Ваттметр

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых и аналоговых приборах с автоматическим выбором предела измерения мощности тока и напряжения. Цель изобретения - повышение точности за счет автоматической компенсации температурной погрешности. Для этого в устройство, содержащее первый логарифмический усилитель 1 напряжения, логарифмический усилитель 2 тока, сумматор 3, блок 4 потенцирования, вольтметр 5, блок 6 переключения пределов измерения, блок 7 выбора пределов измерения, введены логарифмический усилитель 8 напряжения, блок 9 автоматической регулировки напряжения, фазоинвертор 10, сумматор 11. В описании изображения приведен конкретный пример выполнения блоков 1-11. Блок 9 автоматической регулировки напряжения таким образом изменяет входное напряжение логарифмического усилителя 8 напряжения, что изменения его выходного напряжения, связанные с изменением температуры, полностью компенсируются. Транзисторы 12, 19, 20, 52, 62 должны иметь одинаковые параметры и минимальное тепловое сопротивление для обеспечения их одинаковой рабочей температуры. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

(19) (И) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (51) 5 G 01 R 21/00

ОПИСАНИЕ И3ОБРЕТЕНИ

К А ВТОРСНОМУ СВИД=ТЕЛЬСТВУ (54) ВАТТМЕТР !

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4325593/24-21 (22) 09.11.87 (46) 23.04.90. Бюл. и 15 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) В.А.Прянишников, Н.Н.Губанов, О.Н,Морозова и С.Г.Олешкевич (53) 621.317 (088.8) (56) Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - И.:. Радио и связь, 1982, с. 10.

Авторское свидетельство СССР

И 1287026, кл. G 01 R 21/00, 1985. (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых и аналоговых приборах с автоматическим выбором предела измерения мощиости тока и напряжения. Цель изобретения - повышение точности за счет автоматической компенсации температурной погрешности.

Для этого в устройство, содержащее первый логарифмический усилитель 1 напряжения, логарифмический усилитель 2 тока, сумматор 3, блок 4 потенцирования, вольтметр 5, блок 6

1559300 переключения пределов измерения, блок 7 выбора пределов измерения, введены логарифмический усилитель 8 напряжения, блок 9 автоматической. регулировки напряжения, фазоинвертор

10 сумматор 11. В описании изобретейия приведен конкретный пример выполнения блоков 1 - 11. Блок 9 автоматической регулировки напряжения таким образом изменяет входное напряИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых и аналоговых приборах с автоматическим выбором пределов измерения мощности. 20

Целью изобретения является повышение точности измеряемых мощностей за счет автоматической компенсации температурной погрешности.

На чертеже показана функциональная схема устройства, вариант выполнения.

Ваттметр содержит первый логарифмический усилитель 1 напряжения, логарифмический усилитель 2 тока, первый сумматор 3, блок 4 потенцирования, вольтметр 5, блок 6 выбора предела измерения, блок 7 переключения предела измерения, второй логарифмический усилитель 8 напряжения, блок

9 автоматической регулировки напряжения, фазоинвертор 10, второй сумматор 11. Выходы первого логарифмического усилителя 1 напряжения и лога рифмического усилителя 2 тока соединены с входами первого сумматора 3, выход которого подключен к первому входу второго сумматора 11 и первому входу блока 6 выбора пределов измерения, второй его вход соединен с выходом второго логарифмического усилителя 8 напряжения и входом фазоинвертора 10. Выходы блока 6 выбора пределов измерения соединены с управляющими входами блока 7 переключения пределов измерения, выход кото" рого подключен к второму входу второго сумматора 11. Выход фазоинвертора 10 соединен с первым входом бло55 ка 4 потенцирования, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора 11, а выход - к вольтметру

