Ваттметр

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН а 15 АГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТРО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГННТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБР А ВТОРСНОМУ СВИД.:ТЕЛЬСТ(71) Ленинградский институт точноймеханики и оптики(56) Тимонтеев В.Н., Величко Л.М.,Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектроннойаппаратуре. " И.:. Радио и связь,1982, с. 1 О,Авторское свидетельство СССРИф 1287026, кл. С 01 К 21/00, 1985.(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых и аналоговых приборах с автоматическим выбором пределаизмерения мощиости тока и напряжения. Цель изобретения - повышениеточности за счет автоматической компенсации температурной погрешности.Для этого в устройство, содержащеепервый логарифмический усилитель 1напряжения, логарифмический усилитель 2 тока, сумматор 3, блок 4 потенцирования, вольтметр 5 блок 61559300 переключения пределов измерения, блок 7 выбора пределов измерения, введены логарифмический усилитель О напряжения, блок 9 автоматической.регулировки напряжения, фазоинвертор5 10 сумматор 11. В описании изобретейия приведен конкретный пример выполнения блоков 1 - 11, Блок 9 автоматической регулировки напряжения таким образом изменяет входное напряИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых и аналоговых приборах с автоматическим выбором пределов измерения мощности. 20Целью изобретения является повышение точности измеряемых мощностей за счет автоматической компенсации температурной погрешности.На чертеже показана функциональ ная схема устройства, вариант выполнения. Ваттметр содержит первый логарифмический усилитель 1 напряжения, логарифмический усилитель 2 тока, первый сумматор 3, блок 4 потенцирования, вольтметр 5, блок 6 выбора предела измерения, блок 7 переключения предела измерения, второй логарифмический усилитель 8 напряжения, блок 9 автоматической регулировки напряжения, фазоинвертор 10, второй сумма" тор 11. Выходы первого логарифмического усилителя 1 напряжения и лога рифмического усилителя 2 тока соединены с входами первого сумматора 3, выход которого подключен к первому входу второго сумматора 11 и первому входу блока 6 выбора пределов измерения, второй его вход соединен с выходом второго логарифмического усилителя 8 напряжения и входом фазоинвертора 10, Выходы блока 6 выбора пределов измерения соединены с управляющими входами блока 7 переключения пределов измерения, выход кото" рого подключен к второму входу второго сумматора 11. Выход фазоинверто" ра 10 соединен с первым входом бло 55 ка 4 потенцирования, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора 11, а выход " к вольтметру 5. жение логарифмического усилителя 8напряжения, что изменения его выходного напряжения, связанные с изменением температуры, полностью компенсируются. Транзисторы 12, 19, 20,52, 62 должны иметь одинаковые параметры и минимальное тепловое сопротивление для обеспечения их одинаковой рабочей температуры, 1 з.п.ф-лы, 1 ил,Логарифмический усилитель 1 напряжения выполнен на ОУ, прямой вход которого соединен с общей шиной, а инвертирующий вход - с базой и коллектором транзистора 12 и через резистор 13 с входом устройства. Эмиттер транзистора 12 соединен с выходом ОУ и через резистор 14 с инвертирующим входом ОУ 15 первого сумматора 3. Резисторы 14, 16 и 17 включены в отрицательную обратную связь с ОУ 15. Выходы ОУ 18 и транзистора 19 логарифмического усилителя 2 тока соединены с входом первого сумматора 3 через резистор 17. Блок 4 потенцирования выполнен на транзисторе 20, змиттер которого является входом блока 4 потенцирования, а коллектор соединен с инвертирующим входом ОУ 21, вход и выход которого соединены с двумя выводами резистора 22, выход блока 4 потенцирования соединен с первым выводом вольтметра 5, второй вывод которого соединен с пря-, мым входом ОУ 21 с общей шиной. Блок 7 переключения предела. измерения выполнен на транзисторных ключах 23 26 входы которых подключены к резисторному деЛителю опорного напряжения Ц, который выполнен на резисторах 27 - 31, причем первый вывод резистора 27 соединен с общей шиной, а второй вывод резистора 31 - с первым выводом