Способ компарирования переменного напряжения по среднеквадратичному значению Советский патент 1992 года по МПК H03K5/24 

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано для ком- парирования, измерения, поддержания заданной величины переменного напряжения произвольной формы.

Известен способ компарирования сред- неквадратического значения напряжения, реализованный в устройстве и основанный на инвертировании измеряемого напряжения, формировании из измеряемого и про- инвертированного напряжений, путем их поочередной коммутации на вход преобразователя среднеквадратического значения (ПСКЗ) на базе электротеплового преобразователя (ЭТП), синтезированного напряжения, преобразовании с помощью ПСКЗ на базе ЭТП синтезированного напряжения в постоянное напряжение, сравнении данного постоянного напряжения с постоянным напряжением,-полученным путем средне- квадратического преобразования опорного постоянного напряжения.

В способе отсутствует погрешность ПСКЗ на базе ЭТП, обусловленная его асимметрией, но имеется погрешность измерения, обусловленная отличием по среднеквадратическому значению проин- вертированного и измеряемого напряжений, Отличие напряжений появляется вследствие неидеальности инвертора по коэффициенту передачи, фазовому сдвигу, выходному сопротивлению. Погрешность из-за неидеальности инвертирования возрастает с возрастанием частоты переменного напряжения и на высоких частотах (10 кГц), может превысить погрешность из- за асимметрии, которая у ПСКЗ на базе ЭТП относительно небольшая (0,1-0,5%).

Наиболее близким к предлагаемому является способ компарирования переменного напряжения по среднеквадрзтическому значению, реализованный в устройстве и включающий формирование опорного двух- полярного напряжения типа меандр, преобразование с помощью ПСКЗ на базе ЭТП

компарируемого переменного напряжения и опорного двухполярного напряжения в постоянные напряжения, соответствующие их греднеквэдратическим значениям, фиксацию (измерение) указанных постоянных напряжений, сравнение их между собой, по результатам которого получают вывод о равенстве среднеквадратических значений компарируемого и опорного напряжений или о преобладании одного из них.

В известном способе нет необходимости в инвертировании переменного напряжения, но погрешность компарирова- ния из-за асимметрии ПСКЗ на базе ЭТП отсутствует лишь только при отсутствии постоянной составляющей во входном переменном напряжении.

В известном способе при компариро- вании напряжения произвольной формы погрешность компарирования из-за асимметрии будет тем больше, чем больше доля постоянной составляющей в среднеквад- ратическом значении напряжения произвольной формы. Максимального значения, равного погрешности асимметрии ПСКЗ на постоянном напряжении, данная составляющая погрешности достигнет, когда переменная составляющая в напряжении произвольной формы близка к нулю, а постоянная максимальна.

Как известно, погрешность асимметрии ПСКЗ на базе ЭТП зависит от типа применяемого ПСКЗ. К примеру, у ПСКЗ типа ПНТб погрешность асимметрии на постоянном номинальном напряжении не превышает 0,1% от выходного напряжения. При входных постоянных напряжениях, меньших номинального, погрешность асимметрии возрастает, При высокоточных же измерениях требуется, чтобы влияние асимметрии на погрешность компарирования была меньше 0,01 %.

Цель изобретения - повышение точности компарирования.

Поставленная цель достигается тем, что в способе компарирования напряжения по среднеквадратическому значению, включающем формирование опорного двухполярного импульсного напряжения прямоугольной формы с равными амплитудами разнополярных импульсов, преобразование компарируемого переменного и упомянутого опорного напряжений в постоянные напряжения, соответствующие их среднеквадратическим значениям, фиксацию (измерение) упомянутых постоянных напряжений, сравнение их между собой, по результатам которого получение вывода о равенстве среднеквадратических значений компарируемого и опорного напряжений

или преобладании одного из них, предварительно до преобразования в постоянное напряжение выделяют постоянную составляющую Do компзрируемого переменного

напряжения, определяют отношение указанной постоянной составляющей Do к амплитуде А опорного напряжения и устанавливают соотношение длительностей импульсов положительной т+ и отрицательной т полярностей в опорном напряжении исходя из выражения

15

г+-7- Uo

Т А

где Т - период двухполярного опорного напряжения,

На фиг. 1 показана структурная схема компаратора напряжения, реализующего

предлагаемый способ; на фиг. 2 - эпюры напряжений, поясняющие его работу; на фиг, 3 - полученные экспериментальным путем зависимости погрешностей асимметрии ПСКЗ от соотношения постоянной составляющей и среднеквадратического значения входного напряжения.

