Линейный преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения

з 6 0 БР ЕНИЯ 82 82.ВАТЕЛЬ АЧЕНИЯ оизмерия - повыОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССРВ 1170367, кл. 6. 01 В 19/22, 25,02,Авторское свидетельство СССРМ 920539, кл. 6 01 Я 19/02, 22.02,. СРЕДНЕ КВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к радительной технике, Цель изобретени 2шение точности преобразования. Для этого в преобразователь введены клемма 9, шунтирующий конденсатор 10 и развязывающий резистор 11. Точность преобразования повышается за.счет снижения погрешностей нелинейности и от влияния формы входного напряжения при высоком входном сопротивлении и более широком диапазоне входных напряжений. Преобразователь содержит также два квадратора 1, 2, интегрирующий усилитель 3, генератор 4 импульсов, амплитудный модулятор 5, выходную и входную клеммы 6, 7. 1 ил,10 Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в точных аналоговых системах, например вольтметрах среднеквадратического значения (СКЗ) переменного напряжения произвольной формы,Известен линейный преобразователь СКЗ переменного напряжения (далее - преобразователь), содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах, у которых затвор соединен с истоком, подключенным через соответствующий конденсатор к шине нулевого потенциала, усилитель постоянного тока, выход которого соединен с выходной клеммой преобразователя, один из входов подключен к истоку транзистора первого квадратора, связанного по стоку с входной клеммой преобразователя, а другой вход- к истоку транзистора второго квадратора, модулятор, сигнальный вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, а выход - к истоку транзистора второго квадратора, генератор импульсов, выход которого подключен к управляющему входу модулятора.Недостатком данного преобразователя является ныысокая точность, обусловленная большим уровнем шумов на выходе преобразователя, квадратичностью реальных квадраторов и наличием методической погрешности.Кроме того, из-за наличия двух постоянных времени в петле обратной связи возможна потеря устойчивости,Наиболее близким к изобретению по технической сущности является преобразователь, содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах с управляющим р - и переходом, у которых исток соединен с затвором, интегрирующий усилитель постоянного тока, генератор импульсов, модулятор, причем выход упомянутого усилителя соединен с выходной клеммой преобразователя, неинвертирующий вход - с истоком транзистора первого квадратора, связанного по стоку с входной клеммой преобразователя, и со стоком транзистора второго квадратора, исток которого соединен с выходом модулятора, сигнальный вход которого соединен с выходной клеммой преобразователя, управляющий вход - с выходом генератора импульсов.Недостатком известного преобразователя является невысокая точность, обусловленная неидентичностью показателей степени п 1, п 2 Функций преобразования первого и второго квадраторов соответственно, а также отклонением Л и показате 25 ЗО 35 40 45 50 55 лей степени п 1 и п 2 от идеального значения, равного двум,Погрешность квадратора, реагирующего на мгновенные значения напряжений(каким является квадратор на полевом транзисторе), зависит не только от коэффициента амплитуды (К), отклонения Ь и, но и от вида функции, описывающей кривую напряжения. Для исключения указанных составляющих погрешности необходимо обеспечить п 1= п 2 = 2, т,е. Ли = О,Большинство исследованных полевых транзисторов в диодном включении (как и у прототипа) имеют показатели п 1 и п 2, отличающиеся между собой и от значения, равного двум, на несколько сотых, что обуславливает погрешность нелинейности и от влияния формы напряжения, достигающую единиц процентов,Цель изобретения - повышение точности преобразования.При этом одновременно повышается входное сопротивление преобразователя и расширяется диапазон СКЗ преобразуемых напряжений.Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах с управляющим р - п переходом, интегрирующий усилитель постоянного тока, генератор импульсов, модулятор, причем выход упомянутого усилителя соединен с выходной клеммой преобразователя, неинвертирующий вход - с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход - с истоком транзистора первого квадратора, сток которого соединен с входной клеммой преобразователя, сигнальный вход модулятора соединен с выходной клеммой преобразователя, а управляющий вход - с выходом генератора импульсов, введены клемма, соединенная с затвором транзистора первого квадратора, на которую подано напряжение смещения запирающей полярности, конденсатор емкостью С, включенный между затвором и стоком транзистора второго квадратора, и резистор сопротивлением й, включенный между затворами транзисторов первого и второго квадраторов, причем значение упомянутого напряжения смещения не превышает значений напряжений отсечки транзисторов, а параметры С, В и частотаимпульсов упомянутого генератора связаны соотношением 2 л 1 й С 1.Кроме того, истоки транзисторов соединены между собой, а сток транзистора второго квадратора - с сигнальным выходом .модулятора,На чертеже представлена структурная схема предложенного преобразователя.Преобразователь содержит первый 1 и второй 2 квадраторы, выполненные на полевых транзисторах с управляющим р - и пе реходом, интегрирующий усилитель 3, генератор 4 импульсов, выход которого соединен с управляющим входом модулятора 5, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя 3 и выходной клеммой 6 10 преобразователя, а сигнальный выход - со стоком транзистора квадратора 2. Входная клемма 7 преобразователя соединена со стоком транзистора квадратора 1, а соединенные между собой истоки транзисторов 15 подключены к инвертирующему входу усилителя 3, неинвертирующий вход которого соединен с шиной 8 нулевого потенциала. Кроме того, устройство содержит клемму 9, соединенную с затвором транзистора квад ратора 1, между которой и шиной 8 нулевого потенциала приложено упомянутое напряжение смещения, конденсатор 10, включенный между затвором и стоком транзистора квадратора 2, и резистор 11, включенный 25 между затворами упомянутых транзисторов. Модулятор 5 может быть выполнен в виде электронного ключа, управляемого генератором,4 прямоугольных импульсов типа меандр. 30Преобразователь работает следующим образом.Поскольку потенциал инвертирующего входа усилителя 3 близок к нулю, то напряжение смещения оказывается приложен ным к управляющему переходу затвор-истоктранзисторов квадратора 1 непосредственно, а транзистора квадратора 2 - через резистор 11. При соблюдении соотношения 2 л 1 й С 1 конденсатор 10 шунти рует по переменному току переход сток-затвор транзистора квадратора 2, а резистор 11 осуществляет развязку. между затворами транзисторов, не препятствуя при этом передаче постоянного смещения на 45 затвор транзистора квадратора 2 (обратный ток р- и перехода мал). Полярности квадратичных составляющих выходных токов квадраторов противоположны, что необходимо для правильной работы преобразователя В 50 усилителе 3 оезистор - в обратной связи, что уменьшает погрешность статизма преобразователя.Постоянная составляющая Е выходного напряжения преобразователя связана с 55 СКЗ О входного напряжения следующим соотношением:ье= к О(Л+4где К - коэффициент пропорциональности;(Я +ъ )э/21 где А - ток стока; 1 о - ток отсечки канала; Ос - напряжение сток-и р - контактная разносна переходе (барьерный пот Оз - напряжение затвор Мо = Оо+ рк - полное напки; Оо - напряжение отсечк сток;ть потенциаленциал);-исток;ряжение отсе Введя но рованные величины 1 с = - ;/о где Чз =.Оз вить в вид 1 с = - 3 Разло пользуя пр ках формуулу (1) можно предста 0 )3/2 + 2 03/2 (2) ряд по степеням Ос, исля члена в круглых скоба Ньютона, получим /2 3 - 1/г й4 е . с О - 2(О жив (2) в и этом д лу бином с+3 Оз-- Оэ Ос -- О Ос + 2, (3)Э 3 -5/г 42 64где 7 - остаток ряда,Разложение(3) справедливо при Ос Оз,что, как правило, выполняется на практике.Ограничимся суммой ряда до четвертой степени Оа вклктчитевьно, Оотатпк 7 при этомне превышает О,024 О Ос. При О,0,5,Ос0,1 относительная ошибка аппроксимации не превышает 0,004 О,Усредняя по времени указанную частичную сумму ряда (3) и полагая при этом,что входное напряжение Овх (т) = Ос (т) -периодическое с нулевой постоянной составляющей, после перехода к ненормированным величинам получиму 1 ( 02+ то 04) (4)3 0-1/2 Ч/2.4 3 64Ч 5/2 Ч 3/2ттТ 4О, (т) й) 1 Ов=( -Т ское значен Предст коэффицие формой напгде у= О з 0,06 К Ч; О - погрешк ь д -2 2ность квадрирования.Из (5) следует, что при увеличенииО 3погрешность ууменьшается, что равносильно ипри степенной аппроксимации ВАХполевого транзистора.Погрешность (днл) нелинейности и погрешности(дф) от влияния формы напряжения (являющиеся основными составляющими погрешности преобразования) можноопределить по следующим формулам:2днл =у 1 - у 2 ) = О,ОЗ.О (Кф 1/Чэ 1 -Кф 2/Чз 2) (6)дф = - у 1 - у 1 г ) = 0,03 (Кф - Кф ) х122х О /чз 1, (7)ГДЕ У 1 У 2 И У 1 г - ПОГРЕШНОСТЬ ПЕРВОГО ВТОРОго квэдраторов и погрешность первогоквадратора при градуировочной форме сигнала соответственно;Кф 1, Кф 2 и Кфг - коэффициенты, определяемые соотношением входного напряжения преобразователя, выходногонапряжения модулятора и градуировочногонапряжения соответственно;Чз 1, Чз 2- полное напряжение затвор-исток первого и второго квадраторов.