5 . жение логарифмического усилителя 8 напряжения, что изменения его выходного напряжения, связанные с изменением температуры, полностью компенсируются. Транзисторы 12, 19, 20, 52, 62 должны иметь одинаковые параметры и минимальное тепловое сопротивление для обеспечения их одинаковой рабочей температуры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Логарифмический усилитель 1 напряжения выполнен на ОУ, прямой вход которого соединен с общей шиной, а инвертирующий вход — с базой и коллектором транзистора 12 и через резистор 13 с входом устройства. Эмиттер транзистора 12 соединен с выходом

ОУ и через резистор 14 с инвертирующим входом ОУ 15 первого сумматора

3. Резисторы 14, 16 и 17 включены в отрицательную обратную связь с ОУ t5. Выходы ОУ 18 и транзистора 19 логарифмического усилителя 2 тока соединены с входом первого сумматора

3 через резистор 17. Блок 4 потенцирования выполнен на транзисторе

20, змиттер которого является входом блока 4 потенцирования, а коллектор соединен с инвертирующим входом

ОУ 21, вход и выход которого соединены с двумя выводами резистора 22, выход блока 4 потенцирования соединен с первым выводом вольтметра 5, второй вывод которого соединен с пря-, мым входом ОУ 21 с общей шиной. Блок

7 переключения предела-измерения выполнен на транзисторных ключах 23

26 входы которых подключены к резисторному деЛителю опорного напряжения

U, который выполнен на резисторах

27 - 31, причем первый вывод резистора 27 соединен с общей шиной, а второй вывод резистора 31 - с первым выводом опорного напряжения U, вто- ° рой вывод которого соединен с общей шиной. Точки соединения резисторов

27 и 28, 28 и 29, 29 и 30, 30 и 31 соединены с соответствующими входами ключей, выходы которых объединены и подключены к входу второго сумматора 11 через резистор 32. Второй сумматор 11 выполнен на резисторах

32 - 34 и ОУ 35. Резистор 32 соединен с выходом резистора 34, Управ5 155 ляющие входы ключей 23 - 26 соединены с входами блока 6 выбора предела измерения, выполненного на компараторах 36 — 38 напряжения, прямые входы которых объединены и подключены к выходу первого сумматора 3, выполненного на ОУ 15. Выходы компараторов 36 - 38 напряжения соединены с преобразователем кода, выполненным на логических элементах ТО7(ДЕСТВЕНН0Е ИЛИ 39 - 4?. Инвертирующие входы компараторов 36 - 38 соединены с резистивным делителем напряжения, выполненным на резисторах 43 - 46, причем первый вывод резистора 43 соединен с общей шиной, а второй вывод резистора 46 - с выходом логарифмического усилителя 8 напряжения. Точки соединения резисторов 43 и 44, 44 и 45, 45 и 46 соединены с инвертирующими входами компараторов 3638. фазоинвертор 10 выполнен на

ОУ 47 и резисторах 48 и 49. Второй логарифмический усилитель 8 напряжения выполнен на резисторе 50, транзисторе 51 и ОУ 52, своим выходом соединен с резистором 46 блока 6 выбора предела измерения °

Выход блока 9 автоматической регулировки напряжения соединен с входом второго логарифмического усилителя 8 напряжения через резистор 50.

Операционный усилитель 53 с резисторами 54 и 55 представляет собой инвертирующий усилитель, который через резистор 56 соединен с базой и коллектором датчика температуры на транзисторе 56, а ОУ 57 с резисторами

58 — 61 — третий сумматор, второй вход которого (резисторы 60 и 61) соединен с источником опорного напряжения U „ . Первый вход третьего сумматора через резистор 59 соединен с выходом инвертирующего усилителя на

ОУ 53. Второй вход третьего сумматора с параллельно включенными резисторами 60 и 61 соединен с источником опорного напряжения и датчиком теслпературы, выполненным на .резисторе

62 и транзисторе 56. Транзистор 56 ерез теплопередающий элемент (подложку) связан с транзистором 51, который является регулирующим элементом, и транзисторами 12, 19 и 20.

Ваттметр работает следующим обра зом.

