16. Преобразователи средневыпрямленного и среднеквадратического значений.

Преобразователь среднеквадратического значения

Среднеквадратическое (действительное, эффективное) значение напряжения за период:

 . Детектор среднеквадратического значения (СКЗ) - это измерительный преобра­зователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональ­ное квадрату СКЗ переменного напряжения

Как видно, измерение среднеквадратического значения напряжения связано с выполнением 3-х операций:

1) возведение напряжения переменного тока в квадрат; 2) усреднение; 3) извлечение квадратного корня из результата усреднения. . Первые две осущест­вляются детектором. Операция извлечения корня должна осуще­ствляться градуировкой аналогового измерительного прибора, под­ключаемого к выходу детектора СКЗ. Таким образом, детектор СКЗ должен иметь квадратичную функцию преобразования, а сам нелинейный элемент квадратичную вольтамперную характерис­тику.) Следовательно, алгоритм формирования среднеквадратического значения напряжения можно записать:  .

На основании этого алгоритма функциональная схема алгоритма ПДЗ должна состоять из квадратирующего функционального преобразователя, усредняющего устройства, и функционального устройства, реализующего функцию извлечения квадратного корня. Операция извлечения квадратного корня может быть выполнена либо схемным путем, либо учтена при градуировке шкалы вольтметра.

Операция усреднения осуществляется путем включения во входную цепь ФНЧ и магнитоэлектрического ИП, который будет измерять постоянную составляющую тока или напряжения, будет пропорциональна квадрату среднеквадратического напряжения на выходе преобразователя.

Применяемые в ПДЗ квадратирующие преобразователи можно разделить на 2 группы:

1) устройства с преобразователем электрической энергии в тепловую энергию. Примером могут служить терморезистивные, термоэлектрические, термоэмиссионные.

2) преобразователи, выходное напряжение которых представляет собой квадратичную функцию от входного напряжения.

Преобразователь с терморезисторами выполнен в виде гибридной микросхемы, состоящей из 2-х резисторов, 2-х транзисторов и инвертирующего ОУ в цепи ОС.

Рис. 10

Переменное входное напряжение Uвх разогревает резистор R1, а опорное напряжение с выхода ОУ разогревает R2. В контуре управления включены по балансной схеме 2 воспринимающих тепло транзистора VT1 и VT2. Усилитель регулирует температуру R2 до равенства его температуре R1, т.е. до наступления баланса моста. Когда достигнуто равновесие значение напряжения постоянного тока Uвых пропорционально среднеквадратическому напряжению на входе.

Конструктивно гибридная микросхема построена след-м образом: входной резистор R1 и связанный с ним транзистор VT1 выполнены на общем кремниевом кристалле и смонтированы в одном корпусе с аналогичным кристаллом, соединяющем управляющий резистор R2.

Среди квадратирующих преобразователей второй группы широкое распространение получили преобразователи на полевых транзисторах, исполнение которых основано на квадратичной зависимости тока стока от напряжения затвор-исток.

 .

I_С.НАС - ток насыщения стока.

I_СО – ток цепи стока транзистора, включенного по схеме с общим истоком при накоротко замкнутом с истоком затвора.

Если в формуле раскрыть скобки, то получим выражение, в которое входят члены с нулевой, первой и второй степенью напряжения затвор-исток. Первые два можно исключить схемным путем, в результате зависимость тока стока от напряжения затвор-исток будет квадратичной.

Для возведения в квадрат напряжения переменного тока можно использовать начальный участок ВАХ диода. Но часто ПДЗ реализуется с использованием логарифмических и анти логарифмических устройств.

Преобразователи средневыпрямленного значения(ПСЗ)

Показания  микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения U(t)

Если вход закрытый, то  микроамперметра пропорциональны только средневыпрямленному значению переменной составляющей измеряемого напряжения.

Это измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению входного сигнала (среднему значению модуля). Вольтамперная характеристика такого детектора должна иметь линейный участок в пределах диапазона входных напряжений. Примером подобного преобразователя может служить двухполупериодный выпрямитель с фильтром нижних частот. Наиболее распространенными являются мостовые схемы (рис. 4.11). В схеме рис. 4.11,а ток через диагональ моста протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения. В положительный полупериод ток протекает по цепи: верхний входной зажим–диод VD1–диагональ моста – диод VD4– нижний входной зажим; в отрицательный: нижний зажим–диод VD3–диагональ моста – диод VD2–верхний зажим.

 

Рис. 4.11

Направление тока соответствует проводящему направлению указанных диодов. Характеристики реальных диодов не имеют строго линейного участка, как это требуется условиями преобразования. Ток, протекающий через диод при положительном значении входного напряжения i≈u/(R_д(U)+R), где R_д(U)–сопротивление открытого диода, зависящее от приложенного напряжения, R – сопротивление нагрузки.

Начальный участок характеристики близок к квадратичному. Поэтому будет иметь место погрешность, которая будет тем меньше, чем ближе к линейной будет характеристика диода.

Для улучшения линейности ΒΑΧ в диагональ моста последовательно с резистором R включают резистор R_доб, сопротивление которого намного больше сопротивления открытого диода R_д(U). В этом случае

Зависимость прямого тока от напряжения будет близка к линейной. Уменьшение чувствительности, которое будет проявляться при включении R_доб, можно компенсировать введением дополнительного усиления.

Схема рис. 4.11,б отличается от предыдущей тем, что вместо диодов VD3 и VD4 включены резисторы R1 и R2. В положительный полупериод напряжения ток протекает через диод VD1 и резистор R1. Через резистор R2 в этот полупериод ток не протекает, на его зажимах напряжение равно нулю. Поэтому, если в диагональ моста включить магнитоэлектрический вольтметр, он измеряет падение напряжения на R1. Очевидно, в отрицательный полупериод вольтметр измеряет падение напряжения на резисторе R2, поскольку через него и диод VD2 будет протекать ток.

Погрешность преобразования обусловлена, главным образом, нелинейностью ΒΑΧ диода и влиянием прямого сопротивления диода на ток, протекающий через выпрямительный мост.

Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот изме­ряемых напряжений (1; 5; 10МГц). Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения