Измеритель отношения двух напряжений Советский патент 1981 года по МПК G01R19/10 

1

Изобретение относится к информационно-преобразовательной и измерительной технике и может быть использовано по прямому назначению при построении фазометров, частотомеров, измерителей коэффициентов передачи четырехполюсников, компенсаторов переменного тока, анализаторов гармоник, измерителей направления на объект и другой электронной аппаратуры широкого дипазона частот.

Известен измеритель отношения дву напряжений, содержащий автоматически переключатели, широкополосные усилители, источник опорного напряжения, интегратор и отсчетно-регистрирующее устройство fl .

Однако этот измеритель отношения двух напряжений характеризуется нестабильностью характеристик и коэффициентов передачи широкополосного усилителя прямой цепи и дрейфа нуля интегратора прямой цепи. Кроме того, он не позволяет осуществлять самопроверку в различных точках шкалы.

Известен также измеритель отношения двух напряжений, содержащий генератор напряжения высокой частоты, источник опорного напряжения, последовательно соединенные первый автоматический переключатель, первый управляемый делитель напряжения, широ- кополосный усилитель и второй автоматический переключатель, первый интегратор, входом подключенный к первому выходу второго автоматического переключателя, а выходом - к отсчетно-регистрирующему устройству, уситель переменного тока, фазочувстви0тельньлй выпрямитель и второй интегратор с памятью, выход которого подключен к цепи -управления широкополосного усилителя, цепи управления фазочувствительного выпрямителя, пер5вого и второго автоматических переключателей соединены между собой и подключены к выходу генератора напряжения высокой частоты 2.

0

Данный измеритель отношения также характеризуется нестабильностью характеристик и значений коэ4 фициента передачи широкополосного усилителя прямой цепи и нестабильностью коэффи5циента передачи элемента памяти. Он непозволяет осуществлять автоматическую калибровку и поверку измерителя в целом (при отношении напряжений, j aBHOM единице) и в определен-; ных точках шкалы измерителя(при отио0

шениях напряжений, не равных единице) .

ЦелйЗэ изобретения является повышение точности измерения путем исключения мультипликативной погрешности измерения и обеспечение автоматической калибровки и поверки измерителя в любой точке диапазона измеряе1«лх значений отношения.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель отношения двух напряжений, содержащий генератор напряжения высокой частоты, источник опорного напряжения, последовательно соединенные первый автоматический переключатель, первый управляемый делитель напряжения, широкополосный усилитель и второй автоматический переключатель, первый интегратор, входом подключенный к первому выходу второго автоматического переключателя, а выходом - к отсчетно-регистрирующему устройству, усилитель переменного тока, фазочувствительный выпрямитель и второй интегратор с памятью, выход которого подключен к цепи управления широкополосного усилителя, цепи управления фазочувствительного выпрямителя, первого и второго автоматических переключателей соединены между собой и подключены к выходу генератора напряжения высокой частоты, введены второй и третий делители напряжения, третий и четвертый автоматические переключатели, делитель частоты, одновибратор, сумматор и ключ, вход которого через третий делитель напряжения подключен к выходу первого интегратора, выход ключа соединен с одним из входов сумматора, второй вход которого подключен ко второму выходу второго автоматического переключателя, выход сумматора подключен к первому входу четвертого автоматического переключатея, втЬрой вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход четвертого автоматического переключателя подключен ко входу усилителя переменного тока, цепь управления четвертого автоматического переключателя соединена с выходом генератора напряжения высокой частоты, к KO-fopOMy также подключен и счетный, вход делителя частоты, выход последнего соединен со входом одновибатора, выход которого подключен к соединенным между собой цепям управения ключа и третьего автоматичесого переключателя, выход последнего подключен к первому входу первого автоматического переключателя, первый вход третьего автоматического ереключателя соединен с входной шиой делитель измерителя отношения, второй вход подключен к выходу втоого делителя напряжения, вход котоого соединен с вторым входом первоо автоматического переключателя и с

входной шиной делимое измерителя отношения.

На чертеже приведена функциональная схема измерителя отношения двух напряжений.

Устройство содержит генератор 1 напряжения высокой частоты дискретизации и соответственно первый, второ третий и четвертый автоматические переключатели 2,3,4 и 5, первый управляемый делитель 6 напряжения, первый и второй широкополосные усилители 7 и 8 переменного тока, фазочувствительный, выпрямитель 9, первый и второй интеграторы 10 и 11, отсчетнорегистрирующее устройство 12, источник 13 опорного напряжения, второй и третий делители 14 и 15 напряжения делитель 16 частоты, одновибратор 17 сумматор 18, ключ 19. При этом первый вход первого автоматического переключателя 2 соединен со входом второго делителя 14 напряжения и подключен к входной шине делимого. Второй вход первого автоматического переключателя 2 соединен с выходом третьего автоматического переключателя 4, первый вход которого подключен к выходу второго делителя 14 напряжения, а второй вход - к входной шине делителя. Выход первого автоматического переключателя 2 подключен к последовательно соединенным между собой управляемому делителю б напряжения, широкополосному усилителю 7, с управляемым козффициентом передачи, и второму автоматическому переключателю 3. Первый выход автоматического переключателя 3 подключен через интегратор 10 к соединенным между собой входам отсчетно-регистрирующего устройства 12 и третьего делителя 15 напряжения, второй выход автоматического переключателя 3 соединен с одни из входом сумматора 18, второй вход которого подключен через ключ 19 к выходу третьего делителя 15 напряжения. Выход сумматора 18 соединен со вторым входом четвертого автоматического переключателя 5. Первый вход автоматического переключателя 5 соединен с источником 13 опорного напряжения, а выход подключен ко входу цепи обратной связи, состоящей из последовательно .соединенных между собой усилителя 8 переменного тока, фазочувствительного выпрямителя 9 и второго интегратора 11 с памятью, выход которого подключен к цепи управления коэффициентом передачи первого широкополосного усилителя- 7. Цепи управления фазочувствительного выпрямителя 9, первого, второго и четвертого автоматических переключателей 2, 3 и 5 соединены между собой и подключены к выходу генератора 1 напрйжения высокой частоты дискретизации, с которым соединен счетный вход делителя 16 частоты. Выход делитвля 16 частоты соединен со входо одновибратора 17, выход которого по ключен к соединенным между собой це пям управления ключа 19 и третьего томатического переключателя 4. Работа измерителя отношения двух напряжений заключается в следующем. Напряжение и., (делимого.) и напря жение и, (делителя) при указанном н чертеже положении третьего автомати ческого переключателя 4 поступает через первый автоматический переклю чатель 2 и управляемый делитель 6 н пряжения, на вход первого широкополо ного усилителя 7. в результате периодической работы автоматического переключателя 2, управляемого напряжением высокой частоты дискретизаци , с выхода генератора 1 осуществляется дискретизация напряжений и и и. В результате, в нечетные полупериоды напряжения высокой частоты дискретизации, т.е. в положениях авт матического переключателя 2, противо положных указанному на чертеже, на вход усилителя 7 поступает напряжениеU(t) и,- D(t) Кд-{,(0,5 + + 1 sin(2n - ЗГ „r 2 n - 1 где D(cj - функция дискретизации,Кд - коэффициент деления делителя напряжения б. В четные полупериоды напряжения высокой частоты дискретизации, т.е. в положениях автоматического переключателя 2, указанному на чертеже, на вход усилителя 7 поступает напряжениеU2.(t) и D-j(t) - Кдиз(0г5 2 те (2n - 1 ) где D-j. (t) - функция ддискретизации, сдвинутая по времени относительно О (t) на половину периода напряжения высокой частоты дискретизации. В результате непрерывной работы автомати ческого переключателя 2, на вход широкополосного усилителя 7 поступает напряжение и (t)U (t)-HU,,t k() + + k (и -и ) 2 Г 5in(2n-1 )u)At ,, }) - 1 В исходном состоянии коэффициент усиления усилителя 7 равен .. . k,c ЧВ результате на вход второго автоматического перключателя 3 поступает напряжение U4(t) D(t) + U,0,j.(t) (5) Со второго выхода второго автоматического перключателя 3 через сумматор 18 на второй вход четвертогоавтоматического переключателя 5 поступает напряжение Uff(t)U4.(t). Ог(1)-К Кд1;и О (t)« «Da(t) X U,(t) -0.(1) KoKAUj Djjd),(6) так как D(t) - 0(t)(t)0,t(t). На первый вход автоматического переключателя 5 поступает напряжение UQ с выхода источника 13 опорного напряжения. В результате дискретизации на выходе автоматического переключателя 5 в нечетные полупериоды управляющего напряжения формируется напряжение }(t) UoO, (t) (7) В результате непрерывной работы автоматического переключателя 5 на вход усилителя 8 переменного тока поступа-. ет напряжение Uj. (t)U4(t) - U5(t) UpD, (t) t-Kfll AUa t) (B) (Uo-t- КоКди-г) 2 + + (Uo- ,j) rD-,(t) - D3(t). В результате усиления переменной составляющей напряжения (8), на вход фазочувствительного выпрямителя 9 поступает напряжение UQ (t) К ( UQ - KO Кди) D (t) - Од (t g (9) где К., коэффициент усиления усилителя 8 переменного тока. На управляющий вход фазочувствительного выпрямителя 9 с выхода генератора 1 поступает напряжение с единичной с1мплитудой Uq(t) От(1) 9 V L/ - Я В результате перемножения напряжений UQ(t) и Ug(t), осуществляемое фазочувствительным выпрямителем, на вход интегратора 11 с памятью поступает напряжение U,g(t) K.j.U8(t) - Ug(t) .2(Ua- КоКди.1)Оз(г) (11) i К,(и -КоКди.); - 2. у {,, к к II V s( S S i n (2n-l)tg - F , КоКдО г.) kj 2п - 1 где K,j - коэффициент передачи фазо(чувствительного выпрямителя. С помощью интегратора 11 осуществляется выделение постоянной составляющей напряжения (11) и его запоминание. В результате иа вход управления коэффициентом передачи широкополюсного усилителя 4 поступает напряжение U.(t K(UO- КоКд1 2:) 1 (12) где К 0,5-К.,- Кз, а Kj - коэффициент передачи интегратора 11, кото-- -рое иэлюняет коэффициент передачи ус лителя 7. Этот процесс изменения коэффициента передачи будет осуществляться до момента равенства амплитуды входных напряжений Ug,(t) и UQ четвертого автоматического переключателя 5, или до момента равенства нулю амплитуды выходного напряжения, усилителя 8 переменного тока , т.е. при Ug (t fco или Uo . .(13) ° a установивший-, (14/ СЯ коэффициент передачи широкополосного усилителя 7. При установившемся коэффициенте передачи KQ широкополос ного усилителя 7 на интегратор 10 че рез первый выход автоматического пер ключателя 3, поступает напряжение . U,2.(t)U4-(t)Oi (: оКд1и,0, (t) + + ,;, (t) а, (г)КоКди О (t) (1 -1 К К fl - к К II g5in( -2 .jr .fe 2ТГЛ С помощью интегратора 10 напряжение (15) интегрируется, и на вход отсчетно-регистрирующего устройства 12 поступает напряжение и„ (t) 0,,, 16) где К4 - коэффициент передачи интегратора 10. Подставляем выражение для К. в (16) и получаем .(t) ),|j|- KUo-, (17) где К 0,5 К4Отсчетно-регистрирукяцее устройство 12 выдает результат отношения дву напряжений и и Ц согласно выражению (17). Автоматическое исключение мультипликативной погрешности измерения осуществляется следующим образом. Через равные промежутки времени, определяемые коэффициентом деления делителя 16 частоты (например 1 раз в 100 периодов напряжения высокой частоты дискретизации при коэффициен те деления делителя частоты, равном 100), запускается одновибратор 17, который переводит ключ 19 и третий автоматический переключатель 4 в положение, противоположное указанному на чертеже, и держит их в течение времени, достаточном для установления переходных процессов в инерционных блокс1х и за:поминания корректирующего напряжения интегратором 11. Это время равно нескольким периодам напряжения высокой частоты дискретизации. Второй и третий делители 14 и 15 напряжения идентичны, конструктивно связанные одной общей системой переключения и устанавливаются в нулевое положение, соответствующее нулевому коэффициенч чуч Aja xVrfioj п jr Jic:r -i4jf sv-y-J y iniJiinv n ту деления или коэффициенту передачи, равном единице. В результате на входы автоматического переключателя 2 поступает одно и то же напряжение и, а на второй вход сумматора 18 поступает напряжение и,4 KUo-g i-ли KUotAU, (18) так как U-j U пропорциональное отношению напряжений и и U и содержащее погрешность измерения дО. В сумматоре 18 напряжения U5-(t) и и суммируются. На второй вход автоматического переключателя 5 поступает уже напряжение (t) UjCt) - . КдКди., D.,,( t) +- (KUot л и), (19) а на вход усилителя 8 переменного тока - напряжение U:,b (t) (KUo ли + + KoKAU-,)D i (t)-UoD-i(t ). (20) В результате усиление переменной составляющей напряжения (20), на вход фазочувствительного выпрямителя 9 поступает напряжение (t) К (К - 1 ) Uo td.U + + КоКди, D-,(t) - 0(1 ), (21) где К -коэффициент усиления усили- теля 8 в изменившихся условиях, например в результате изменения условий эксплуатации температуры, влажности и т.д. Напряжение (21) выпрямляется, т.е. перемножается с напряжением (10). В результате на интегратор 11 поступает напряжение (t) К,. (t)- U3(t) к С К -1) Uo t Л и + + 0(1) -ji к pK-DUot. ± ди + к{)Кди - -- (к-1), Uo± ,,,,,1 ,, и 1 sin (2п-1 )Jat ±ико кди,1 S , где . - коэффициент передачи фазо;чувствительного выпрямителя в изменившихся условиях. . . С помощью интегратора 11 осуществляется выделение постоянной составляющей напряжения (22). В результате на вход управления коэффициентом передачи широкополосного усилителя 7 поступает напряжение U,a(t) к (К-1),3, (23) где К 0,5Kl,K.iK,,, а KJ - коэффициент передачи интегратора 11 в иэменившихся УСЛОВИЯХ. Напряжение (23) изменяет коэффициент передачи усилителя 7 до момент равенства нулю амплитуды выходного напряжения (21) усилителя переменного тока 8 (К -1 )Uo tAU -h КоКдУ О, (2( (K-1)UotuU установившееся значение коэффициента передачи усилителя 7. Если допустить, что коэффициент передачи интегратора 10 K,J 1 , то К- 0,5 к4 0,5, тогда установившийся коэффициент передачи усилителя 7 в новых условиях будет равен , ., - Кди, так как U UaНа вход интегратора 10 поступает напряжение (15) при коэффициенте передачи, определяемом выражением (26 и значении и.. U . Подставляя (26) в (15), получаем U2o(t) KoK tUiDiCc) + + U Од ( t )J DT ( t ) Ко D., ( i: ) - ilS;)-.. (U. + aU)D, (t)0,5(Uo+ли) + s i n (2n- 1 ) + (Uo + л и) 2 С помощью интегратора 10 напряже ние (27) интегрируется и на вход от счетно-регистрирующего устройства 1 поступает напряжение U2.-i 0,5KiCUo Ди- 0,5ГиоТ Ди(2 Как видно из выражсаия (23), в р зультате описанных преобразований устанавливается такое значение коэфф циента передачи широкополюсного уси лителя 4 лК ди/KftU-,, которое обе печивает исключение погрешности uU, вносимой в результат измерения при изменении условий эксплуатации - ок ружающей температуры, давления, влажности и т.д. Через 100 периодов процесс автоматического исключения погрешности измерения, т.е. процесс калибровки повторяется. Для осущест вления калибровки и поверки измерителя отношения- в точках диапазона измеряемых отношений напряжений, на пример больших единицы, устанавливают соответствующий коэффициент де ления делителей 14 и 15 напр яжения. Формула изобретения Измеритель отношения двух напряжений, содержащий генератор напряже ния высокой частоты, источник опорного напряжения, последовательно соединенные первый автоматический переключатель, первый управляемый делитель напряжения, широкополосный усилитель и второй автоматический переключатель , первый интегратор, входом подключенный к первому выходу второго автоматического переключателя, а выходом - к отсчетно-регистрирующему устройству, усилитель переменного тока, фазочувствительный выпрямитель и второй интегратор с памятью, выход которого подключен к цепи управления широкополосного усилителя, цепи управления фазочувствительного выпрямителя, первого и второго автоматических переключателей соединены между собой и подключены к выходу генератора напряжения высокой частоты, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерения, в измеритель отношения введены второй и третий делители напряжения, третий и четвертый автоматические переключатели, делитель частоты, одновибратор, сумматор и ключ, вход которого через третий делитель напряжения подключен к выходу первого интегратора, выход ключа соединен с одним из входов сумматора, второй вход которого подключен ко второму выходу второго автоматического переключателя, выход сумматора подключен к первому входу четвертого автоматического переключателя, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход четвертого автоматического переключателя подключен ко входу .усилителя переменного тока, цепь управления четвертого автоматического переключателя соединена с выходом генератора напряжения высокой частоты, к которому также подключен и счетный вход делителя частоты, выход последнего соединен со входом одновибратора, выход которого подключен к соединенным между собой цепям управления ключа и третьего автоматического Переключателя, выход последнего подключен к первому входу первого автоматического переключателя, первый вход третьего автоматического переключателя соединен с входной шиной делитель измерителя отношения, а второй вход подключен к выходу второго делителя напряжения, вход которого соединен с вторым входом первого автоматического переключателя и с входной шиной делимое измерителя отношения, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США №. 2913663, кл. 1324-140, 1972. 2. Жилинскас Р.П. Измерители отношения. М., Советское радио, 1975, с. 15.3.