УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения переменного напряжения путем преобразования его в постоянное в широком диапазоне частот.
Известно устройство, вычисляющее среднеквадратичное значение переменного напряжения, состоящее из последовательно соединенных квадратора, интегратора и схемы извлечения квадратного корня [Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982. - с. 73, рис. 4.31].
Недостатком данного устройства является фиксированная постоянная времени интегратора для различных частот измеряемого напряжения. Так для обеспечения требуемой точности постоянная времени интегрирования выбирается намного больше периода нижней частоты входного сигнала рабочего диапазона частот, что приводит к значительному снижению быстродействия измерения.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство для измерения действующего значения переменного напряжения [Патент на ПМ №165619 РФ, МПК G01R 19/00, опубл. 11.05.2016 г.], содержащее интегратор, два квадратора, усилитель с управляемым коэффициентом усиления, компаратор, преобразователь частота-напряжение, сумматор и блок извлечения квадратного корня, выход которого является выходом устройства, вход которого соединен с входами первого квадратора и компаратора, выход которого соединен с входом преобразователя частота-напряжение, причем выход интегратора соединен с входом усилителя с управляемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом второго квадратора, выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого соединен с входом блока извлечения квадратного корня, а выход преобразователя частота-напряжение соединен с управляющим входом усилителя с управляемым коэффициентом усиления.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Перестраиваемая постоянная времени интегратора позволяет повысить быстродействие устройства по сравнению с аналогом. Однако недостатком данного устройства является низкое его быстродействие особенно в области низких частот, обусловленное применением в устройстве преобразователя частота-напряжение, в схеме которого на выходе используется фильтр нижних частот. При этом постоянная времени фильтра нижних частот выбирается достаточно большой исходя из обеспечения заданных пульсаций выходного напряжения на самой нижней частоте рабочего диапазона. Это приводит к значительному времени установления выходного напряжения преобразователя частота-напряжение, что предопределяет низкое быстродействие устройства в широком диапазоне частот.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для измерения действующего значения переменного напряжения, содержащее интегратор, первый и второй квадраторы, сумматор и блок извлечения квадратного корня, причем вход устройства соединен с входами первого квадратора и интегратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом устройства, дополнительно введены первый и второй амплитудные детекторы, блок деления, инвертор и аналоговый перемножитель, первый вход которого подключен к выходу блока деления, причем вход устройства соединен с входом первого амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом аналогового перемножителя, выход которого через инвертор соединен с входом второго квадратора, а выход интегратора соединен с первым входом блока деления и входом второго амплитудного детектора, второй вход которого соединен со вторым входом блока деления.
Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение первого и второго амплитудных детекторов, блока деления, инвертора и аналогового перемножителя, а также новая организация связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения быстродействия устройства.
вх
1
6
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u-u, u.
Устройство (фиг. 1) содержит интегратор 1, блок деления 2, амплитудные детекторы 3 и 4, аналоговый перемножитель 5, инвертор 6, квадраторы 7 и 8, сумматор 9 и блок извлечения квадратного корня 10.
вх
m вх
Преобразователь работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u=Usinωt подается на входы интегратора 1
1
вх
и амплитудного детектора 3. На выходе интегратора 1 формируется напряжение u, сдвинутое по фазе относительно u на угол 90° в сторону отставания (фиг. 2)
m вх
где U - амплитуда входного напряжения;
1m
U - амплитуда выходного напряжения интегратора;
ω - круговая частота входного напряжения;
R - сопротивление резистора интегратора;
С - емкость конденсатора интегратора.
1m
2
После деления выходного напряжение интегратора на его амплитуду U, формируемую амплитудным детектором 4, в блоке деления 2, на его выходе формируется напряжение u=-cosωt с единичной амплитудой, которое поступает на первый вход аналогового перемножителя 3.
2
m вх
3
m вх
m вх
В аналоговом перемножителе 5 производится перемножение напряжения u с амплитудным значением входного напряжения U, поступающим с амплитудного детектора 3, в результате на его выходе формируется напряжение u=-Ucosωt, тем самым происходит восстановление амплитуды входного напряжения U.
4
m вх
вх
После инвертирования инвертором 6, на его выходе формируется напряжение u=Ucosωt, сдвинутое по фазе относительно u на угол 90°.
вх
m вх
4
m вх
Напряжения u=Usinωt и u=Ucosωt подаются на входы соответственно квадраторов 7 и 8.
5
6
вх
4
На выходах квадраторов 7 и 8 формируются противофазные напряжения u и u, полученные после возведения в квадрат напряжений u и u, которые пульсируют с двухкратной частотой входного сигнала 2 со и имеют постоянную составляющую:
5
6
7
После суммирования напряжений u и u в сумматоре 9 и преобразований, на его выходе имеем напряжение u, не содержащее переменной составляющей:
вых
После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 10 на его выходе и на выходе устройства формируется напряжение u:
Вых
m вх
BX
Выходное постоянное напряжение U устройства не содержит переменной составляющей, а его величина равна амплитуде измеряемого входного напряжения U, то есть пропорционально действующему значению U.
Таким образом, исключение из устройства преобразователя частота-напряжение позволило избавиться от фильтра нижних частот на его выходе, тем самым достигнут технический результат - повышение быстродействие устройства.
m
При практической реализации предлагаемого устройства интегратор 1 можно выполнить по известной схеме на операционном усилителе (ОУ) с времязадающей RC-цепью. Блок деления 2 можно выполнить на ОУ, включив перемножитель напряжений на микросхеме КР525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. При этом вход х перемножителя необходимо подключить к выходу ОУ, выход через резистор - к инвертирующему входу, а на вход у подать напряжение U с выхода амплитудного детектора 4. Амплитудные детекторы 3 и 4 можно выполнить по одной из известных схем (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 292, рис. 11.17; стр. 304, рис. 11.29). Аналоговый перемножитель 5 можно выполнить на микросхеме КР525ПС3. Инвертор 6 представляет собой обычный инвертирующий усилитель на ОУ с единичным коэффициентом усиления. При построении квадраторов 7 и 8 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3, объединив входы х и у. Сумматор 9 представляет собой обычный сумматор на ОУ. В качестве блока извлечения квадратного корня 10 можно использовать схему на ОУ, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи.