УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике, и может быть использована для измерения переменного напряжения в широком диапазоне частот путем преобразования его в постоянное.
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 неизменная 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.
8
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство для измерения действующего значения переменного напряжения [Авторское свидетельство СССР №1712892 МПК G01R 19/02, опубл. 25.01.1990 г.], устройство для измерения действующего значения переменного напряжения, содержащее последовательно соединенные квадратор, интегратор с управляемой напряжением постоянной интегрирования, компаратор, преобразователь частота - напряжение и блок извлечения квадратного корня, выход которого является выходом устройства, вход квадратора является входом устройства, выход которого соединен с управляющим входом интегратора, а вход соединен с выходом компаратора, вход которого соединен с входом квадратора, причем интегратор содержит полевой транзистор и конденсатор, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод является выходом интегратора и соединен со стоком полевого транзистора, исток которого является входом интегратора, а затвор - управляющим входом интегратора.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Перестраиваемая постоянная времени интегратора позволяет повысить быстродействие устройства по сравнению с аналогом, однако устройство имеет недостаточно высокое быстродействие и точность измерения напряжения, особенно на нижних частотах рабочего диапазона, обусловленная наличием интегратора в цепи прохождения сигнала постоянного тока. Кроме того, учитывая что входное сопротивление блока извлечения квадратного корня конечно, то изменение сопротивления полевого транзистора приводит к некоторому изменению выходного напряжения устройства в рабочем диапазоне частот, что также сказывается на точности измерения.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия и точности измерения напряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для измерения действующего значения переменного напряжения, содержащее квадратор, компаратор, преобразователь частота-напряжение и блок извлечения квадратного корня, выход которого является выходом устройства, вход которого соединен с входом квадратора и входом компаратора, выход которого соединен с входом преобразователя частота-напряжение, дополнительно введены перестраиваемый режекторный фильтр и гиперболический преобразователь, причем выход квадратора соединен с входом перестраиваемого режекторного фильтра, выход которого соединен с входом блока извлечения квадратного корня, а выход преобразователя частота-напряжение соединен с входом гиперболического преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом перестраиваемого режекторного фильтра. Перестраиваемый режекторный фильтр содержит операционный усилитель, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы и первый и второй полевые транзисторы, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и выходом перестраиваемого режекторного фильтра, вход которого соединен со вторым выводом первого резистора, стоком первого полевого транзистора и первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя и истоками первого и второго полевых транзисторов, затворы которых объединены и соединены с управляющим входом перестраиваемого режекторного фильтра, а сток второго полевого транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала.
Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение перестраиваемого режекторного фильтра и гиперболического преобразователя, а также новая организация связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения быстродействия и точности устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг. 2 - схема перестраиваемого режекторного фильтра.
Устройство (фиг. 1) содержит квадратор 1, компаратор 2, преобразователь частота-напряжение 3, блок извлечения квадратного корня 4, перестраиваемый режекторный фильтр 5 и гиперболический преобразователь 6.
5
вх
вх
4
вх
5
4
Компаратор 2 предназначен для формирования напряжения прямоугольной формы u из входного синусоидального напряжения u. Преобразователь частота-напряжение 3 преобразует частоту входного сигнала f в напряжение u постоянного тока положительной полярности, пропорциональное частоте f. Гиперболический преобразователь 6 формирует на своем выходе напряжение u, обратно пропорциональное его входному напряжению u.
Перестраиваемый режекторный фильтр 5 выполнен на базе моста Вина (фиг. 2) и содержит операционный усилитель 7, два резистора 8, 9, два конденсатора 10, 11 и два n-канальных полевых транзисторов 12, 13 с управляющим p-n переходом.
вх
Перестраиваемый режекторный фильтр 5 предназначен для подавление сигналов резонансной частоты, на которую он настроен, в рабочем диапазоне частот. В связи с тем, что при прохождении сигнала через квадратор 1 происходит удвоение частоты, то резонансная частота режекторного фильтра 5 выбирается в два раза выше частоты f входного напряжения. Для режекторного фильтра 5 необходимо выдержать следующие соотношения между компонентами его схемы:
т12
т13
где R, R - сопротивление полевых транзисторов 12, 13;
вх
f - частота входного напряжения.
вх
1
Устройство работает следующим образом. Измеряемое напряжение переменного тока u подается на вход квадратора 1, на выходе которого формируется напряжение u (фиг. 3):
m вх
где U - амплитуда измеряемого входного напряжения;
вх
ω=2πf - круговая частота входного напряжения.
2
Режекторный фильтр 5 подавляет переменную составляющую с частотой сигнала 2ω, в результате на его выходе имеем напряжение u:
вых
После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 4 на выходе устройства формируется напряжение u(фиг. 3):
вых
вх
Таким образом, выходное постоянное напряжение u устройства не содержит переменной составляющей, а его величина равна действующему значению входного напряжения u.
вх
вх
вх
4
вх
вх
Для того, чтобы подавление переменной составляющей напряжения происходило в широком диапазоне частот необходимо изменять резонансную частоту режекторного фильтра 5 пропорционально изменению частоты входного сигнала f. Для этой цели производится перестройка резонансной частоты режекторного фильтра 5 в зависимости от частоты f измеряемого напряжения u. Выходное напряжение u преобразователя частота-напряжение 3 пропорциональное частоте f входного напряжения u подается на вход гиперболического преобразователя 6, напряжение на выходе которого определяется выражением:
1
где K - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 3.
5
вх
Напряжение u подается на управляющий вход режекторного фильтра 5 и изменяет сопротивление полевых транзисторов 12, 13 в обратно пропорциональной зависимости от частоты f.
т0
5
где R - сопротивление полевых транзисторов 12, 13 при напряжении управления u на затворе равным нулю.
p
При этом выражение для резонансной частоты f режекторного фильтра 5 с учетом (1) будет иметь вид:
т
где R - сопротивление полевых транзисторов 12, 13;
10
11
С - емкость конденсаторов С, С.
p
вх
Из формулы (2) с учетом f = 2f следует выражение для выбора коэффициента передачи преобразователя частота-напряжение 3:
вх
вх
вых
Благодаря автоматическому изменению резонансной частоты перестраиваемого режекторного фильтра 5 пропорционально изменению частоты f входного сигнала u выходное постоянное напряжение u устройства не содержит переменной составляющей.
Таким образом, за счет отсутствия в предлагаемой полезной модели интегратора обеспечивается повышение быстродействия и точности измерения напряжения.
вых
При практической реализации предлагаемого устройства незначительные пульсации выходного напряжения u, обусловленные искажениями формы синусоидального напряжения и неточностью перестройки режекторного фильтра 5 можно устранить включением после режекторного фильтра 5 фильтра низкой частоты с небольшой постоянной времени, что существенно не скажется на быстродействии устройства. При построении квадратора 1 и гиперболического преобразователя 6 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3. Компаратор 2 может быть интегральным типа К554СА3 либо выполнен операционном усилителе. В качестве блока извлечения квадратного корня 4 можно использовать схему на операционном усилителе, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи. В качестве полевых транзисторов предпочтительно использовать согласованные пары в транзисторных сборках, например, типа КР504НТ3. При построении преобразователя частота-напряжение 3 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1.