение импульсного напряжения, амплиудное значение которого пропорцинально температурному потенциалу IP -п-перехода первого диода 7. Этот иод должен иметь хороший тепловой онтакт с первым диодом и может быть

585766 6

аналогичен первому диоду. Предпочтительным является размещение первого и второго диодов на общей подлож ке или в одном кристалле полупроводника.

Импульсный амплитудный модулятор 9 введен для получения импульсной амплитудной модуляции входного пере- 5Q менного напряжения ИСПЗН. Его коэффициент передачи должен с частотой модуляции скачкообразно изменяться от значения порядка единицы до значения, близкого к нулю. На частотах )5 до сотен килогерц в качестве такого модулятора можно применить инвертирующий усилитель с использованием операционного усилителя, значение коэффициента передачи которого мож- 20 но изменять с помощью полевого транзистора. Схема такого модулятора, приведенная, на фиг.2 и содержащая преобразователь уровней управляющего напряжения на транзисторе VT1, обес- 25 печивает возможность управления напряжениями с логическими уровнями микросхем ТТЛ.

Преобразователь 10 напряжение - ток формирует импульсы переменного тока, 30 значения которого прямо пропорциональны значениям выходного напряжения модулятора 9, имеющего импульсную модуляцию.

Фильтр 11 низких частот служит для выделения среднего значения приращения напряжения первого диода 7. Через указанный диод протекает постоянный прямой ток источника 20 тока и выходной переменный ток пре- д0 образователя 10, имеющий импульсную модуляцию.

Первый усилитель 12 импульсов используется для усиления импульсов среднего значения приращений напря- 45 жения диода 7, поступающих с выхода фильтра 11.

Квадратор 13 необходим для коррекции погрешности преобразования ИПСЗН, связанной с составляющей приращения

0 напряжения первого диода 7,пропорциональной четвертой степени выходного тока преобразователя 10.Он формирует импульсное напряжение, пропорциональное квадрату входного напряжения

первого элемента 17 выборки-хранения, которое является однополярным в результате использования элемента 19 фиксации уровней. Б качестве квадратора 13 можно применить один из из35

естных квадраторов с использованием налогового умножителя или квадратор использованием импульсной модуляии переменного тока диода, пропорионального входному напряжению квадатора.

Делитель 14 напряжения обеспечиает деление и регулировку выходного апряжения квадратора 13..

Источник 15 импульсного тока ввеен для получения на втором диоде импульсного напряжения с прямоу- -ольной формой, амплитудные значения которого прямо пропорциональны ., температурному потенциалу р-п-пере- хода первого диода 7. Импульсное напряжение используется для коррекции мультипликативной погрешности преобразования ИИСЗН, связанной с п изменением температуры. Источник 15 тока может быть выполнен в виде переключателя тока на двух транзисторах с источником.стабильного тока в цепях их эмиттеров.25

Элементы 17 и 18 выборки-хранения обеспечивают .выборку (запоминание) и хранение размаха импульсов выходного напряжения усилителей 12 и 16. Для получения размаха во , время паузы между формируемыми модулятором 9 радиоимпульсами входы элементов 17 и 18 необходимо соединять с общей шиной, т.е. обеспечивать фиксагщю уровней напряжения.

Элемент 19 фиксации уровней слу- - жит для подключения входов элементов 17 и 18 выборки-хранения к общей шине ро время паузы мезкду формируемыми модулятором 9 радиоимпульсами. В качестве такого элемента можно применить два аналоговых ключа со схемой управления (преобразователь уровней управляющего напряжения), например, по фиг.З. R ней в качестве ключей использованы полевые транзисторы .

Источник 20 тока служит для изменения значения постоянного тока первого диода 7 в процессе автоматической подстройки этого тока, обеспечиваемо- го действующей в ИПСЗП обратной связью. Значения выходного тока источника 20 должны быть прямо пропорциональны его входному току, протекающему через входную цепь измерителя 2 тока, выходное сопротивление его должно быть высоким, а выходная емкость малой. Последнее необходимо для того.

40

45

-

0

5

чтобы обеспечить малую погрешность преобразования ИПСЗН, связанную с ответвлением части выходного тока преобразователя 10 в выходную цепь источника 20. .

Источник 21 стабильного постоянного тока введен для обеспечения стабилизации тока покоя второго диода 8, имеющего порядок десятых долей миллиампера.

Формирователь 22 управляюпшх напряжений введен для получения импульсных напряжений, используемых для управления импульсным амплитудным модулятором 9,источником 15 импульсного тока, элементами 17, 18 выборки- хранения , элементом 19 фиксации уровней. Форма выходных импульсов формирователя 22 должна быть близкой к прямоугольной, а период следования должен быть равен (не обязательно точно) нескольким единицам или десяткам периодов самого низкочастотного из входных напряжений ИПСЗН. Последнее необходимо для обеспечения возможности реализации фильтра 11, подавляющего переменную составляющую приргщений напряжения диода 7.

