Способ измерения среднеквадратического значения переменного напряжения Советский патент 1982 года по МПК G01R19/02 

(S) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электроиз мерительной технике и может быть использовано и при построении радиотех нических устройств различного назначе ния. Известен способ измерения среднеквадратического значения переменного, напряжения, основанный на взаимообратных преобразованиях и предусматри вающий, в частности, квадрирование мгновенных значений контролируемого напряжения, усреднения сигнала и извлечения из полученного напряжения квадратного корня С11Недостатками известного способа являются увеличенное время измерения, обусловленное инерционностью применяемых квадраторов,низкая точность контроля, связанная с иеидеальностью проходной характеристики квадратирующих элементов, а также ограниченность частотного диапазона контроли руемого напряжения,вызванная фиксированным временем усреднения. Наиболее близким к изобретению является способ измерения среднеквадратического значения переменного напряжения, согласно которому входной сигнал подвергают двухполупериодному выпрямлению, из выпрямленного напряжения, выделяют переменную составляющую, которую выпрямляют и вновь разделяют на постоянную и переменную составляющие, повторяя данную операцию п раз, каждую из полученных при этом (vi + 1) постоянных составляющих возводят в квадрат, суммируют результаты квадрирования, из суммы квадратов извлекают квадратный корень и по найденной величине судят о среднеквадратическом значении контролируемого напряжения tZ. Недостаток известного способа определяется наличием последовательных операций возведения в квадрат и извлечения квадратного корня, обуславливающих значительное время измерения. Названные операции затрудня39ют также контроль напряжений, имеющих частотные составляющие с периодом, меньшим, чем суммарное время воэведения в квадрат и извлечения квадратного корня. Цель изобретения - уменьшение вре )ени измерения среднеквадратическо- го значения и расширение частотного диапазона контролируемого переменного напряжения без снижения точности контроля. Поставленная цель достигается тем, .что в способе измерения среднекаадрат:.ческого значения переменного напря жения, заключающемся в двухпериодном выпрямлении входного сигнала и выделении из выпрямленного напряжения пос тоянной, и переменной составляющих с Mworo-кратным повторением указанных ariGpattw в процессе преобразования е-йг-ка-йа,, формируют дополнительные гармонические колебания, сдвинутые по фазе на 90 сформированные колебания как с одной, так и с другойфазой попеременно модулируют выделенными постоянными составляющими, модулированные колебания попарно суммируют разбивают на пары полученные суммарные колебания, осуществляют сдвиг по фазе на 90 между колебаниями в каждой паре, снова суммируют колебания образованных пар и повторяют операции парообразования, 90-градусного фазового разнесения и суммирования отделенных колебаний до получения одного результирующего колебания, по амплитуде которой судят о среднеквад ратическом значении контролируемого напряжения. Известно, что при изменении сред неквадратического значения переменного напряжения методом последовательного выпрямления искомое средне квадратичес.кое значение У.ц определяется как . - е и-) где V о4 значение постоянной соста ляющей, получаемой после каждой операции выпрямления; . - погрешность, обусловленна конечным числом операций выпрямления. 8 Для простоты дальнейших заключеНИИ положим, что число операций выпрямления i 5, т.е. . Если каждой из выделенных постоянных составляющих промодулировать гармонические колебания, сдвинутые друг относительно друга на 90, суммарные колебания пар модулированнь1х колебаний представятся в виде V..t)V- V- Ki oi-cosl .) .) ) где ) - суммарные колебания пар модулированных колебаний;4,, arctqr- - начальная фаза (ОЪ) суммарных колебаний;LU - круговая часто. та колебаний. Обеспечивая между суммарными колебаниями Х (t) и Vjn(t) фазовый сдвиг, равный 90°, и просуммировав их, определяем третье суммарное колебание ) S3i) г -COS lujt. f ,)н ) ) «. начальная фаза R01 третьего суммарного колебания. Наконец, .просуммировав третье суммарное колебание и модулированное колебание, полученное в результате модуляции гармонического колебания пятой постоянной составляющей, при условии их взаимного сдвига на 90°, определяем результирующее .колебание ) Ъ 4l)-- ) .Vo5SлЧ г)- TOi4i 04 5 ycos(ujt+/), - начальная aroic5 lu , 1 ОЪ 04 фаза результирующего колебания. Сравнивая амплитуду результирующего колебания по выражению (5) с выражением (2) для определения сред неквадратического значения методом последовательного выпрямления, убеж даемся в их идентичности. . Таким образом, по амплитуде резул тирующего колебания можно судить о среднеквадратическом значении контро лируемого напряжения. На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ измерения средне квадратического значения переменного напряжения. В.