Измерительный преобразователь среднеквадратичных значений напряжений

К У отехнический 8 А. Техничея по экс(57) Изобретен тельной техник я к измериыть исотноси мож етра среднекваднного напряпользовано в воль ратичных значений ре чности за овышен жения, 1 ель, счет уменьше сти пре я погрешироком диаур. Преобительный азоне ча аэовател азовани тот и темпер нал, сост одержит изме О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР РСКОМУ СВИДЕТЕЛ(71) Куйбышевский электинститут связи(56) Иилливольтметр ВЗкое описание и инструкцплуатации, 1983.(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЬЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬСРЕДНЕКВАПРАТИЧШГХ ЗНАЧЕНИИ НАПРЯЖЕНКАМ,801585766 А ящий из последовательно соединенныхмасштабного преобразователя 1 напряжения, импульсного амплитудного модулятора 9, преобразователя 10 напряжение - ток, к выходу которогоподключен также первый диод 7, фильтра 11 нижних частот, первого усилителя 12, подключенного неинвертирующим входом, конденсатора 4 и первого элемента 17 выборки-хранения,При этом вывод конденсатора 4 и входпервого элемента 17 выборки-хранениясоединены с первым выходом элемента19 фиксации уровней и целью обратнойсвязи, состоящей из квадратора 13 иделителя 14 напряжения, соединенногос инвертирующим входом первого усилителя 12. Опорный канал состоит изпоследовательно соединенных источника 15 импульсного тока, второго усилителя 16, второго конденсатора 5,второго элемента 18 выборки-хранения,При этом к выходу источника 15 импульсного тока подключены также вто-,1585766 10 15 рой диод 8 и выход источника 21стабильного тока, а вывод второгоконденсатора 5 и вход второго элемента 18 выборки-хранения соединеныс вторым выходом элемента 19 фиксации уровней. Вход опорного каналаи управляющий вход импульсного амплитудного модулятора 9 соединены спервым выходом формирователя 22 управляющих напряжений, второй выходкоторого соединен с входом элемента19, а третий выход формирователя 22подключен к управляющим входам элементов 17, 18, выходы которых соединены с входами сумматоров. Сигнал с1 Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано в вольтметрах среднеквадратичных значений для измерения среднеквадратичных значений переменных нап ряжений с нулевыми средними значениями в диапазонах звуковых, ультразвуковых и радиочастот.Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет 30 уменьшения погрешностей преобразования в широком диапазоне частот и температур.На фиг.1 показана функциональная схема устройства; на фиг,2 - импульс ный амплитудный модулятор; на фиг.3 - элемент фиксации уровней; на фиг,4 формирователь управляющих напряжений.Измерительный преобразователь среднеквадратичных значений напряжений (ИПСЗН) содержит масштабный преобразователь 1 напряжений, измеритель 2 тока, усилитель 3 постоянного тока, первый 4 и второй 5 конденсаторы и аналоговый сумматор 6.45В ИПСЗН введены полупроводниковые диоды или диоды Иоттки 7 и 8, соединенные последовательно импульсный амплитудный модулятор 9, преобразователь 10 напряжение - ток,фильтр 11 низких частот и первый усилитель 12 с двумя входами, один из которых неинвертирующий, а второй инвертирующий. Кроме того, в ИПСЗН введены соединенные последовательно квадра 55 тор 13 и делитель 14 напряжения, соединенные последовательно источник 15 импульсного тока и второй усилитель 16 импульсов, первый 17 и второй 18 выхода сумматора б подается на первыйдиод 7 через усилитель 3 постоянноготока, измеритель 2 тока и управляемыйисточник 20 тока. Выделение среднеквадратичного значения осуществляетсяв измерительном канале за счет действия цепи обратной связи, причем токисточника 20 прямо пропорционаленсреднеквадратичному значению входногонапряжения, а компенсация погрешностиобеспечивается сигналом опорного канала, в состав которого входит диод 8с характеристиками, идентичными диоду 7 измерительного канала. 4 ил. элементы выборки-хранения, элемент 19 фиксации уровней, управляемый источник 20 тока, источник 21 стабильного тока и формирователь 22 управляющих напряжений.