Преобразователь переменного напряжения в постоянное по уровню средневыпрямленного значения

 

Изобретение относится к области электроизмерений и может быть использовано в приборах для измерения средневыпрямленного значения переменного тока. Цель изобретения - повышение точности работы устройства. Преобразователь содержит компаратор 1 и ключи 3 и 5. Введение генератора 2 треугольного напряжения, суммирующефильтрующего блока 4 и формирователя 6 меандра позволяет за счет многократного компарирования входного напряжения с треугольным за период входного напряжения уменьшить погрешность, вызванную дрейфом нуля компаратора 1 и его задержкой переключения, что обеспечивает повышение точности преобразования не менее чем в 20 раз. 5 ил. (Л ffjfoB ВыжоЗ К) сл vl ел со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСа БЛИН (51) 4 С 01 R 19 22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3828088/24-21 (22) 21.12.84 (46) 15.09.86. Бюл. У 34 (71) Минский радиотехнический институт (72) В.В.Кандыбин, М.П.Федоринчик, Г.В.Барченко и Ф.Н.Никонович (53) 621.317.7(088.8) (56) Патент США У 3585487, кл. 324-120, 1971.

Авторское свидетельство СССР

Н 949528, кл. G 01 R 19/22, 31. l2.80. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ ПО УРОВНЮ СРЕДНЕВЫПРЯИЛЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к области электроизмерений и может быть

„.Я0„„125?ЙДВ А1 использовано в приборах для измерения средневыпрямленного значения переменного тока. Цель изобретения— повышение точности работы устройства.

Преобразователь содержит компаратор 1 и ключи 3 и 5. Введение re eparopa 2 треугольного напряжения, суммирующефильтрующего блока 4 и формирователя

6 меандра позволяет за счет многократного компарирования входного напряжения с треугольным за период входного напряжения уменьшить погрешность, вызванную дрейфом нуля компаратора 1 и его задержкой переключения, что обеспечивает повышение точности преобразования не менее чем в 20 раз. Ж

5 ил.

1257

Изобретение относится к области электроиэмерений и мажет быть использовано в приборах для измерения средневыпрямленного значения переменного напряжения. 5

Цель изобретения — повышение точности путем уменьшения влияния времени задержки компаратора на выхоцное напряжение.

На фиг. 1 приведена функциональная 10 схема преобразователя, на Фиг. 2 и

3 — временные диаграммы напряжений,. поясняющие его работу, на фиг. 4 функциональная схема генератора треугольного напряжения; на фиг. 5 — !5 временные диаграммы напряжений, поясняющие его работу.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит компаратор 1, первый вход которого соединен 20 с входной шиной, а второй — с основным выходом генератора 2 треугольно— го напряжения, первый ключ 3, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора 1, выход — с первым входом суммирующе-фнльтрующего блока 4, выход которого соединен с выходной шиной. Синхронизирующий выход. генератора 2 треугольного напряжения соединен с управляющим входом второ- ЗО го ключа 5, выход которого подключен к второму входу суммирующе-фильтрующего элемента 4, и с входом формирователя 6 меандра, выход которого подключен к входам первого 3 и второго

5 ключей.

Генератор 2 треугольного напряжения содержит, например, генератор 7 тактовых импульсов, триггеры 8, 9 и 10, интегратор 11 н формирователь 40

12 (фиг. 4).

Преобразователь переменного напряжения в постоянное. работает следующим образом.

Генератор 2 треугольного напряжения формирует треугольное двухполярное напряжение на основном выходе и прямоугольные импульсы на синхронизирующем выходе.

Генератор 7 импульсов генератора

2 треугольного напряжения формирует последовательность тактовых импульсов (фиг. 5а) с частотой 4/Т,„, где

Т . — период треугольного напряжения.

На выходах триггера 8, работающего в режиме делителя частоты на дна, образуется прямая и инвертированная последовательности прямоугольных

Среднее напряжение, поступающее на первый вход суммнрующе-фильтрую" щего блока 4 в режиме, когда период треугольного напряжения Т значительт но меньше периода Т входного сигнала синусоидальной формы U(t)=U з1п у t, для положительной полуволны (фиг.2а) равно

UñÐ Тх U!(дЕ; +

1=0 д )-!

ТтУ 1

Т где N = —.—;

2Т амплитуда выходного напряжения формирователя 6 меандра.

539

2 импульсов (фиг. 5б,в) . После повтор" ного деления в триггере 9 (фиг.5г) напряжение поступает на вход формирователя 12, который формирует двухполярное напряжение типа меандр (фиг. 5r). На выходе интегратора 11 формируется треугольное напряжение (фиг. 5д), поступающее на основной выход генератора 2 треугольного напряжения, Инвертированный сигнал с второго выхода триггера 8 поступает на триггер 10, на выходе которого образуется прямоугольное напряжение, синфазное и синхронное с треугольным (фиг. 5e), поступающее на синхронизирующий выход генератора 2 треугольного напряжения, Треугольное напряжение Uz(t) (фиг. 2а) с основного выхода генератора 2 треугольного напряжения сравнивается компаратором 1 с входным напряжением U(t). Выходной сигнал компаратора 1 управляет ключом 3 таким образом, что прямоугольное напряжение U (t) выхода формирое вателя б меандра поступает на первый вход суммирующе — фильтрующего блока 4 при условии U(t) > U (t) (заштрихованные импульсы на фиг. 2a). На второй вход суммирующе-фильтрующего блока 4 через ключ 5 проходят импульсы прямоугольного напряжения U >(t) при условии UÄ (t) > 0 (фиг. 2б} .

Напряжения, поступающие на входы суммирующе-фильтрующего блока 4, усредняются, а затем суммируются, B результате чего на выходе преобразователя выделяется постоянное напряжение, пропорциональное средневыпрямленному значению входного сигнала, что можно показать математически.

1257539

При 4 = 0

U sin4J(iT + + — )

4 (t 1Тт " )Uitt <т» т

Т<

+ U sin(8ie . + <А),

4Т

2н„

Ь =

25

Тогда

40 в«0

Т

45

U, Zt 1 — 32Ят

ЛТ (1 2

96N

U<

Т U sin(8ig +n ) ! Л!

iT +с + ! Т

4 "ААС4А.с Х<Т! ц !2 .4

50 512<< л Тт л где < !!

4 с< — 4, л "в Ла

Н t!

+ ---- +

32N2 96N

U! a

---+ — - (1

4 2

512Й

При этом

T„f sin

Б «4 (!

+ ---- — )

307 2N (8 i а + 4 сс — 4 ) 1 -уР, Для определения д t, аппроксимируем кривую U(t) на каждом 1-м периоде треугольного напряжения отрезками прямых, проходящих через точки А; и В с координатами: !

А, (г Т, +", II вгпгг(гтг + В )) ;

° л Тт

В (iT» !

Для i-го периода можно записать

Т где p = sin(! (1Т + -- + r—

<» т 4

sinu(iTr +(, ) = 2cos.(8ig +сс + 4 )х х sino(;

Треугольное напряжение Hà i- ì отрезке можно записать

4(=1ТТ- - < )<<м(;<<(с

U {с) >

r Т т где Ц „ „ — амплитуда треугольного напряжения.

Из условия U(t) = U;(t) определяем

Tl Пшэ1п(81СС + 4 )

1Т + +

Tò,3 з1п(81сс +n )

4t

4 1 --| (»

U где

Uit4(Nt(C

Если за начальную точку отсчета принять точку В и отсчет времени вести влево, то

P»- =2 cos(8i (t(, + 5

1 с- < U Т.IJ Гэ1п(ОЬ +д )

+

5 СР Т; (в 4 (! — (PAL

sin(8i(t(+ 4а -4 )) U, Тт

1-УР, 2

U< Utl - sin4ia — + - -, — — --) (2) сР4 4 8N 1 У где P = 2cos (4 i g + с(с ) s in <с .