частном случае принято выделение четырех переменных и пяти постоянных составляющих выпрямленных напряжений. Устройство содержит последователь ное соединенные преобразовательные блоки 1, состоящие из фильтра 2 высоких частот, фильтра 3 низких частот и формирователя модуля. В состав устройства входят также фильтр 5 низких частот, дополнительный формирователь 6 модуля, модуляторы 7 и 8, разбитые на две группы, опорный генератор 9, фазовращатель .10, бло-: ки суммирования 11 и 12, состоя-, щие из сумматоров 13 и l4i блок 15 фазовой автоподстройки, измеритель 1б амплитуды. Работа устройства происходит следующим образом. Контролируемое переменное напряж© ние подается на дополнительный форми рователь 6 модуля, на выходе которого формируется однополярныйсигнал. Далее фильтром 2 высоких частот первого преобразователя блока 1 выделяется переменная составляющая выпряйленного напряжения, которая снова преобразуется формирователем Ц моду ля в однополярный сигнал, поступающий затем на следующий преобразовательный блок. Постоянная составляющая в каждом преобразовательном блоке выделяется фильтром 3 низких частот , а на выходе последнего преобразовательного блока - фильтром 5 низких частот. Выделенные постоянные составляющие подаются на две группы модулЯто.ров 7 и 8. К сигнальным входам модуляторов 7 поступает высокочастотное нз пряжение от опорного генератора Э- К сигнальным входам модуляторов 8 то же напряжение подводится через фазовращатель 10, обеспечивающий сдвиг по фазе на . С помощью модуляторов 7 и 8 ocyщecfвляется модуляция гармонических колебаний выделенными постоянными составляющими. При этом МОдулированные колебания оказываются сдвинутыми между собой на 90. Моду.лированные колебания с выходов модуляторов 7 и 8 поступают в блок суммирования 11 и с помощью сумматоров 13 попарно суммируются. При четном п преобразовательных блоков 1 к одному из сумматоров 13 подается лишь одно из модулированных колебаний. Напря)кения суммарных колебаний на выходах сумматоров 13 определяется из выражения (3). Далее суммарные колебания вновь разбиваются на пары и суммируются в блоке суммирования 12 -с помощью сумматоров k. При этом колебания, поступающие на одни входы сумматоров k, сдвигаются на 90° относительно колебаний, поступающих на другие входы, за счет блоков фазовой автоподстройки 15. Напряжениеколебаний на выходе каждого из сумматоров I соответствует выражению () с учетом изменения индекса в зависимости от числа используемых преобразовательных блоков 1. Амплитуда результирующего колебания по выражению |5) отображает, как уже указываяоеь среднеквадратическое значение к з треш-ируемого напряжения, определяемое в соответствци с выражением (1). Величина этой амплитуды и фиксируется измерителем 16. При реализации предлагаемого устройства число модуляторов 7 и 8 берется равным И+1, число сумматоров 13 - (rt + 1)/2, .а число сумматоров k - (г + 1)/2-1, с округлением в сторону большего целого числа. При использовании в качестве модулируемых колебаний сигналов, имеющих частоту значительно выше высшей из спектральных составляющих измеряемого напряжения (например, СВЧ и оптического диапазона) , время измерения среднеквадратическогр значения составляет несколько периодов модулируемого сигнаа, в отличие от известного способа, при котором среднеквадратическое значение определяется за несколько перио79дов контролируемого напряжения. Это .обстоятельство обеспечивает, наряду с устранением операций непосредствен ного квадрирования и извлечения квад ратного корня, существенное уменьшение времени измерения. В связи с тем, что в предложенном способе осуществляются операции, опи сываемые линейными (в смысле показат ля степени), функциями по отношению к сигналам, (выпрямление, модулирование, линейная фильтрация), погрешности измерения могут быть снижены введением частотнонезависимых обратных связей и применением аддитивных методов коррекции. Ввиду того, что измерение среднеквадратическогО зна-чения производится на фиксированной частоте, не связанной с частотой контролируемого напряжения, не преде тавляет сложности также снижение пог решностей, вносимых паразитными параметрами и дрейфарами реальных элементов, т.е. появляется возможность расширения частотного диапазона конт ролируемого напряжения без снижения точности контроля. Формула изобретения Способ измерения среднеквадратического значения переменного напряже ния, заключающийся в двухполупериодном выпрямлении входного сигнала и 8 выделении из выпрямительного напряжения постоянной и переменной составляющих с многократным повторением указанных операций в процессе преобразования сигнала, отличающийс я тем, что, с целью уменьшения времени измерения и расширения частотного диапазона контролируемого напряжения, формируют дополнительные гармонические колебания, сдвинутые по фазе на 3Q°, сформированныеколебания как с одной, так и с другой фазой попеременно модулируют выделенными постоянными составляющими, модулированные колебания попарно суммируют, разбивают на пары поперечные суммарные колебания, осуществляют сдвиг по фазе на 90 между колебаниями в каждой паре, снова суммируют колебания образованных пар и повторяют операции преобразования, 90-градусного фазового разнесения и суммирЬвания отдельных колебаний до получения одного результирующего колебания, по амплитуде которого судят о среднеквадратическом значении контролируемого напряжения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Волгин Л. И. Измерительные преобразования переменного напряжения в постоянное. М., Советское радио, 1977, с. 139. 2.Авторское свидетельство СССР № it956l2, кл. G 01 R 19/02, 1973riT r