Компаратор (фиг.1), реализующий заявленный способ, содержит ПСКЗ 1 на базе ЭТП, индикатор 1, входом подключенный к

выходу ПСКЗ 1, переключатель 3, выходом подсоединенный к входу ПСКЗ 1, а первым входом - к входной шине, источник 4 постоянных напряжений положительной и отрицательной полярности, переключатель 5,

через который выходы источника 4 подключены к второму входу переключателя 3, фильтр б, входом подключенный к входной шине, преобразователь 7 отношения напряжение-время, первым входом подключенный к выходу фильтра б, а вторым - к одному из входов, например положительному, источника 5,

Способ осуществляется следующим образом.

Преобразуют компарируемое переменное напряжение в постоянное, соответствующее его среднеквадратическому значению. Для чего подают указанное напряжение на ПСКЗ 1 компаратора через пёреключатель 3, который в первоначальный момент времени находится в положении АБ. Полученное значение постоянного напряжения на выходе ПСКЗ 1 фиксируется (измеряется) с помощью индикатора 2 и запоминается (либо оператором, либо автоматически в индикаторе 2). Одновременно с указанными операциями формируют опорное двухполярное напряжение, для чего предварительно из компарируемого переменного напряжения (фиг 2а) до преобразования его в постоянное напряжение, соответствующее среднеквадратическому значению-, выделяют постоянную составляющую Uo (фиг,26). Это осуществляют с ПО- мощью фильтра 6 низких частот путем подачи на него напряжения с входной шины, Одновременно с помощью источника 4 формируют два постоянных напряжения уровня А положительной и отрицательной полярности. Находят отношение Do к А, по

указанному отношению

Uo

А

устанавливают

соотношение длительностей импульсов положительной г+-и отрицательной Т-по- лярности, формируемое путем коммутации переключателем 5 выходных напряжений источника 4. Для чего в данной реализации способа после передачи на входы преобразователя 7 напряжений с выхода фильтра 6 и с одного из выходов источника 4 на выходе преобразователя 7, имеющего характеристику, описываемую формулой 1, получают однополярное импульсное напряжение с периодом следования, равным Т, и длитель- ностью импульса, равной гт(фиг.2г)

Указанное однополярное импульсное напряжение используют в качестве управляющего для переключателя 5, коммутируя тем самым выходы источника 4 и получая таким образом на выходе А переключателя 5 двухполярное опорное напряжение (2В) с соотношением г+ и Т-, определяемым следующим образом

Г+-Г- Up ТА

Частота следования этого напряже1

ния должна быть с одной стороны больше минимальной частоты использования ПСКЗ, а.с другой стороны должна быть небольшой во избежание погрешности зада

ния опорного напряжения.

Сформированное указанным способом опорное напряжение преобразуют в постоянное напряжение, соответствующее его среднеквадратическому значению, для чего переводят переключатель 3 в положение АВ и подают опорное напряжение выхода А переключателя 5 на ПСКЗ 1. Затем с помощью индикатора 2 фиксируют (измеряют) постоянное напряжение U2, соответствующее среднеквадратическому значению опорного напряжения, после чего сравнивают величину напряжения 1)2 с ранее зафиксированным значением UL По результатам сравнения оператором делается выводе равенстве или преобладании одного из указанных значений. В случае, если средне- квадратическое значение напряжения произвольной формы на входной шине требуется измерить, то путем изменения величины опорного напряжения добиваются равенства показаний Ui и LJ2 индикатора 2, а о величине напряжения на входной шине судят по шкале источника 4.

Устанавливаемое в предложенном способе опорное напряжение (фиг.2в) описывается формулой:

U А при 0 t т+; U -A при .

оно имеет среднеквадратическое значение, равное А независимо от соотношения длительностей импульсов положительной и отрицательной полярности, и постоянную составляющую U 0, описываемую формулой

U 0 A

Т+-Т А

2Г+-Т

0

5

0

5

0 5

Из этой формулы вытекает, что изменяя соотношение между г+ и т - можно изменять величину U o от -А до А. Такой диапазон изменения постоянной составляющей дает возможность в предлагаемом способе равенство U0 U o при входном переменном напряжении любой формы с среднеквад- ратическим значением А. При этом не происходит измененйя величины средне- квадратического значения опорного напряжения. В результате ошибки ПСКЗ из-за асимметрии при преобразовании обоих сравниваемых напряжений эквивалентные им выходные величины будут одинаковы, а погрешность компарирования из-за асимметрии будет отсутствовать.

