Преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения в постоянное напряжение

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ(71) Заявитель Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого(73) Патентообладатель Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого(57) Преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения в постоянное напряжение, содержащий два сумматора, инвертор, перемножитель и интегратор, при этом первые входы обоих сумматоров соединены со входом преобразователя, второй вход первого сумматора непосредственно и второй вход второго сумматора через инвертор соединены с выходом преобразователя, а каждый из выходов сумматоров подключен к соответствующему входу перемножителя, выход которого, в свою очередь, подключен ко входу интегратора,отличающийся тем, что преобразователь дополнительно снабжен корректирующим блоком с коэффициентом передачи, обратно пропорциональным выходному сигналу преобразователя, причем выход преобразователя соединен с выходом корректирующего блока, а вход последнего - с выходом интегратора. 4494 1 Изобретение относится к области измерительной и преобразовательной техники и может быть использовано для построения устройств, осуществляющих аналоговое вычисление среднеквадратического значения переменного напряжения, которое может содержать постоянную составляющую. Известен преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения (далее по тексту - преобразователь среднеквадратического значения напряжения (ПСКЗН), содержащий множительно-делительное устройство(МДУ) на управляемых проводимостях, в качестве которых используют полевые транзисторы 1. Данный ПСКЗН обладает невысокой точностью по причине нелинейной зависимости сопротивления канала транзистора от управляющего напряжения на затворе, а также дрейфа и неидентичности параметров полевых транзисторов. По этим же причинам необходимы трудоемкие операции настройки МДУ, что делает изготовление преобразователя нетехнологичным. МДУ преобразователей среднеквадратического значения переменного напряжения выполняются также на логарифмических усилителях 2, как, например, в универсальном вольтметре В 7-46 3. Недостаток таких МДУ, как это показано в 2, заключается в пропорциональной зависимости полосы рабочих частот от величины входных сигналов. Кроме того, МДУ на логарифмических усилителях применимы только при однополярных входных сигналах. Для вышеуказанных устройств характерно то, что они построены на основе разомкнутых схем. Поэтому к МДУ этих преобразователей предъявляются высокие требования по точности и стабильности. Эти требования часто не удается выполнить на практике, что приводит к понижению точности преобразователей. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является ПСКЗН 4, содержащий два сумматора, инвертор, перемножитель и интегратор, при этом первые входы обоих сумматоров соединены со входом преобразователя, второй вход первого сумматора непосредственно и второй вход второго сумматора через инвертор соединены с выходом преобразователя, а каждый из выходов сумматоров подключен к соответствующему входу перемножителя,выход которого, в свою очередь, подключен ко входу интегратора. Этот преобразователь построен на основе системы с автоматическим уравновешиванием. Сумма и разность входного напряжения вх и выходного напряжения вых,сформированные первым сумматором, инвертором и вторым сумматором, подаются на два входа перемножителя. Выходной сигнал перемножителя фильтруется интегратором для получения выходного постоянного напряжения вых преобразователя. В уравновешенном состоянии выходной сигнал интегратора является статическим, т.е. интеграл от входного сигнала интегратора (выходного сигнала перемножителя) будет равен нулю 1 1 1((12 (20 , (1) где Т - период установившегося входного напряжения 1 - коэффициент пропорциональности перемножителя, 1/В. Из выражения (1), с учетом того, что напряжение вых является постоянным, следует Таким образом, выходной сигнал преобразователя пропорционален среднеквадратическому значению входного сигнала. Можно показать, что для рассматриваемой системы с астатизмом первого порядка добротность по скорости ,определяемая 5 как произведение коэффициентов передачи звеньев, охваченных цепью обратной связи (ОС), и звеньев цепи ОС, поделенное на постоянную времени интегратора, будет следующей 1 2,(3) где 1, 2 - масштабные коэффициенты первого и второго сумматоров- постоянная времени интегратора, с П- коэффициент передачи перемножителя по отношению к сигналу ОС, которым является выходное напряжение преобразователя. Так как, исходя из выражения (1), напряжение на выходе перемножителя пропорционально квадрату напряжения вых преобразователя, то П может быть определен следующим образом 211. (4)Поэтому выражение (3) принимает вид 1 2 1. Из формулы (5) видна зависимость добротности от выходного напряжения, т.е. от величины среднеквадратического значения входного напряжения. В 5 показано, что время переходного процесса (время регулирования рег) замкнутой системы первого порядка примерно определяется частотой среза ср разомкнутой системы, которая для системы с астатизмом 1-го порядка равна добротности 3 3 На основании выражений (5) и (6) можно сделать вывод, что время переходного процесса в данном ПСКЗН напрямую зависит от среднеквадратического значения входного сигнала. Поэтому при уменьшении величины преобразуемого переменного напряжения происходит уменьшение быстродействия ПСКЗН, что не позволяет работать в ши 2 4494 1 роком динамическом диапазоне входных сигналов и делает преобразователь непригодным для многих практических применений. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в улучшении динамики ПСКЗН, т.е. в достижении независимости времени переходного процесса выходного сигнала преобразователя от величины входного сигнала. Решение поставленной задачи достигается за счет того, что известный ПСКЗН, содержащий два сумматора, инвертор, перемножитель и интегратор, при этом первые входы обоих сумматоров соединены со входом преобразователя, второй вход первого сумматора непосредственно и второй вход второго сумматора через инвертор соединены с выходом преобразователя, а каждый из выходов сумматоров подключен к соответствующему входу перемножителя,выход которого, в свою очередь, подключен ко входу интегратора, согласно изобретению, дополнительно снабжен корректирующим блоком с коэффициентом передачи, обратно пропорциональным выходному сигналу преобразователя, причем выход преобразователя соединен с выходом корректирующего блока, а вход последнего - с выходом интегратора. На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого ПСКЗН на фиг. 2 и фиг. 3 - осциллограммы исследований известного ПСКЗН (прототипа) с помощью прикладной программына фиг. 4 и фиг. 3 - осциллограммы исследований заявляемого ПСКЗН с помощью. Заявляемый ПСКЗН 1 (см. фиг. 1) имеет вход 2 и выход 3, содержит первый сумматор 4 и второй сумматор 5, инвертор 6, перемножитель 7, интегратор 8 и корректирующий блок 9, при этом первые входы обоих сумматоров соединены со входом 2 преобразователя 1, второй вход первого сумматора 4 напрямую и второй вход второго сумматора 5 через инвертор 6 соединены с выходом 3 преобразователя 1, а каждый из выходов сумматоров подключен к соответствующему входу перемножителя 7, выход которого, в свою очередь, подключен ко входу интегратора 8, выход 3 преобразователя 1 соединен с выходом корректирующего блока 9, а вход последнего - с выходом интегратора 8. Корректирующий блок 9 может быть выполнен на базе микросхемы интегрального аналогового перемножителя сигналов (АПС) КР 525 ПС 2 в режиме корнеизвлечения 2. Действительно, если входное вх и выходное вых напряжения этого блока связаны соотношением,(7) 2 где 2 - коэффициент пропорциональности АПС, 1/В, то, с учетом выражения (7), эквивалентный коэффициент передачи корректирующего блока 9 будет обратно пропорционален выходному напряжению Принцип действия заявляемого ПСКЗН не отличается от принципа действия прототипа (см. формулы (1), (2) и пояснения к ним на с. 2-3 настоящего описания) за исключением того, что в заявляемом ПСКЗН дополнительно осуществляется операция корнеизвлечения выходного сигнала интегратора 8 с помощью корректирующего блока 9, при этом выходной сигнал последнего поступает на выход 3. Благодаря тому, что заявляемый ПСКЗН снабжен корректирующим блоком, достигается то, что добротностьастатической системы не будет зависеть от величины выходного напряжения 1 11 2 11 22 что означает, исходя из выражения (6), постоянство времени регулирования системы, т.е. стабильность быстродействия в широком диапазоне изменения среднеквадратических значений входного переменного напряжения. На осциллограмме исследования известного ПСКЗН (см. фиг. 2) видно, что при обратном перепаде скачкообразного воздействия входного напряжения переходной процесс в преобразователе оказывается достаточно затянутым. На фиг. 3 представлена осциллограмма исследований прототипа, когда амплитуда скачкообразного воздействия входного сигнала в 5 раз меньше, чем для предыдущего случая. Видно, что продолжительность переходного процесса выходного сигнала преобразователя значительно увеличилась. В обоих случаях увеличение времени регулирования можно объяснить понижением величины среднеквадратического значения входного напряжения. На осциллограммах исследования заявляемого ПСКЗН (см. фиг. 4 и фиг. 5) видно, что время переходного процесса выходного напряжения является конечным и примерно одинаковым для разных значений амплитуды скачкообразного входного воздействия, которые заданы такими же, как и при исследованиях прототипа. Экспериментальные исследования макетов известного и заявляемого ПСКЗН привели к аналогичным результатам. Таким образом, благодаря введенной, согласно изобретению, коррекции достигнута принципиальная стабильность одного из основных показателей качества процесса управления - времени переходного процесса. Кроме того, преобразователь может быть построен на основе интегральных микросхем ОУ и АПС. Эти достоинства заявляемого ПСКЗН позволяют использовать его схему, в отличие от известного преобразователя, для разработки и промышленного изготовления в виде интегральной микросхемы дешевого и достаточно точного устройства для преобразования среднеквадратического значения переменного напряжения в постоянное напряжение. 4494 1 Источники информации 1. Каширин Ю.В., Попов Преобразователь среднего квадратического значения напряжения на управляемых проводимостях // Измерительная техника. -1986. - 10. - . 33-35. 2. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М. Радио и связь, 1991. - С. 6062. 3. Вольтметр универсальный В 7-46. Техническое описание, 1991. 4.. . .1378251, 1974. 5. Куропаткин П.В. Теория автоматического управления. Учебн. пособие для электротехн. спец. вузов. -М. Высш. шк., 1973. - С. 172. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.