Масштабный преобразователь 1 обеспечивает усиление входных напряжений ИПСЗН и может быть выполнен в виде широкополосного усилителя, имеющего достаточно равномерную амплитудно- частотную характеристику в диапазоне частот укаэанных входных напряжений. Коэффициент усиления такого усилителя должен обеспечивать получение выходных напряжений с максимальными амплитудными значениями порядка 1 В. Это необходимо для того, чтобы уменьшить погрешности преобразования, связанные с помехами от управляющего импульсным амплитудным модулятором 9 напряжения (или тока). Есливход ИПСЗН должен быть рассчитан нанепосредственное подключение к входному аттенюатору вольтметра, еговходное сопротивление должно бытьдостаточно высоким, а входная емкость малой,Измеритель 2 тока обеспечивает отсчет среднеквадратичных значений напряжений, поступающих на вход вольтметра, в состав которого будет вхо" дить ИПСЗН. В качестве такого измерителя можно использовать микроамперметр или миллиамперметр магнитоэлектрической системы или цифровой измеритель постоянного напряжения с включенным параллельно его входу шунтом и соответствующей системойуправления индикацией порядка измеряемых значений напряжений.Усилитель 3 постоянного токанеобходим для усиления выходногонапряжения аналогового сумматора 65и выделения среднего значения этогонапряжения. В качестве такого усилителя может быть применен инвертирующий усилитель с использованиемоперационного усилителя,Конденсаторы 4 и 5 используютсядля разделения по постоянному токувыходов усилителей 12 и 16 импульсов и входов элементов 17 и 18 выборкк-хранения. Разделение необходимо для уменьшения погрешностей преобразования, связанных с дрейфом нуляусилителей импульсов, Емкости конденсаторов должны быть выбраны так, 20чтобы "скалывание" вершин импульсовна входах элементов 17 и 18 не превышало десятых долей процента.Аналоговый сумматор 6 выполняетоперацию суммирования поступающихна его входы постоянных напряжений,пропорциональных "размаху" (разность максимального и минимальногозначений напряжений) импульсов навыходах усилителей 12 и 16. В качестве такого сумматора можно применитьинвертирующий сумматор с использованием операционного усилителя.Первый диод 7 введен для получения приращения напряжения, пропорционального квадрату переменного, тока, 35который прямо пропорционален входномупеременному напряжению ИПСЗН, и обратно пропорционального квадрату выходного постоянного тока управляемого40источника 20 тока. В качестве такогодиода можно использовать полупроводниковые диоды или диоды Шоттки, имеющие малые диффузионные емкости и малые рекомбинационные составляющие тока при прямых токах, лежащих в диапазоне О, 1-10 мА. В диапазоне частот до 30-50 мГц можно применять доиоды КД 503 и КД 521, а в диапазоне частот до сотен мегагерц рекомендуется использовать диоды Шоттки, например КД 514.Второй диод 8 обеспечивает получение импульсного напряжения, амплитудное значение которого пропорци 55 онально температурному потенциалу ут р-и-перехода первого диода 7. Этот диод должен иметь хороший тепловой контакт с первым диодом и может быть аналогичен первому диоду. Предйочтительным является размещение первого и второго диодов на общей подложке или в одном кристалле полупроводника.Импульсный амплитудный модулятор9 введен для получения импульснойамплитудной модуляции входного переменного напряжения ИСПЗН. Его коэффициент передачи должен с частотоймодуляции скачкообразно изменятьсяот значения порядка единицы до значения, близкого к нулю. На частотахдо сотен килогерц в качестве такогомодулятора можно применить инвертирующкй усилитель с использованиемоперационного усилителя, значениекоэффициента передачи которого можно изменять с помощью полевого транзистора. Схема такого модулятора,приведенная на фиг,2 и содержащаяпреобразователь уровней управляющегонапряжения на транзисторе ЧТ 1, обеспечивает воэможность управления напряжениями с логическими уровнямимикросхем ТТЛ.Преобразователь 10 напряжение - токформирует импульсы переменного тока,значения которого прямо пропорциональны значениям выходного напряжения модулятора 9, имеющего импульсную модуляцию.Фильтр 11 низких частот служитдля выделения среднего значенияприращения напряжения первого диода7. Через укаэанный дкод протекаетпостоянный прямой ток источника 20тока и выходной переменный ток преобразователя 10, имеющий импульснуюмодуляцию,Первый усилитель 12 импульсов используется для усиления импульсовсреднего значения приращений напряжения диода 7, поступающих с выходафильтра :1.Квадратор 13 необходим для коррекции погрешности преобразования ИПСЗН,связанной с составляющей приращениянапряжения первого диода 7, пропорциональной четвертой степени выходного тока преобразователя 10.0 н формируетимпульсное напряжение, пропорциональное квадрату входного напряженияпервого элемента 17 выборки-хранения,которое является однополярным в результате использования элемента 19фиксации уровней. В качестве квадратора 13 можно применить один из кз 1585766вестных квадраторов с использованиеманалогового умножителя или квадраторс использованием импульсной модуляции переменного тока диода, пропор 5ционального входному напряжению квадратора.Делитель 14 напряжения обеспечивает деление и регулировку выходногонапряжения квадратора 13,10Источник 15 импульсного тока введен для получения на втором диоде8 импульсного напряжения с прямоугольной Аормой, амплитудные значения которого прямо пропорциональнытемпературному потенциалу р-п-перехода первого диода 7, Импульсноенапряжение используется для коррекции мультипликативной погрешностипреобразования ИПСЗН, связанной сизменением температуры. Источник 15тока может быть выполнен в виде переключателя тока на двух транзисторах с источником. стабильного токав цепях их эмиттеров. 25Элементы 17 и 18 выборки-хранения обеспечивают, выборку (запоминание) и хранение "размахаимпульсов выходного напряжения усилителей12 и 16. Для получения размаха новремя паузы межпу Аормируемыми модулятором 9 радиоимпульсами входы элементов 17 и 18 необходимо соединятьс общей шиной, т.е. обеспечиватьфиксацию уровней напряжения.Элемент 19 Аиксации уровней слу 35жит для подключения входов элементов17 и 18 выборки-хранения к общейшине во время паузы между формируемыми модулятором 9 радиоимпульсами.40В качестве такого элемента можноприменить два аналоговых ключа сосхемой управления (преобразовательуровней управляющего напряжения),например по Аиг.3. В ней в качествеу45ключей использованы полевые транзисторы.Источник 20 тока служит для изменения значения постоянного тока первого диода 7 в процессе автоматическойО подстройки этого тока, обеспечиваемого действующей в 1 Ц 1 СЗН обратной связью. Значения выходного тока источника 20 должны быть прямо пропорциональны его входному току, протекающему через входную цепь измерителя 2 тока,5 выходное сопротивление его должно быть высоким, а выходная емкость малой, Последнее необходимо для того,чтобы обеспечить малую погрешность преобразования ИИСЗН, связанную с ответвлением части выходного тока преобразователя 10 я выходную цепь источника 20.Источник 21 стабильного постоянного тока введен для обеспечения стабилизации тока покоя второго диода Я, имеющего порядок десятых долей миллиампера,Формирователь 22 управляющих напряжении введен для получения импульсных напряжений, используемых дляуправления импульсным амплитудныммодулятором 9,источником 15 импульсного тока, элементами 17, 18 выборки-. хранения, элементом 19 Аиксации уровней, Форма выходных импульсов Аормирователя 22 должна быть близкой к прямоугольной, а период следования должен быть равен (не обязательноточно) нескольким единицам или десяткам периодов самого низкочастОтного из входных напряжений ИЛСЗН. Последнее необходимо для обеспечения возможности реализации Аильтра 11, подавляющего переменную составляющую приращений напряжения диода 7.Один из вариантов схемы Аормирователя 22 приведен на фиг.4. Он содержит автоколебательный мультивибратор 23 и пять ждущих мультивибраторов, которые могут быть выполнены на интегральных микросхемах К 155 АГЗ. Длительность выходного импульса ждущего мультивибратора 24, соединенногос первым выходом, может быть близкойк половине периода выходных импульсов мультивибратора 23. Иультивибратор 25 используется для обеспечениязадержки импульса, Аормируемого мультивибратором 26 на время, превышающее половину периода. В результатеэтого формируемый мультивибратором 26импульс с длительностью порядка 1/8периода, используемый для управленияАиксации уровней, заканчивается допоявления импульса на первом выходеи до начала Аормируемого модулятором9 радиоимпульса. Иультивибратор 27 используется для получения задержки импульса с длительностью порядка 1/8 периода, Аормируемого мультивибратором 28 и используемого для управлениявыборкой. Задержка, обеспечиваемая мультивибратором 27, должна быть несколько больше длительности переходного процесса Аильтра 11. При этом10 85766 5 10 15 20 30 35 40 45 50 55 9 15ыборка происходит на интервале времени, во время которого входное напряжение элемента 17 выборки-хранения имеет поч.