В качестве входного напряжения для ПСКЗ использовалось двухполярное напряжение прямоугольной формы с одинаковыми амплитудами импульсов положительной и отрицательной полярности (фиг.2в). Уровень постоянной составляющей во входном напряжении изменялся путем изме. 1ния соотношения между длительностями импульсов положительной и отрицательной полярностей и измерялся вольтметром после фильтрации. Уровень среднеквадрати- ческого значения входного напряжения составлял 1 В. Частота следования входного напряжения составляла 200 Гц.

Погрешность асимметрии б определялась как

6

Е+-ЕЕ +

где Е+, Е--- входные напряжения ПСКЗ соответственно при прямом и обратном подключении ПСКЗ к источнику входного напряжения (прямое и обратное подключение достигалось сменой между собой входных выводов ПСКЗ при подключении к выводам источника оперного напряжения), Из анализа данных, представленных на фиг, 3 вытекает, что при отсутствии постоянной составляющей во входном напряжении асимметрия ПСКЗ отсутствует; с увеличением соотношения -г-.--- асимметрии ПСКЗ

Uc.K.3.

возрастает, асимметрия ПСКЗ максимальна

пги, .. Up -, при ,.- I.

UC.K з.

В предлагаемом способе нет необходимости очень строго устанавливать соответствие между величинами постоянных составляющих в опорном напряжении и напряжении произвольной формы, так как разность между погрешностями асимметрии при входных напряжениях одинакового среднеквадратического значения, но с небольшим различием по постоянной составляющей, небольшая и не приведет к большой погрешности сравнения.

Таким образом, в предлагаемом способе отсутствует инвертирование напряжения произвольной формы, а следовательно, и погрешность связанная с этой операцией,

Предлагаемый способ не имеет погрешности, обусловленная асимметрией ПСКЗ при любой произвольной форме переменного напряжения.

Формирование опорного напряжения в предлагаемом способе связано с изменением соотношения длительностей импульсов положительной и отрицательной полярностей опорного напряжения. При использовании опорного напряжения с

низкой частотой следования современная элементная база позволяет производить эту операцию без изменения величины среднеквадратического значения опорного напряжения, и, следовательно, эта операция не вызовет практически увеличения погрешности компарирования-.

Формула изобретения Способ компарирования переменного

напряжения по среднеквадратичному значению, включающий формирование опорного двухполярного импульсного напряжения прямоугольной формы с равными амплитудами разнополярных импульсов,

преобразование компарируемого переменного и упомянутого опорного напряжений в постоянные напряжения, соответствующие их среднеквадратическим значениям, измерение упомянутых постоянных напряжений,

сравнение их между собой и по результатам сравнения получение вывода о равенстве среднеквадратических значений компарируемого и опорного напряжений или о преобладании одного из них, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности, предварительно до преобразования в постоянное напряжение опорного напряжения выделяют постоянную составляющую компарируемого переменного напряжения, определяют отношение указанной постоянной составляющей к амплитуде импульсов опорного напряжения и устанавливают соотношение длительностей импульсов положительной и отрицательной полярностей в опорном напряжении исходя из выражения

t+-t- U

Up

где t+t-, Т - длительность импульсов положительной и отрицательной полярностей и период опорного напряжения соответственно; U0 - постоянная составляющая компа- рируемого переменного напряжения:

А - амплитуда импульсов опорного напряжения.

Вх ф

Фильтр

Источник

постоянных

напряжений

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для построения компараторов переменного напряжения. Цель изобретения - повышение точности за счет исключения постоянной составляющей переменного напряжения, Для этого опорное напряжение формируют определенным образом так, чтобы оно имело такую же постоянную составляющую, что и переменное компарируемое напряжение, При последующем получении разности между этими напряжениями простоянная составляющая исключается, 3 ил.

Преобразователь отношение напр жений - время

Напряжение на входноя айне

Напряжение на выходе фильтра 6

t

0,8 .1 . Уел-L.