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 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.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия и точности измерения напряжения за счет отсутствия в устройстве интегратора.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для измерения действующего значения переменного напряжения, содержащее первый квадратор, компаратор, преобразователь частота-напряжение и блок извлечения квадратного корня, выход которого является выходом устройства, вход которого соединен с входом первого квадратора и входом компаратора, выход которого соединен входом преобразователя частота-напряжение, дополнительно введены управляемый фазосмещатель, второй квадратор, сумматор и гиперболический преобразователь, причем вход устройства соединен с входом управляемого фазосмещателя, 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 входом гиперболического преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазосмещателя. Управляемый фазосмещатель содержит операционный усилитель, два резистора, полевой транзистор и конденсатор, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и выходом управляемого фазосмещателя, вход которого соединен со вторым выводом первого резистора и стоком полевого транзистора, исток которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя и первым выводом конденсатора, второй вывод которого присоединен к шине нулевого потенциала, а затвор полевого транзистора соединен с управляющим входом управляемого фазосмещателя.
Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение управляемого фазосмещателя, второго квадратора, сумматора 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.
вх
1
3
6
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг. 2 - схема управляемого фазосмещателя, на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений u, u-u, u и u.
Устройство (фиг. 1) содержит квадраторы 1, 6, компаратор 2, преобразователь частота-напряжение 3, блок извлечения квадратного корня 4, управляемый фазосмещатель 5, сумматор 7 и гиперболический преобразователь 8.
5
вх
6
7
6
Компаратор 2 предназначен для формирования напряжения прямоугольной формы u из входного синусоидального напряжения u. Преобразователь частота-напряжение 3 преобразует частоту входного сигнала ω в напряжение u постоянного тока положительной полярности, пропорциональное частоте ω. Гиперболический преобразователь 8 формирует на своем выходе напряжение u, обратно пропорциональное его входному u.
Управляемый фазосмещатель 5 (фиг. 2) содержит операционный усилитель 9, два резистора 10, 11, полевой транзистор 12 и конденсатор 13.
Управляемый фазосмещатель 5 предназначен для сдвига фазы входного сигнала на угол 90° в рабочем диапазоне частот при единичном коэффициенте усиления. Для этого необходимо выдержать следующие соотношения между компонентами его схемы:
10
11
т
13
R=R; R=1/(ωС),
т
где R - сопротивление полевого транзистора;
ω - круговая частота входного напряжения.
вх
вх
Устройство работает следующим образом. Измеряемое напряжение переменного тока u подается на входы квадратора 1 и управляемого фазосмещателя 5, на выходе которого формируется напряжение, равное по амплитуде и сдвинутое по фазе относительно u на угол φ=90° в сторону опережения (фиг. 3).
вх
1
На входы квадраторов 1, 6 поступают соответственно напряжения u и u, одинаковые по амплитуде и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол φ=90°:
вх
m вх
1
m вх
m вх
u=Usinωt, u=Usin(ωt+90°)=Ucosωt,
m вх
где U - амплитуда измеряемого входного напряжения.
2
3
вх
1
На выходах квадраторов 1, 6 формируются противофазные напряжения u, u, полученные после возведения в квадрат напряжений u и u:
; .
2
3
4
После суммирования напряжений u, u в сумматоре 7 и преобразований, на его выходе имеем напряжение u (фиг. 3):
.
вых
После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 4 на выходе устройства формируется напряжение u:
.
вых
m вх
вх
Таким образом, выходное постоянное напряжение u устройства не содержит переменной составляющей, а его величина равна амплитуде измеряемого входного напряжения U, то есть пропорционально действующему значению u.
2
3
вх
1
7
6
вх
Для того, чтобы напряжения u, u на выходах квадраторов 1, 6 находились в противофазе в широком диапазоне частот необходимо постоянно поддерживать угол сдвига фаз φ между напряжениями u и u равным 90° вне зависимости от частоты измеряемого напряжения. Этой цели служит управляемый фазосмещатель 5, имеющий управляющий вход, на который подается напряжение u с выхода гиперболического преобразователя 8, которое формируется из выходного напряжения u преобразователя частота-напряжение 3 пропорционального частоте ω входного напряжения u и определяется выражением:
7
1
u=1/(Kω),
1
где K - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 3.
7
Напряжение u подается на управляющий вход управляемого фазосмещателя 5 и изменяет сопротивление полевого транзистора 12 в обратно пропорциональной зависимости от частоты ω. При этом этого угол сдвига фаз φ напряжений управляемого фазосмещателя 5, определяемый выражением
13
т
13
т0
1
13
т0
1
φ=π-2arctg(ωCR)=π-2arctg(ωCR/Kω)=π-2arctg(CR/K)
т0
7
не зависит от частоты ω входного напряжения. В данном выражении R - это сопротивление полевого транзистора 12 при напряжении управления u на затворе равным нулю.
1
Коэффициент передачи K преобразователя частота-напряжение 3 выбирается определяется выражением:
1
13
т0
K=CR.
вх
1
При этом угол сдвига фаз φ между напряжениями u и u управляемого фазосмещателя 5 будет всегда равен 90°.
вых
Благодаря автоматическому изменению сопротивления полевого транзистора 12 в обратно пропорциональной зависимости от частоты входного напряжения ω угол сдвига фаз φ поддерживается неизменным во всем рабочем диапазоне частот входного напряжения и равным 90°, а 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.
При практической реализации предлагаемого устройства незначительные пульсации выходного напряжения, обусловленные искажениями формы синусоидального напряжения и неточности перестройки управляемого фазосмещателя 5 можно устранить включением фильтра низкой частоты с небольшой постоянной времени после сумматора 7, что существенно не скажется на быстродействии устройства.
При построении квадраторов 1, 6 и гиперболического преобразователя 8 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3. Суммирующее устройство 7 представляет собой обычный сумматор на операционном усилителе. В качестве блока извлечения квадратного корня 4 можно использовать схему на операционном усилителе, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи. Полевой транзистор 12 с управляющим p-n переходом n-типа можно выбрать типа КП302В. В качестве преобразователя частота-напряжение можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1.