ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике, и может быть использована для измерения переменного напряжения путем преобразования его в постоянное в широком диапазоне частот.
Известен измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №163230 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 10.07.2016 г.], содержащий фазосмещатель, первый и второй квадраторы, суммирующее устройство и блок извлечения квадратного корня, причем вход преобразователя соединен с входами первого квадратора и фазосмещателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам суммирующего устройства, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя.
Недостатком данного преобразователя является то, что наряду с высоким быстродействием и точностью его область применения ограничивается только измерением напряжения промышленной частоты, так как фазосмешатель обеспечивает фазовый сдвиг в 90° только на этой частоте. На других частотах преобразователь не выполняет своей функции, так как его выходное напряжение будет иметь значительную переменную составляющую, соизмеримую с постоянной.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №168459 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 5.08.2016 г.], содержащий дифференциатор, блок деления, первый и второй квадраторы, сумматор, блок извлечения квадратного корня, компаратор и преобразователь частота-напряжение, причем вход измерительного преобразователя соединен с входами дифференциатора, первого квадратора и компаратора, выход которого соединен с входом преобразователя частота-напряжение, выход которого соединен со вторым входом блока деления, первый вход которого соединен с выходом дифференциатора, выход блока деления соединен с входом второго квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом измерительного преобразователя.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного преобразователя 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 управления на самой нижней частоте рабочего диапазона, что предопределяет низкое быстродействие устройства во всем рабочем диапазоне частот.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия преобразователя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий дифференциатор, блок деления, первый и второй квадраторы, сумматор и блок извлечения квадратного корня, причем вход измерительного преобразователя соединен с входами первого квадратора и дифференциатора, выход которого соединен с первым входом блока деления, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом измерительного преобразователя, дополнительно введены первый и второй амплитудные детекторы и аналоговый перемножитель, первый вход которого подключен к выходу блока деления, причем вход преобразователя соединен с входом первого амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом аналогового перемножителя, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выход дифференциатора через второй амплитудный детектор соединен со вторым входом блока деления.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение первого и второго амплитудных детектора и аналогового перемножителя, а также новая организация связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение быстродействия преобразователя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
вх
1
5
вых
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u-u и u.
Преобразователь (фиг. 1) содержит дифференциатор 1, блок деления 2, два амплитудных детектора 3 и 4, аналоговый перемножитель 5, два квадратора 6 и 7, сумматор 8 и блок извлечения квадратного корня 9.
вх
m
вх
Преобразователь работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение переменного тока u=Usinωt подается на входы дифференциатора 1 и амплитудного детектора 3.
1
вх
вх
На выходе дифференциатора 1 формируется напряжение u, сдвинутое по фазе относительно u на угол 90° в сторону опережения, амплитуда которого пропорциональна частоте ω входного сигнала u (фиг. 2):
m вх
где U - амплитуда входного напряжения;
1m
U - амплитуда выходного напряжения дифференциатора;
ω - круговая частота входного напряжения;
R - сопротивление резистора дифференциатора;
С - емкость конденсатора дифференциатора.
1m
2
После деления выходного напряжения дифференциатора 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 5.
2
m вх
вых
m вх
m вх
В аналоговом перемножителе 5 производится перемножение напряжения u с амплитудным значением входного напряжения U, поступающим с амплитудного детектора 4, в результате на его выходе формируется напряжение u=Ucosωt, тем самым происходит восстановление амплитуды входного напряжения U.
вх
m вх
3
m вх
Напряжения u=Usinωt и u=Ucosωt подаются на входы соответственно квадраторов 6 и 7.
4
5
вх
3
На выходах квадраторов 6 и 7 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:
4
5
6
После суммирования напряжений u и u в сумматоре 8 и преобразований, на его выходе имеем напряжение u, не содержащее переменной составляющей:
вых
После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 9 на его выходе и на выходе устройства формируется напряжение u.
вых
m вх
вх
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 быстродействия преобразователя.
1m
При практической реализации предлагаемого устройства дифференциатор 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 x перемножителя необходимо подключить к выходу ОУ, выход через резистор - к инвертирующему входу, а на вход y 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. При построении квадраторов 6 и 7 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3, объединив входы x и y. Сумматор 8 представляет собой обычный сумматор на ОУ. В качестве блока извлечения квадратного корня 9 можно использовать схему на ОУ, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи.