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 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 (фильтра нижних частот) позволяет повысить быстродействие устройства по сравнению с аналогом, однако устройство имеет недостаточно высокое быстродействие измерения напряжения, особенно на нижних частотах рабочего диапазона, обусловленная наличием фильтра нижних частот в цепи прохождения сигнала постоянного тока.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия измерения напряжения за счет исключения фильтра нижних частот из цепи прохождения сигнала постоянного тока.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для измерения действующего значения переменного напряжения, содержащее первый квадратор, компаратор, преобразователь частота-напряжение, интегратор 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, дополнительно введены усилитель с управляемым коэффициентом усиления, второй квадратор и сумматор, 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.
Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение усилителя с управляемым коэффициентом усиления, второго квадратора и сумматора, а также новая организация связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения быстродействия устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. приведена функциональная схема устройства.
Устройство (фиг.) содержит квадраторы 1 и 2, интегратор 3, усилитель с управляемым коэффициентом усиления 4, сумматор 5, блок извлечения квадратного корня 6, компаратор 7 и преобразователь частота-напряжение 8.
1
вх
Устройство работает следующим образом. Измеряемое напряжение переменного тока  подается на входы квадратора 1 и интегратора 3, на выходе которого формируется напряжение u, сдвинутое по фазе относительно u на угол φ=90° в сторону отставания:
,
где  - амплитуда измеряемого входного напряжения;
ω - круговая частота входного напряжения;
R - сопротивление резистора интегратора;
C - емкость конденсатора интегратора.
3
вх
Коэффициент усиления усилителя с управляемым коэффициентом усиления 4 выбирается таким образом, чтобы напряжение u на входе второго квадратора 2 было одинаковой амплитуды с напряжением u. Для этого необходимо выдержать следующие соотношения параметров интегратора 3 и усилителя 4:
,
U
где K - коэффициент усиления усилителя.
Тогда на входе второго квадратора 2 имеем напряжение:
.
U
Таким образом, коэффициент усиления K усилителя 4 компенсирует изменение коэффициента передачи интегратора 3 в зависимости от частоты ω входного сигнала.
2
4
вх
3
На выходах квадраторов 1 и 2 формируются противофазные напряжения u и u, полученные после возведения в квадрат напряжений u и u, которые пульсируют с двухкратной частотой входного сигнала 2ω и имеют постоянную составляющую:
; .
2
4
5
После суммирования напряжений u и u в сумматоре 5 и преобразований, на его выходе имеем напряжение u, не содержащее переменной составляющей:
.
вых
После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 6 на выходе устройства формируется напряжение u:
.
вых
вх
Таким образом, выходное постоянное напряжение u устройства не содержит переменной составляющей, а его величина равна амплитуде измеряемого входного напряжения , то есть пропорционально действующему значению U.
2
4
Для того, чтобы напряжения u и u на входах квадраторов 1 и 2 имели одинаковую амплитуду вне зависимости от частоты измеряемого напряжения ω, необходимо изменять коэффициент усиления усилителя 4, пропорционально изменению частоты ω.
7
вх
Для этой усилитель 4 имеет управляющий вход, на который подается напряжение u с выхода преобразователя частота-напряжение 8 пропорциональное частоте ω входного напряжения u:
,
1
где К - коэффициент преобразования преобразователя частота-напряжение 8.
В результате при изменении частоты измеряемого напряжения ω коэффициент усиления усилителя 4 изменяется таким образом, что общий коэффициент передачи интегратора 3 и усилителя 4 равен единице.
1
При этом коэффициент преобразования К преобразователя частота-напряжение 8 определяется выражением:
,
пр
U
7
где К=K/u - коэффициент пропорциональности канала управления усилителя 4.
U
2
4
вых
Благодаря автоматическому изменению коэффициента усиления K усилителя 4 пропорционально частоте входного напряжения ω напряжения u и u на выходах квадраторов 1 и 2 имеют одинаковую амплитуду, а выходное постоянное напряжение u на выходе устройства не содержит переменной составляющей.
Таким образом, за счет отсутствия в предлагаемой полезной модели фильтра нижних частот в цепи прохождения сигнала постоянного тока обеспечивается повышение быстродействия измерения напряжения.
При практической реализации предлагаемого устройства интегратор можно выполнить на операционном усилителе с времязадающей RC-цепью. При построении квадраторов 1 и 2 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3, объединив входы x и y. Усилитель с управляемым коэффициентом усиления 4 можно выполнить на перемножителе, подав входной сигнал на вход x, а сигнал управления - на вход y. Суммирующее устройство 7 представляет собой обычный сумматор на операционном усилителе. В качестве блока извлечения квадратного корня 6 можно использовать схему на операционном усилителе, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи. В качестве преобразователя частота-напряжение 8 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1.
В реальном устройстве незначительные пульсации выходного напряжения, обусловленные искажениями формы синусоидального напряжения и неточностью перестройки усилителя с управляемым коэффициентом усиления 4 можно устранить включением фильтра низкой частоты с небольшой постоянной времени после сумматора 5, что существенно не скажется на быстродействии устройства.