3.4.5 Преобразователи действующих (среднеквадратических) значений

 

В соответствии с определением действующего значения функциональная схема ПСЗ состоит из квадратирующего ФП, усредняющего устройства и ФП, реализующего извлечение квадратного корня.

В тех случаях, когда особенности аппаратурной реализации квадратирующего ФП не позволяет использовать на его входе знакопеременное напряжение, квадратирующему устройству в функциональной схеме может предшествовать устройство выделения модуля входного сигнала.

Если схемы ПДЗ, в которых отсутствует ФП, обеспечивающий извлечение квадратного корня – ПДЗ с квадратичной функцией преобразования. Такой принцип построения используется в тех случаях, когда преимущества линейной функции преобразования не оправдывают усложнений схемы, связанных с введением второго функционального преобразователя.

В качестве устройства выделения модуля входного сигнала и усредняющего устройства в ПДЗ используются активные и пассивные схемы.

Для создания квадратирующих устройств и устройств, реализующих операцию извлечения корня из усредненного сигнала, могут использоваться как ФП с естественной нелинейностью характеристик, так и ФП с кусочной аппроксимацией. Среди ряда известных методов организации структур ПДЗ наиболее эффективным является метод взаимообратных преобразований. Функциональная схема ПДЗ, реализующая его представлена на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Функциональная схема ПДЗ с использованием метода взаимообратных преобразований

 

Идея метода взаимообратных преобразований заключается в использовании для операций квадратирования и извлечения корня идентичных по характеристикам квадратирующих преобразователей в цепи прямого преобразования и цепи отрицательной обратной связи усилителя с большим коэффициентом преобразования усиления.

Для идентичных ФП можно записать

- ;                                                                                                                         (3.57)

,                                                                                                                               (3.58)

где   - коэффициент усиления усилителя.

При больших значениях   напряжение на входе усилителя   и справедливо приближенное равенство

                                                                                                                             (3.59)

Схема усреднения представляет собой фильтр нижних частот, характеристика которого обеспечивает подавление напряжения с частотой входного сигнала и неискаженное пропускание составляющих спектра изменения действующих значений. Учитывая наличие спектра, из выражения (3.57) можно записать  .

Реализация обратного функционального преобразования не единственное преимущество способа взаимообратных преобразований.

В схемах, использующих этот способ, происходит компенсация нестабильности характеристик ФП в той мере, в какой эти характеристики идентичны.

3.4.6 Универсальные вольтметры

 

При измерении постоянных напряжений универсальным вольтметром (УВ) входная величина через переключатель подаётся на вход преобразователя импеданса ПИ, входной сигнал которого при необходимости преобразуется масштабным преобразователем МП, нагрузкой которого является магнитоэлектрический микроамперметр.

При измерении переменного напряжения измеряемая величина поступает на вход ПАЗ, а постоянное напряжение с выхода ПАЗ измеряется вольтметром постоянного тока.

При создании универсальных вольтметров используются в основном схемы ПАЗ с закрытым входом, что объясняется независимостью напряжения на её выходе от постоянной составляющей напряжения на входе (рисунок 3.13).

 

Условные обозначения:

ПАЗ - преобразователь амплитудных значений;

ИП - измерительный преобразователь;

ПИ - преобразователь импеданса;

МП - масштабный преобразователь;

SA - переключатель.

Рисунок 3.13 - Функциональная схема универсального вольтметра

Принципиальная схема УВ представлена на рисунке 3.14.

Схема  вольтметра  постоянного  тока  состоит  из  пассивного масштабного преобразователя и преобразователя импеданса с выходом   на   магнитоэлектрический   вольтметр.

Масштабный   преобразователь   включает   в   себя  два   набора   резисторов:   первый (R5-R8)   вместе   с   переключателем   П1—1   образует   входной делитель напряжения, предназначенный для переключения верхнихдиапазонов   измерения;    второй   (R12-R15)   составляет   набор добавочных   сопротивлений   магнитоэлектрического   вольтметра и   вместе   с   переключателем   П1—2   позволяет   осуществлять переключение  нижних  диапазонов  измерения.

ПИ представляет собой усилитель, собранный на интегральных схемах А1 и А2;

Микросхема   А1   содержит   согласованную   пару   полевых   тран­зисторов, включенных по схеме истокового повторителя и обеспечивает  высокое  входное  сопротивление  ПИ.

Микросхема  А2 является операционным усилителем с дифференциальным входом. Для балансировки усилителя служит переменный резистор R11, подключенный через резисторы R9 и R10 к входам микросхемы А1.

Усилитель охвачен единичной отрицательной обратной связью (с   выхода   5   микросхемы   А2   на   вход   6 микросхемыA1),   стабилизирующей  характеристики  усилителя  и   обеспечивающей требуемое высокое значение входного импеданса ПИ.

Вход ПИ защищен от перегрузок диодами VD2 и VD3. Питание микросхем  осуществляется от параметрического стабилизатора ПС.

Выходной прибор -магнитоэлектрический вольтметр на базе микроамперметра   с    током    полного    отключения    100 мкА.    В   схему вольтметра входят также добавочные резисторы R12 — R15, регулировочные резисторы R16,  R17 и кремниевые стабилитроны VD4, VD5 для защиты измерительного механизма от перегрузок.

Входящий   в   структуру   вольтметра   переменного   тока   ПАЗ выполнен  по  схеме  с  закрытым  входом  на  диоде — нувисторе. Использование вакуумного диода объясняется стремлением иметь выпрямительный элемент со значительным обратным сопротивле­нием  и  весьма  малой входной  емкостью.

Высокочастотная составляющая измеряемого напряжения отфильтровывается фильтром R1, С1, а низкочастотная — фильтром R1,   C2.

Соотношение  между   значениями  R1   и   R3   (R3>>R2) выбрано таким образом, чтобы на вход вольтметра постоянноготока подавалось напряжение в   меньше амплитудного.

Рисунок 3.14 - Принципиальная схема универсального вольтметра

 

Для обеспечения заданного частотного диапазона (20 Гц—1000 МГц)

в схеме ПАЗ предусмотрена возможность смены разрядной емкости.

При работе по низкочастотному входу размещенный в пробнике ПАЗ (щуп А) вставляется в гнездо Г.

В этом случае измеряемое напряжение подается на клеммы U₌, U~ и функции разрядной емкости выполняет конденсатор C3 (0,1мкФ).

При использовании высокочастотного входа на пробнике размещается  насадка с конденсатором  С₆ (1000 пФ).

Постоянные  времени  разряда   для  низкочастотного и высокочастотного входов  составляют значения  порядка  3с и 30мс.

Падение напряжения на R3 от начального тока диода компенсируется напряжением смещения нуля с резистора R2.Напряжение смещения и напряжение накала диода стабилизи­рованы  компенсационным  стабилизатором  КС.

Вольтметр обеспечивает диапазон измерений постоянных на­пряжений 30мВ — 300В, а переменных 200мВ — 300В. При­менение внешних масштабных преобразователей, входящих в комплект прибора,  расширяет диапазон измерений до   1000В.

Основная погрешность вольтметра постоянного тока от 2,5% до 4%, вольтметра переменного тока в диапазоне частот  от 20Гц до 1000МГц составляет от 4%  до 6%.