Измерительные преобразователи переменного тока

Широкое применение в цифровых измерительных приборах нашли методы измерения переменного тока и напряжения, основанные на линейном преобразовании среднего значения измеряемого сигнала в напряжение постоянного тока. Наиболее просто такое преобразование осуществляется с помощью пассивного диодного выпрямителя. Однако такие преобразователи имеют целый ряд недостатков – малый динамический диапазон входных напряжений, в пределах которого сохраняется линейность преобразования и его стабильность.

Большими возможностями обладают активные преобразователи средневыпрямленных значений. Схема преобразователя среднего значения напряжения содержит масштабирующий преобразователь 1, выпрямитель 2, сглаживающий фильтр 3 и согласующий усилитель 4.

Масштабирующий преобразователь представляет собой частотно компенсированный делитель напряжения, состоящий из резисторов R₁ и R₂ и конденсаторов C₁ - C₆. В цепь отрицательной обратной связи включены диоды VD₁ и VD₂.

Сглаживающий фильтр устраняет пульсации выходного напряжения. Стремление сократить габаритные размеры сглаживающего фильтра заставили применять резисторы с достаточно большими номиналами, поэтому для согласования большого выходного сопротивления применяют согласующий усилитель А₂:

.

где K_ф – коэффициент формы кривой измеряемого сигнала; U_ном – номинальное значение входного напряжения; Δ – коэффициент, определяющий отличие реальной функции преобразования от идеальной линейной зависимости; Δ_град – коэффициент, определяющий отличие реальной функции преобразования от идеальной в градуировочной точке; R_н’ – значение сопротивления в цепи диода VD2.

В свою очередь:

,

где R_пр1, R_пр2 – прямые сопротивления диодов; R_обр1, R_обр2 – обратные сопротивления диодов; R_н’’ – сопротивление в цепи диода VD1.

Для увеличения входного сопротивления прибора обязательно уменьшение эквивалентной емкости C_экв1, состоящей из конденсаторов С₁, С₃ – С₅, шунтирующей резистор R₁. Однако уменьшение этой емкости до значений, сравнимых со значениями паразитных емкостей элементов относительно общей шины, может привести к закарачиваниям при регулировке делителя. На практике обычно применяются емкости от 10 до 12 нФ при использовании в делителе проволочных резисторов. Применение последовательной цепи C₃, C₄, C₅, обеспечивает требуемую электрическую прочность изоляции делителя.

В цифровых приборах, измеряющих пиковые значения, используются преобразователи амплитудных значений, в которых применяются методы линеаризации передаточных характеристик пикового детектора путем включения его в цепь ООС усилителя. Включение диодно – емкостной ячейки в замкнутый контур с большим усилением дает эффект, эквивалентный деформации ВАХ диода, что позволяет повысить точность преобразования, особенно в области малых значений измеряемого сигнала.

Для хранения информации на конденсаторе также создают более благоприятные условия, т.к. обратное напряжение на диоде очень мало зависит от измеряемого напряжения.

Находится в состоянии глубокой перекомпенсации и его выходное напряжение определяется в основном свойствами выходного каскада. Это позволяет выбрать режим, наиболее благоприятный для подавления различных паразитных токов, перезаряжающих запоминающий конденсатор .

При изменении входного сигнала в сторону увеличения диод открытии напряжение на запоминающемся конденсаторе повторяет изменение входного сигнала.

При изменении входного сигнала в сторону уменьшения диод закрывается, что обеспечивает запоминание максимального значения числа до момента появления на входе большого сигнала или до сброса в нулевое состояние ключом S.

Схема амплитудного детектора.

Для оценки погрешности амплитудного детектора можно записать уравнение:

,

где - напряжение ошибки; ; К- коэффициент усиления усилителя .

,

где - коэффициент передачи связи цепи обратной связи.

Таким образом, погрешности, связанные с наличием у диода вольт-амперной характеристики с малой проводимостью, уменьшаются в раз. Погрешности амплитудного детектора определяются током утечки запоминающего конденсатора, временем переключения диода , утечкой тока через переключатель S и диод , а также разрядом емкости и входным током усилителя . Для нормальной работы детектора необходима коррекция частотных характеристик усилителей и , с тем, чтобы усилитель обладал значительно большим быстродействием, чем входной усилитель . В том случае, если усилитель обеспечивает более быстрый заряд конденсатора С_о , чем может отслеживать усилитель , из-за издержек по цепи обратной связи возможен перезаряд емкости , который приводит к значительной погрешности.