опорного напряжения О, вто-рой вывод которого соединен с общей шиной, Точки соединения резисторов 27 и 28, 28 и 29, 29 и 30, 30 и 31 соединены с соответствующими входами ключей, выходы которых объединены и подключены к входу второго сумматора 11 через резистор 32. Второй сумматор 11 выполнен на резисторах 32 - 34 и ОУ 35. Резистор 32 соединен с выходом резистора 34, Управ-11 п- - +ш д 1 п1 эот 11 =тп, ц40 1х- - 1 Эо 5 155 ляющие входы ключей 23 - 26 соединены с входами блока 6 выбора предела измерения, выполненного на компараторах 36 - 38 напряжения, прямые входы которых объединены и подключены к выходу первого сумматора 3, выполненного на ОУ 15. Выходы компараторов 36 - 38 напряжения соединены с преобразователем кода, выполненным на логических элементах ТОНДЕСТВЕННОЕ ИЛИ 39 - 42, Инвертирующие входы компараторов 36 - 38 соединены с резистивным делителем напряжения, выполненным на резисторах 43 - 46, причем первый вывод резистора 43 соединен с общей шиной, а второй вывод резистора 46 - с выходом логарифмического усилителя 8 напряжения. Точки соединения резисторов 43 и 44, 44 и 45, 45 и 46 соединены с инвертирующими входами компараторов 36- 38. Фазоинвертор 10 выполнен на ОУ 47 и резисторах 48 и 49, Второй логарифмический усилитель 8 напряжения выполнен на резисторе 50, транзисторе 51 и ОУ 52, своим выходом соединен с резистором 46 блока 6 выбора предела измеренияВыход блока 9 автоматической регулировки напряжения соединен с входом второго логарифмического усилителя 8 напряжения через резистор 50, Операционный усилитель 53 с резисторами 54 и 55 представляет собой инвертирующий усилитель, который через резистор 56 соединен с базой и коллектором датчика температуры на транзисторе 56, а ОУ 57 с резисторами 58 - 61 - третий сумматор, второй вход которого (резисторы 60 и 61) соединен с источником опорного напряжения Б , Первый вход третьего сумматора через резистор 59 соединен с выходом инвертирующего усилителя на ОУ 53. Второй вход третьего сумматора с параллельно включенными резисторами 60 и 61 соединен с источником опорного напряжения и датчиком температуры, выполненным на,резисторе 62 и транзисторе 56. Транзистор 56 иерез теплопередающий элемент (подложку) связан с транзистором 51, который является регулирующим элементом, и транзисторами 12, 19 и 20.Ваттметр работает следующим образом.Пусть требуется измерить мощностьРк Ох 1 хИзмеряемый ток 1 поступает на токовый вход ваттметра, Затем этот ток логарифмическим усилителем 2 тока, состоящим из ОУ 18 и транзистора 19 в цепи отрицательной обратной связи, преобразуется в напряжение. Аналогично измеряемое напряжение Бпоступает на вход ваттметра, Затем напряжение поступает в логарифмический усилитель 1 напряжения, выполненный на ОУ, с транзистором 12 в цепи отрицательной обратной связи и резисторе 13.Выходные напряжения логарифмического усилителя 2 така и логарифмического усилителя 1 напряжения имеют значения 1 х 20 Б =-гп р 1 п -- ,ф 2 т 125 гдет 1температурные потенциалыттранзисторов 12 и 19;- обратные токи эмиттеровтранзисторов 12 и 19;сопротивление резистора 13;- коэффициенты, зависящиеот режима транзисторов,Выходное напряжение первого сумматора 3, которое подается на эммитер потенциирующего транзистора 20,равно В результате получается напряжение, пропорциональное логарифму произведения напряжения Би тока 1.Для получения линейной зависимости применяется блок 4 потенцирования. Выходное напряжение блока 4 потенцирования, зависящее от выходного напряжения первого сумматора 3, подаваемого на эмиттер транзистора 20, определяется следующим образом. Примем, что коэффициент передачи третьего сумматора блока 9 автоматической регулировки на ОУ 57 равен 1, а коэффициент передачи инвертирующего уси-лителя выбран таким, что на его выходе формируется напряжение (при Фик-) Е т 4 0 оп К ае ее ее ее Отсированной температуре транзисторов51 и 56) где К - коэффициент усиления усилителя 53;0 - напряжение на транзисторе 56.Выходное напряжение третьего сум" матора блока 9 автоматической регулировки.на ОУ 57 так как сумматор по первому входу имеет коэффициент передачи, равный 1, а по второму - 2.Выходное напряжение блока 9 автоматической регулировки напряжения имеетвид Это напряжение подается на инвертирующий вход ОУ 52, поэтому выходноеи 14 Ь + д 0=К 1 т 1 Ьп 2 Чт 2 п 4 4 эо 4 М 1 Эзоп. п 1 Чт и0 4 Ч тФ, 1 п 4 Чт 41 (- -- -) ( )4 эп 4 1 К1 зоу Кдм.а ееезо 1 юг, 0 опЕсли ток транзистора 51 задан таким образом, что транзистор нагрелся выше температуры окружающей среды, З 5 то транзисторы 12, 19, 20, 56, находящиеся на одной подложке с ним, тоже нагреются до той же температуры.Выходное напряжение 0 зависит от температуры транзистора 51 и ав томатически поддерживается блоком 9. Коээфициент передачи усилителя на ОУ 53 имеет значение где 0 - напряжение источника рпорбпного напряжения;0 - напряжение на транзисторе5150 Блок 9 автоматической регулировки напряжения представляет собой статический регулятор для поддержания нап-, ряжения 0 с заданной погрешностью, например, 0,5.Допустим, что при некотором номинальном значении температуры Т напряжение 0"0 -0,7 В, которое задается напряжение второго логарифмическогоусилителя 8 напряжения равно параметры транзистора 51;сопротивление резистора50,напряжение блока 4 потент 4.%е еее напряжением -О подаваемым с блокс9 автоматической регулировки напряжения, В этом случае напряжение на еговыходе можно представить в виде 0=-20 +КО=-0 -Ю 9 оп т оп е де Ь 0=0 оп К 0 тфВеличина ь 0 не должна превышать0,5 от 0,7 В, т.е. 3,5 мВ. Приращение напряжения а 0 будет положительным,если транзисторы 12, 19 и 20 имеюттемпературу ниже требуемой, и отрицательной в противном случае,Задавшись током через резисторы50 и 62, которые обеспечивают требуемый тепловой режим. транзисторов51 и 56, по напряжению 0 =0, дляфиксированной температуры определяютКлкоэффициент передачи К= - " усилийтеля на ОУ 53.Резисторы 60 и 61 выбираются так, чтобы на выходе ОУ 57 при ь 0=0 поддерживалось напряжение -0 О, обеспечивающее выбор температурного режи 1559300ма транзисторов устройства для за-. данной температуры Т транзистора,Если напряжение поддерживается постоянным, то параметры транзисторов постоянны, а щ, тогда напряжение на выходе блока 4 потенцирования принимает вид Е 4 ЕВ пББ =у --- дахр - ,ь - д 1, (6) 7 В 10 ел 74(7) А Б=1 п 10=56 мВ. 1 э 04 1 эОВгде= --- =1, так как блок 9эо 7 эо 1поддерживает напряжение 0 =сопэс, что позволяет выполнить компенсацию влияния обратных токов и теплового потенциала с , Это позволяет повысить точность работы устройства,Рабочий режим по температуре Т следует выбирать таким образом, чтобы выходные токи логарифмических усилителей 1 и 2 (1 =10 - 10 Д) не вызывали разогрева транзисторов 12 и 19 выше Т, Увеличение температуры транзисторов на 20 приводит к увеличению коллекторных токов на порядок, а это снижает диапазон измеряемой мощности.Стабилизация температурного режи-. ма приводит к расширению динамического диапазона устройства.Из этого следует, что для изменения масштаба между измеряемой мощностью Р и напряжением 04, измеряемым вольтметром 5 (что эквивалентно выбору предела измерения). можно изменять коэффициент деления делителя в блоке 7 переключения предела измерения.Предел измерения (масштаб между измеряемой величиной Р и напряжением 04) выбирается автоматически блоком 6 выбора предела измерения, который состоит из компараторов 36- 38, сравнивающих напряжение 0 , поступающее с выхода первого сумматора 3, с напряжениями, снимаемыми с делителя, выполненного на резисторах 43 - 46.Делитель напряжения подключен к выходу ОУ 52. инвертирующий вход которого соединен с эмиттером транзистора 51 и резистором 50.Увеличение мощности на декаду вызывает изменение напряжения на выходе первого сумматора 3 наПороговое напряжение, формируе"мое делителем на резисторах 4346, должно отличаться на эту же величину.5На выходе к-го компаратора напряжения появляется напряжение логической единицы, если 11Б или Бз -(8) где К - коэффициент деления делителя напряжения на резисторах 43 - 46, После упрощения легко показать,что 20 25 1 Бх 1 Поп 11 эо 11 эо 2ВВ 1 эо(9) Выражение показывает, что выборпредела измерения легко осуществитьизменением коэффициента деления Кделителя, что равносильно срабатыванию К-го компаратора. К выходам компараторов напряжения подключены четыре логических элемента 39 - 42 ТОЖДЕСТВЕННОЕ ИЛИ, на выходе которых35появляется логическая единица в зависимости от выбранного диапазона. Приэтом на других выходах появляетсянапряжение логического нуля. Эти на 40 пряжения поступают на входы ключей23 - 26, находящихся в блоке 7переключения напряжения пределов.