и постоянное значение.11 ри преобразовании синусоидальныхвходных напряжений ИПСЗП работаетследующим образом.Входное переменное напряжение БбИПСЗН поступает на вход масштабногопреобразователя 1, имеющего коэффициент преобразования К и после усиления преобразуется модулятором 9 вУрадиоимпульсы напряжения. На интервалах времени, когда модулятор 9 формирует радиоимпульсы, его коэффициентпередачи равен К 9, а во время паузымежцу радиоимпульсами имеет значение,близкое к нулю.Преобразователь 10, имеющий коэффициент преобразования напряжения вток, равный К , преобразует радиоим 1 опульсы напряжения в радиоимпульсы тока , протекающего через диод 7 вместе с выходным постоянным током 1,упрпвляемого преобразователя (источника 20 тока).Среднее значение приращения напряжения диода 7 выделяется Фильтром 11,имеющим коэААициент передачи Ка с его выхода поступает на первыйвход первого усилителя 12 импульсов,имеющего дифференциальный коэффициентусиления К, , Па второй вход усилителя 12 поступает выходное напряжениеделителя 14, который имеет коэффициент передачи К , На вход делителя14 напряжения подается выходное напряжение квадратора 13, имеющего коэф 0)3Фициент преобразования ,-г =1" вхЭто напряжение имеет Форму однополярных прямоугольных импульсов, поскольку входное напряжение квадратора13 в результате работы элемента 19фиксации уровней является однополярным.Постоянный ток источника 20 прямопропорционален среднеквадратичному11 мвхзначению --- входного синусоидальЕного напряжения ИПСЗН,формула из обретения Измерительный преобразователь среднеквадратичных значений напряжений,содержащий масштабный преобразователь напряжения, измеритель тока, усилитель постоянного тока, первый и второй конденсаторы, сумматор и два нелинейных элемента, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения погрешности преобразования в широком диапазоне частот и температур, масштабный преобразователь напряжения своим выходом подключен к входу измерительного канала, состоящего из последовательно соединенных импульсного амплитудного модулятора, преобразователя напряжение - ток,фильтра нижних частот, первого усилителя, подключенного неинвертирующим входом перного кон)денсатора и первого элемента выборки- хранения, соединенного с первым входом сумматора, к выходу преобразователя напряжение - ток подключен первыйнелинейный элемент, выполненный ввиде диода, вывод первого конденсатора и вход первого элемента выборкихранения соединены с первым выходомэлемента Фиксации уровней и с входомквадратора, выход которого через делитель напряжения соединен с инвертирующим входом первого усилителя,управляющий вход импульсного амплитудного модулятора соединен с первымвыходом Формирователя управляющихнапряжений и с входом опорного канала,состоящего из последовательно соединенных источника импульсного тока,второго усилителя, второго конденсатора и второго элемента выборки-хранения, соединенного выходом с вторымвходом сумматора, выход источника импульсного тока подключен также к второму нелинейному элементу, выполненному в виде диода, и к выходу источника стабильного тока, вывод второгоконденсатора и вход второго элементавыборки-хранения соединены с вторымвходом элемента Фиксации уровней,управляющий вход которого соединенс вторым выходом Формирователя управляющих напряжений, третий выход которого соединен с управляющими входами элементов выборки-хранения, выходсумматора через последовательно соединенные усилитель постоянного тока,измеритель тока и управляемый источник тока соединен с первым нелинейным элементом.1585766 ах 1 оставитель А,Васильехред Л.Олийнык дактор М.Ииткин ектор М.Самборская ираж 5 одписное агарина, 101 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород Заказ 2325 ВНИИПИ Гос ственного комитета по изо 113035, Москва, Ж, Р тениям и открытиям при ГКНТ СССская наб., д. 4/5