Один из вариантов схемы формирователя 22 приведен на фиг.4. Он содержит автоколебательный мультивибратор 23 и пять ясдущих мультивибраторов, которые могут быть выполнены на интегральных микросхемах К155АГЗ. Длительность выходного импульса ждущего мультивибратора 24, соединенного с первым выходом, может быть близкой к половине периода выходных импульсов мультивибратора 23. Мультивибратор 25 испол.ьзуется для обеспечения задержки импульса, формируемого мультивибратором 26 на время, превьшаю- щее половину периода. R результате этого формируемый мультивибратором 26 импульс с длительностью порядка 1/8 периода, используемый для управления фиксации уровней, заканчивается до появления импульса на первом выходе и до начала формируемого модулятором 9 радиоимпульса. Мультивибратор 27 используется для получения задержки импульса с длительностью порядка 1/8 периода, формируемого мультивибратором 28 и используемого для управления выборкой. Задержка, обеспечиваемая мультивибратором 27, должна быть несколько больше длительности переходного процесса фильтра 11. При этом

ыборка происходит на интервале времени, во время которого входное на пряжение элемента 17 выборки-хранения имеет постоянное значение.

Т1ри преобразовании синусоидальных входных напряжений ИПСЗИ работает следуюпщм образом.

Входное переменное напряжение U, ИПСЗН поступает на вход масштабного преобразователя 1, имеющего коэффициент преобразования К , и после усиления преобразуется модулятором 9 в радиоимпульсы напряжения. На интервалах времени, когда модулятор 9 фор мирует радиоимпульсы, его коэффициен передачи равен („, а во время паузы мелуху радиоимпульсами имеет значение близкое к нулю.

Преобразователь 10, имеющий коэффициент преобразования напряжения в ток, равный К , преобразует радиоимпульсы напряжения в радиоимпульсы тока i, протекаюр(его через диод 7 вместе с выходным постоянньм током I„, упрпвляемого преобразователя (источника 20 тока).

Среднее значение приращения напряжения диода 7 выделяется фильтром 11 имеющим коэффициент передачи К . , а с его выхода поступает на первый вход первого усилителя 12 импульсов, имеющего дифференциальный коэффициен усиления Па второй вход усилителя 12 поступает выходное напряжение делителя 14, который имеет коэффициент передачи К . На вход делителя 14 напряжения подается выходное напряжение квадратора 13, имеющего коэфUn

фициент преобразован ия

is.

BX 15

5

Это напряжение имеет форму однополяр- ных прямоугольных импульсов, поскольку входное напряжение квадратора 13 в результате работы элемента 19 фиксации уровней является однополяр- ным.

Постоянный ток источника 20 прямо пропорционален среднеквадратичному и мех

W

него напряжения ИПСЗН.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь среднеквадратичных значений напряжений.

значению

входного синусоидаль

,

20

25

содержащий масштабный преобразователь напряжения, измеритель тока, усилитель постоянного тока, первый и второй конденсаторы, сумматор и два нелинейных элемента, отличаю1- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения погрешности преобразования в широком диапа 0 зоне частот и температур, масштабный преобразователь напряжения своим выходом подключен к входу измерительного канала, состоящего из последовательно соединенных импульсного амплиJ5 тудного модулятора, преобразователя напряжение - ток,фильтра нижних частот, первого усилителя, подключенного неинвертирующим входом первого кон- - денсатора и первого элемента выборки- хранения, соединенного с первым входом сумматора, к выходу преобразователя напряжение - ток подктгнтен первый нелинейный элемент, выполненный в виде диода, вывод первого конденсатора и вход первого элемента выборки- хранения соединены с первым выходом элемента фиксации уровней и с входом квадратора, выход которого через делитель напряжения соединен с инвер- тйру} .1щим входом первого усилителя, управляющий вход импульсного амплитудного модулятора соединен с первым выходом формирователя управляющих напряжений и с входом опорного канала, состоящего из последовательно соединенных источника импульсного тока, второго усилителя, второго конденсатора и второго элемента выборки-хранения, соединенного выходом с вторым входом сумматора, выход источника импульсного тока подключен также к второму нелинейному элементу, выполненному в виде диода, и к выходу источника стабильного тока, вывод второго конденсатора и вход второго элемента выборки-хранения соединены с вторым входом элемента фиксации уровней, управляющий вход которого соединен с вторым выходом формироватапя управ- 50 ляющих напряжений, третий выход которого соединен с управляющими входами элементов выборки-хранения, выход сумматора через последовательно соединенные усилитель постоянного тока, измеритель тока и управляемьс источник тока соединен с первым нелинейным элементом.

30

35

40

45

55

Bxoff уГ7р.

Вход ин(рорм.

Фиг 2

Вход упр.

иг.

выход

. Bxodtn

j

23

2

Btt. 1

25

26

Вых. 2

27

28

Вш.З

Фиг 4