Пусть требуется измерить мощность ь

Pê Охах °

9300

Измеряемый ток 1„ поступает на токовый вход ваттметра. Затем этот ток логарифмическим усилителем 2 тока, состоящим из ОУ 18 и транзистора 19 в цепи отрицательной обратной связи, преобразуется в напряжение. Лналогично измеряемое напряжение U „ поступает на вход ваттметра. Затем напряжение поступает в логарифмический усилитель 1 напряжения, выполненный на ОУ, с транзистором 12 в цепи отрицательной обратной связи и резисторе 13.

Выходные напряжения логарифмического усилителя 2 така и логарифмического усилителя 1 напряжения имеют значения

1х

20 U=-m q 1п т1 I9 (2) 25 где с,, т температурные потенциалы т транзисторов 12 и 19;

1 зо

I аког

R, Ш,, Н, -1

UxR<

1n- — --+ш q In> авэо

2 т

Б,=тп, У

I х ->-—1 о

В результате получается напряжение, пропорциональное логарифму произведения напряжения U è тока I

Для получения линейной зависимости применяется блок 4 потенцирования °

Выходное напряжение блока 4 потенцирования, зависящее от выходного напряжения первого сумматора 3, подаваемого на эмиттер транзистора 20, определяется следующим образом. Примем, что коэффициент передачи третьего сумматора блока 9 автоматической регулировки на ОУ 57 равен 1, а коэффициент передачи инвертирующего уси- лителя выбран таким, что на его выходе формируется напряжение (при фик— обратные токи эмиттеров транзисторов 12 и 19; сопротивление резистора 13; — коэффициенты, зависящие от режима транзисторов.

Выходное напряжение первого сум35 матора 3, которое подается на эммитер потенциирующего транзистора 20, равно

1559300

Uon

К=---, 07 е„=ки7.= -ио„, т.е.

Uon

0 = у 1п —— эов в (4) где ? ров те mВ

Э

Выходное цирования

U>= -(2!-3о!т-11 Э

o3+ 33 U (5) 20

I 2 1 Оп

3 3 !

30 !

334 !В

-) Е т4 4

U !3n

К= 3-Зт сированной температуре транзисторов

51 и 56) где К - коэффициент усиления усилителя 53;

U — напряжение на транзисторе 56.

Выходное напряжение третьего сумматора блока 9 автоматической регулировки.на ОУ 57 так как сумматор по первому входу имеет коэффициент передачи, равный

1, а по второму - 2.

Выходное напряжение блока 9 автоматической регулировки напряжения имеет вид

Это напряжение подается На !4Неер- 25 тирующий вход ОУ 52, поэтому выходное

Зо3 4 В33 + 2!!

U =-R I т3 В33 + !n2Ч72 В33 — 4 4 эоФЕ М3 эо2!

333 ч т +< ò2 ц 4 тФ, Т п34 4 4

<"- — > ()

4 304 гХэоу Rg

ЭО2 > ЭО2. 0 о3 !

Если ток транзистора 51 задан таким образом, что транзистор нагрелся выше температуры окружающей среды, 35 то транзисторы 12, 19, 20, 56, находящиеся на одной подложке с ним, тоже нагреются до той же температуры.

Выходное напряжение Бв зависит от температуры транзистора 51 и ав- 40 томатически поддерживается блоком

9. Коээфициент передачи усилителя на ОУ 53 имеет значение где U — напряжение источника рпорб!! ного напряжения;

U„ - напряжение на транзисторе

51 ° 50

Блок 9 автоматической регулировки напряжения представляет собой статический регулятор для поддержания нап-, ряжения U с заданной погрешностью, например, 0,53.

Допустим, что при некотором номинальном значении температуры Т напряжение U!!U„ -0,7 В, которое задает!ся напряжение второго логарифмического усилителя 8 напряжения равно параметры транзистора 51; сопротивление резистора

50. напряжение блока 4 потент4 4 эо4Е

1 где R„22; ЭО4

Ц у

74 в4 — параметры транзистора 20;

n — коэффициент деления делителя на резисторах 27 - 31.

Подставляя в (5) выражения (3) и (Ö „„-лучаем а.„

I. .li е а

° е напряжением -U,, подаваемым с блокв

9 автоматической регулировки напряже ния, В этом случае напряжение на его выходе можно представить в виде

U = -20 +KU = -U -Ю

on r о!!!

"де ЬЦ=0о3!

Величина ьИ не должна превышать

0,53 от 0,7 В, т.е. 3,5 мВ. Приращение напряжения а!! будет положительным, если транзисторы 12, 19 и 20 имеют температуру ниже требуемой, и отрицательной в противном случае.

Задавшись током через резисторы

50 и 62, которые обеспечивают требуемый тепловой режим. транзисторов

51 !4 563 по напряжению Ит=Б,„ для фиксированной температуры определяют

Кл коэффициент передачи К= - "-- усилиR 62 теля на ОУ 53. Резисторы 60 и 61 выбираются так, чтобы на выходе ОУ 57 при л0=0 поддерживалось напряжение -U0„, обеспечивающее выбор температурного режи1559300 ма транзисторов устройства для за-. данной температуры Т транзистора.

Если напряжение поддерживается постоянным, то параметры транзисторов постоянны, а m- "1, тогда напря1" жение на выходе блока 4 потенцирования принимает вид 4 Rо nU1

U =у — — — дахр —. -- 11„?„, (6)

В 1Uon т4 (7) А 6= (р ln 10=56 мВ. где = =1, так как блок 9

1 .«04 1эоВ

1эо2 эо поддерживает напряжение U =const, что позволяет выполнить компенсацию влияния обратных токов и теплового потенциала с, Это позволяет повысить точность работы устройства.

Рабочий режим по температуре Т следует выбирать таким образом, чтобы выходные токи логарифмических усилителей 1 и 2 (Т „=10 4 — 10 Д) не вызывали разогрева транзисторов 12 и 19 выше Т. Увеличение температуры транзисторов на 20 приводит к увеличению коллекторных токов на порядок, а это снижает диапазон измеряемой мощности.

Стабилизация температурного режи-. ма приводит к расширению динамического диапазона устройства.

Из этого следует, что для изменения масштаба между измеряемой мощностью Р„ и напряжением U<, измеряемым вольтметром 5 (что эквивалентно выбору предела измерения). можно изменять коэффициент деления делителя в блоке 7 переключения предела измерения.

Предел измерения (масштаб между измеряемой величиной Р„ и напряжением U4) выбирается автоматически блоком 6 выбора предела измерения, который состоит из компараторов 3638, сравнивающих напряжение U, поступающее с выхода первого сумматора

3, с напряжениями, снимаемыми с делителя, выполненного на резисторах

43 - 46.

Делитель напряжения подключен к выходу ОУ 52. инвертирующий вход которого соединен с эмиттером транзистора 51 и резистором 50.

Увеличение мощности на декаду вызывает изменение напряжения на выходе первого сумматора 3 на

Пороговое напряжение, формируе" мое делителем на резисторах 43

46, должно отличаться на эту же величину.

На выходе к-ro компаратора напряжения появляется напряжение логической единицы если !13) U„,ì. или U3-U„,„„ =Е, где F. - -порог чувствительности компаратора.

При E-» 0 из выражений (4) и (3) имеем

1xUxR 1п (— — — — — ) — K4 lп эо 1эа2!

Uon

«(— — --) =0, В"«1 go 7 (8) где К - коэффициент деления делителя напряжения на резисторах

43 - 46.

После упрощения легко показать, что

25 I Ux 1 Uoo л = 1

1 go< эо2 В ЭоЕ (9) Выражение показывает, что выбор предела измерения легко осуществить изменением коэффициента деления К делителя, что равносильно срабатыванию К-го компаратора. К выходам компараторов напряжения подключены четыре логических элемента 39 - 42 ТОЖ35

ДЕСТВЕННОЕ ИЛИ, на выходе которых появляется логическая единица в зависимости от выбранного диапазона. При этом на других выходах появляется напряжение логического нуля. Эти на40 пряжения поступают на входы ключей

23 — 26, находящихся в блоке 7 переключения напряжения пределов.