Например, при синусоидальном градуировочном напряжении (Кф = 1,5) и входномнапряжении, представляющем собой последовательность прямоугольных импульсов сК 10 (Кф К 100),дф = 3 ОИ.1.у-Ьп, тогда при степенной аппроксимации функций преобразования квадраторов погрешности днл - и 1 - и 2 и дф - Л и,Следовательно, при повышенииОз) уменьшается отклонением и от ио = 2, что свидетельствует о повышении квадратичностиквадраторов и, как следствие, повышенииточности преобразователя.Входное сопротивление (Ввх) преобразователя с открытым входом определяетсясопротивлением канала транзистора квадратора 1 по Формуле (6)Ввх = Во/(1 Я (8)= (Оз+ фх)/(Оо+ фх) увеличивается и Ввх. Максимальный симметричный (относительно Ос = 0) диапазон преобразуемых напряжений (Од) можно оценить по Формуле (7)Ои:=0,5 10 о +0,3; (9) ч = Оэ/Оо = 0,5 - О,З/1 Оо 1(1 О) где Оз и Оо выражены в вольтах. Для диодного включения транзисторов(каку прототипа) ч =О, При этом Ом = 0,6 В.Из формулы (9) следует, что при использовании транзистора, имеющего Оо0,6 В, воз можно расширение диапазона входныхнапряжений. Например, при Оо = 1,8 В Ом =.= 1,2 В, что достигается при Оз = 0,6 В. Как показали исследования различных типов транзисторов в качестве квадраторов, чув ствительность последних при изменениисмещения на управляющем переходе изменяется незначительно (менее 5;), Поэтому в данном случае происходит расширение диапазона по уровню СКЗ или увеличение 15 максимально допускаемого значения К безухудшения соотношения сигнал/шум(в приведенном примере - в 2 раза).При постановке в (1) 0 = О,.члены разложения с четными степенями изменяют по лярность на поотивоположную.Исследуе,ая выборка полевых транзи-.сторов содержала транзисторы различных .типов, лет выпуска, различные по технологии изготовления. На всех транзисторах 25 партии отмечено повышение квадратичности при увеличении ч. Для большинства транзисторов удавалось получить значение и = 2 с точностью дослучайной составляющей погрешности и погрешности измери тельных приборов. Измерение и можнопроводить, например, по способу формулы (8).Практически все полевые транзисторыимеют и2. При некотором значении чо 35 возможно достижение п = 2. Если продолжать увеличивать ч, то и становится менее двух, что не вытекает из общей теории. Повидимому, в этом случае сказывается влияние поперечного и продольного 40 электрических полей, которые определяются напряжением Чэ и конструктивно-технологическими параметрами транзистора., Например, при использовании неподобранных по параметрам полевыхтранзисторов типа КП 103 Л (Оо 1= 2,98 В Оо 2 = 2,36 В) и при ч = О максимальная погрешность нелинейности достигает 12 Яв диапазоне 100 - ЗОО В). При Оз 1= 0,94 В, Оз 2 =. 0,79 В указанная погрешность не превышает 0,2, т.е.уменьшается в 60 раз. При использовании согласованной пары КПС 104 на практике удается снизить погрешность на порядок (до сотых долей процента).Предложенный преобразователь посравнению с известным имеет меньшие погрешности нелинейности и от влияния формы напряжения, большее входное сопротивление и диапазон преобразуемых напряжений,1721526 10 Составитель СидоровТехред М.Моргентал Корректор С.Шевкун Редактор Л.Гратилло Заказ 950 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Формула изобретения Линейный преобразователь средне- квадратического значения переменного напряжения, содержащий два квадратора, выполненных на полевых транзисторах с управляющим р - и переходом, интегрирующий усилитель, генератор импульсов, модулятор, причем выход интегрирующего усилителя соединен с выходной клеммой преобразователя, неинвертирующий вход - с шиной нулевого потенциала, инвертирующий вход - с истоком транзистора первого квадратора, сток которого соединен с входной клеммой преобразователя, сигнальный вход модулятора соединен с выходной клеммой преобразователя, а управляющий вход соединен с выходом генератора импульсов, о т л и ч э ю щ.и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, дополнительно введены третья клемма, конденсатор, резистор, причем затвор транзистора первого квадратора соединен 5 с третьей клеммой, сток транзистора второго квадратора соединен с сигнальным выходом модулятора, а исток соединен с истоком транзистора первого квадратора, выводы конденсатора соединены соответственно с 10 затвором и стоком транзистора второгоквадратора, выводы резистора соединены соответственно с затворами транзисторов первого и второго квадраторов, причем частота импульсов т генератора определяется 15 соотношением 2 л 1 В С 1,где С - емкость конденсатора;й - сопротивление резистора,