Воспользовавшись соотношением

1 + х + х +... + х (3)

1 и

1 — х

20 и ограничив ряд двумя членами, можно записать

z«-<

U = — -- — + -- "- sin4ig 1 + ср, 4 81Ч

2 < «ов (4г«+ «) si««), После преобразований получим

<<, Ц, А<< — + — -- g sin4ia + + сР» 4 8Й

30 2<< -<

+ sin g sin(8i()< + <

cos 2с4

Е s 1 11 4 i

sin 2

1 — 2м

4,s

2- К вЂ” — k

2И-f, э 1п (81(t(. + g ) = О, После преобразования получим

Используя выражение (3) и ограничив ряд двумя первыми членами после преобразований, получим ? 539 Ь где b=

32N

u - - Jlu(»>far., о средневыпрямленное значение синусоидального сигнала.

Таким образом, на в.аходе преобразователя получается напряжение, про10 порциональное средневыирямпенному, значению входного сигнала с определенной погрешностью. Погрешность о

Т с ростом отношения; — резко убывает, Ir

15 как при Т = 1ОТ, F = 1,27. т

Рассмотрим режим, когда Т 4с Tr (фиг. 3). Усредняется часть прямо. угольного напряжения U,(г), когда выполняется условие U(t) Ur(t).

Рассмотрим период времени, когда треугольное напряжение возрастает и положительно

0,1 0/и

» + У сР 4 2 и 128N

U (t)

4{1ма»» т Т

25 Замени возрастающее треугольн е напряжение отрезками прямых, параллельных оси времени в моменты

4 i+1

t" = — -Т

1 4 >

1 где p» = 2cos(8jс + 5К + Ь )sino». 30 тогда

4К,»аТ 4i+1 и, (e)

Т

Среднее напряжение на первом входе суммирующе-фильтрующего блока, 35 когда U(ti > -б и возрастает, равно

- »

1 Т

U = — .С 2U (- — — g t )

cP+- Т =о 4

Э где N = Т, U /П м„„при Т (» Т„.

Исходя из равенства U(t) = U, (e), определяем (4) Подставив значения Ае, и ht л при условии, что ь = 0

™ sin4ip

U ! оР- 4 8к,м 1 -yt, Значение 11 р определяется таким же выражением, как и для положительной полярности (2) синусоиды, тогда сред- 5 нее напряжение, поступающее на первый вход суммирующе-фильтрующего блока 4, равно

27 4и-» т 4+1 м»»»

Т Т, 4 или

Т ., 4 i+1

= — — arcsin-- — °

2 4И

Тогда

$ 12

Стбросив члены второго порядка малости получим

Рассмотрим отрицательную полуволну синусоиды.

Если за начальную точку отсчета принять точку С и отсчет времени вести влево, t.„ îïðåäåëÿåòcÿ аналогично, как и для потенциальной полуволны, только знак напряжений V(e) и U, (e) заменяется на противоположный и

= — а.

Тогда л Т, Дsin(8i< — )

1) 3ТY "+ 4 1 — /3 где P = 2cos(8iK +cl — Ь ) since, Для определения t за начало отсчета выбирается точка 3, отсчет времени вправо и

Тг л, ° Т» л

—,— + 4 с jT + +c+

$ sin(8ic» + 4K + 6 )

1, — (Среднее напряжение за период отрицательной полуволны синусоиды

U Ti

U =- —,Š{-" — - ht U

СГ- Т О 2,)=

gt U ),, 1

U, Ui7

=U +U =---+ ар+ ср

Яу»

64Яг

Среднее на выходе второго ключа 3

U»

U 7"". 2

Напряжение на выходе устройства

Т . 4U < „Т >i+1

Kt = -„ arcsin-- - @ - — — — =

Тт ". 4

2У Т - 1 1 . 4 +1 (- — - arcsin- — -)

Тт о 4 27 4И ц Т 2 . 4 +1 — (1 — arcgin — — ) „

2Т г1-0 " 4И

U = U + U - — — -(1+1)

U»U ьнк ср» срг 2Uì к

Аналогично, когда U (.) ) О, но убывает

7 1257539

U Т 4 2 . 4!+3 0;»U 2U —,С (1 — warcsin--—

2Tr =s " 4М 211макс

Когда U,(t) с 0 и

1ГЦ, т, U с . Т! 4 возрастает и- т, ;> 2U„(—

1=0

4t;).

U,T н-

-- — ° c (1

1*О

< Ц, U + ср 4

2 . 4i+1 — -arcsin †--) л 4 гдеU (t) Ои убывает

01П»

Sb»

2Н- ма кс х, ах arcsinx, .

i»0

При N - оо

U. UI»

2Р NU

Иых

П м-

1 -- ( =0

40 — К(С

"1Ъ

lim x Пмакс Ах-е О

UI UI

ebiiI

2 макс

fN-t х, а х; arcsinx

1-0

2i+1 где х и

1 дх

Так как

2н-1

11ш i „д х; arc ах-1 О i-0

= arcsinx хс!х = о то

sinx;

Н

UIU»I 11

U = - — (ИМХ 11 Ц макс

1) + — -- =

UeU

20макс

После преобразований получим 1 UI UI Т

U = — -- + — — х

P 4 2Т и- т

2 . 4i+3 х Q (1 — arcsin — — ) 1

4Я

Усредненное напряжение. которое поступает на первый вход суммирующефильтрующего блока

Пср = Пср„+ Пср+ + Пср

U UIÒ Nс 2 . 2i+1

+ -- - Q (1 — „-arc s in — — ) .

2 .т; 4N

После преобразований получаем, учитывая, что

U I U1U1» 2U I T

"с

+ х сР 2 2цмакс T т

2и1 2i+1 х, arcsin — -- х

4N напряжение на выходе устройства

Таким образом в режиме, когда

Т, » Т, обеспечивается точное пре5 ооразование входного синусоидальиого сигнала в постоянное напряжение по уровню средневыпрямленного значения.

Исходя из выражений (1) и (4) 10 напряжение на первом входе суммирующе-фильтрующего блока 4 с учетом времени задержки компаратора 1 — U +U =- — +

01 ср ср+ ср 2 !

+ g(ht, +t +4t; — t )+

К -1

+, (4t — t, + Ь + t1) =o

1 где е,! — время задержки компаратора, 20 когда происходит размывание ключа, I — время задержки компаратора, когда происходит замыкание ключа

Т

Т.

Т—

К = тт где Т, — период времени, когда вход" ной сигнал положителен;

Т вЂ” период входного переменного

30 напряжения V(t) .

В общем случае N !А K

После преобразований получим напряжение на выходе устройства.

U1 М-!

Т E (4t, + 4t ) +

>=о

ht +Д t ) + -- N(t — t )UI Г

I т 1

Учитывая, что первое слагаемое представляет собой средневыпрямленное

45 значение положительной полуволны пере1менного напряжени:1 с коэффициентом

П /2П„„,, а второе — отрицательной полуволны

Ц1Ю U+(2T1 — Т) (t> — t<)

2цмакс TT

Таким образом, при равенстве

I — погрешность от времени задержки компаратора равна нулю при любой форме сигнала. При неравенстве t1 и t погрешность зависит от формы сигнала.

Т

При Т1 = — погрешность также равна нулю.

9 12

Сделанные выводы справедливы и для режима, когда Т 4s Т, что позволяет значительно расширить частотный диапазон входных сигналов преобразователя в области высоких частот.

Таким образом, отличия преобразователя позволяют за счет многократного компарирования входного напряжения с треугольным за период входного напряжения уменьшить погрешность, вызванную дрейфом нуля компаратора и его задержкой переключения, что обеспечивает повьппение точности преобразования не менее чем в 20 раз.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Преобразователь переменного напряжения в постоянное по уровню средневыпрямленного значения, содержащий компаратор, выход которого сое57539 о динен с управляющим входом первого ключа, а первый вход — с входной шиной, и второй ключ, о т л и ч аю m и и с я тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены формирователь меандра, суммирующе-фильтрующий блок и генератор треугольного напряжения, при этсм основной выход генератора треtg угольного напряжения соединен с вторым входом компаратора, синхронизирующий выход генератора треугольного напряжения соединен с входом формирователя меандра и управляющим входом второго ключа, информационные входы первого и вторго ключей соединены с выходом формирователя меандра, а выходы ключей — с входами суммирующе-фильтрующего блока, выход кото20 рого подключен к выходной шине.

1257539

Составитель А.Пучковский

Техред.Л.Олейник .. Корректор И.Муска

Редактор М.Петрова

Закаэ 4912/42

Тирах 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Проиэводственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4