Ключ, на вход которого поступает напряжение логической единицы, нахо45 дится в открытом состоянии, и напряжение с делителя, собранного на резисторах 27 - 3 1, поступает на второй сумматор 11, вызывая изменения масштаба измерения.

Если измеряемая мощность соответствует первому пределу измерения, то выходное напряжение второго сумматора 11 не превышает пороговых напряжений на инвертирующих входах компвраторов 36 - 38. На выходах компараторов 36 - 38 формируется напряжение логического нуля, а на выходе логического элемента 39 появляется сигнал логической единицы. На выхоl2 изобретения

Формула

2. Ваттметр по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что блок автоматичес 35 кой регулировки напряжения содержит третий сумматор, выход которого яв ляется выходом блока автоматической регулировки напряжения, инвертирую40

0 щий усилитель, соединенный выходом с первым входом третьего сумматора, транзистор, база и колЛектор которого объединены и подключены к входу инвертирующего усилителя и первому выводу резистора, второй вывод которого соединен с выходами источника опорного напряжения и вторым входом третьего сумматора, эмиттер транзистора соединен с общей шиной.

Составитель С.Хромов

Редактор Н.Лазаренко Техредл.Сердюкова Корректор Н. Король

Тираж 545 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, 8-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина,101

11

155 дах элементов 40 - 42 сигналы соответствуют логическому нулю. Эти сигналы поступают в блок 7 переключения предела измерения. При этом ключ

23 находится в открытом состоянии, так как на его вход поступает напряжение логической единицы. С выхода делителя, собранного на резисторах

27 - 31, напряжение через открытый ключ 23 поступает на вход. второго сумматора 11. Это напряжение зависит от выбранного диапазона . Схема потенцирования работает с максимальным коэффициентом передачи, что соответствует наиболее чувствительному пре-. делу измерения.

Увеличение выходного напряжения второго сумматора 11 может быть вызвано как увеличением тока I„, так и увеличением напряжения U„.

Аналогичным образом работает ват» тметр при других значениях измеряемой мощности.

Опорное напряжение зависит от температуры, это позволяет компенсировать температурную погрешность ваттметра. Также необходимо, чтобы транзисторы 12, 19, 20 и 51 имели одинаковые параметры и чтобы между ними, было минимальное тепловое сопротивление для обеспечения их одинаковой рабочей температуры. Изготовление транзисторов в едином технологическом цикле и на одной подложке удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям.

Таким образом, изобретение позволяет снизить погрешность измерения мощности за счет уменьшения влияния изменений температуры окружающей среды, Характерной .особенностью изобретения является то, что оно позволяет создать ваттметр в микросборочном варианте методами гибридной технологии. При изготовлении ваттметра в виде микросборки резко падают массогабаритные показатели и увеличивается надежность.

1. Ваттметр, содержащий логариф5 мический усилитель тока, первый логарифмический усилитель напряжения, выходы которых соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого подключен к первому входу блока выбора предела измерения, соединенному выходами с управляющими входами блока переключения пределов измерения, блок потенцирования, выход которого подключен к вольтметру, о тfl и ч а I0 щ и Й c H тем, целью повышения точности, в него.введены второй логарифмический усилитель напряжения, фазоинвертор, второй сумматор, блок автоматической

20 регулировки напряжения, соединенный выходом с входом второго логарйфмического усилителя напряжения, выход которого соединен с вторым входом блока выбора предела измерения и вхо25 дом фазоинвертора, соединенного выходом с первым входом блока потенцирования, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора, первым входом соединенного с выходом щ первого сумматора, а вторым - с выходом блока переключения предела измерения.