Ключ, на вход которого поступаетнапряжение логической единицы, нахо 45 дится в Открытом состояниии ндпряжение с делителя, собранного на резисторах 27 - 3 1, поступает на второй сумматор 11, вызывая изменениямасштаба измерения,Если измеряемая мощность соответствует первому пределу измерения,то выходное напряжение второго сумматора 11 не превышает пороговых напряжений на инвертирующих входах ком 55,пвраторов 36 - 38. На выходах компараторов 36 - 38 Формируется напряжение логического нуля, а на выходелогического элемента 39 появляетсясигнал логической единицы, На выхо"12изобретения 9300 Формула 2, Ваттметр по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что блок автоматичес-35кой регулировки напряжения содержиттретий сумматор, выход которого является выходом блока автоматическойрегулировки напряжения, инвертирую0 щий усилитель, соединенный выходомс первым входом третьего сумматора,транзистор, база и колЛектор которого объединены и подключены к входуинвертирующего усилителя и первомувыводу резистора, второй вывод которого соединен с выходами источникаопорного напряжения и вторым входомтретьего сумматора, эмиттер транзистора соединен с общей шиной. Составитель С,Хромов Редактор Н.Лазаренко ТехредЛ,Сердюкова Корректор Н, КорольТираж 515 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, 111-35, Раушская наб., д. 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина,101 11155дах элементов 40 - ч 2 сигналы соответствуют логическому нулю. Эти сигналы поступают в блок 7 переключения предела измерения. При этом ключ23 находится в открытом состоянии,так как на его вход поступает напряжение логической единицы. С выходаделителя, собранного на резисторах27 - 31, напряжение через открытыйключ 23 поступает на вход. второгосумматора 11. Это напряжение зависитот выбранного диапазона . Схема потенцирования работает с максимальнымкоэффициентом передачи, что соответствует наиболее чувствительному пре-.делу измерения.Увеличение выходного напряжениявторого сумматора 11 может быть вызвано как увеличением тока 1, так иувеличением напряжения Б.Аналогичным образом работает ват"тметр при других значениях измеряемой мощности.Опорное напряжение зависит от температуры, это позволяет компенсировать температурную погрешность ваттметра. Также необходимо, чтобы транзисторы 12, 19, 20 и 51 имели одинаковые параметры и чтобы между ними, было минимальное тепловое сопротивление для обеспечения их одинаковой рабочей температуры. Изготовление транзисторов в едином технологическомцикле и на одной подложке удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям.Таким образом, изобретение позволяет снизить погрешность измерениямощности за счет уменьшения влиянияизменений температуры окружающей среды,Характерной .особенностью изобретения является то, что оно позволяетсоздать ваттметр в микросборочномварианте методами гибридной технологии, При изготовлении ваттметра в виде микросборки резко падают массогабаритные показатели и увеличивается надежность,1. Ваттметр, содержащий логарифмический усилитель тока, первый логарифмический усилитель напряжения,выходы которых соединены с первым ивторым входами сумматора, выход которого подключен к первому входу блокавыбора предела измерения, соединенному выходами с управляющими входамиблока переключения пределов измерения, блок потенцирования, выход которого подключен к вольтметру, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности, в него.введены второй логарифмический усилитель напряжения, фазоинвертор, второй сумматор, блок автоматической 20 регулировки напряжения, соединенныйвыходом с входом второго логарифмического усилителя напряжения, выходкоторого соединен с вторым входомблока выбора предела измерения и вхо дом фазоинвертора, соединенного выходом с первым входом блока потенцирования, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора,первым входом соединенного с выходом З 0 первого сумматора, а вторым - с выходом блока переключения предела измерения.