Квадраторы, использующие естественную квадрат и ч-ность элементов. В ПСЗН применяют квадраторы, использующие квад-атичность характеристик электронных ламп, полупроводниковых диодов [1], • варисторов [17] и полевых транзисторов [35]. Достоинство таких квадрато-ов щирокий частотный диапазон (десятки мегагерц), недостаток - наличие погрешностей, достигающих 10 %, обусловленных нестабильностью характеристик и влиянием температуры. У квадраторов иа полевых транзисторах для уменьшения влияния перечисленных недостатков вместо одного транзистора в соответствующей схеме ПСЗН включают согласованную пару транзисторов.

Квадратичные преобразователи напряжения в час т о-ту. Изменение частоты выходного напряжения такого преобразователя пропорционально квадрату входного напряжения [36, 37]. С помощью такого квадратора удобно находить интеграл от квадрата напряжения за определенный интервал времени - достаточно просуммировать его выходные импульсы с помощью цифрового счетчика и исключить число импульсов, соответствующее начальной частоте. Верхняя граница частотного диапазона входного напряжения определяется тем, что выходная частота квадратора должна быть намного больше частоты входного напряжения. Преобразователь позволяет возводить в квадрат напряжение в частотном диапазоне до десятков килогерц, при этом предел допускаемой основной погрешности составляет 0,3 % •

Стохастические квадраторы. Операция квадрнрования осуществляется путем стохастического квантования первого [85] или второго [39] рода. При стохастическом квантовании первого рода на заданном интервале времени подсчитывается число зондирующих импульсов, амплитуда которых Xi=x[ti) ие превышает мгновенные значения Ui=u{ti) входного сигнала u(t) в моменты дискретизации ti. При Этом интегральный закон распределения вероятностей амплитуд должен иметь квадратичный характер. В другом варианте используют две независимые последовательности импульсов Xii==Xi(ti), Xi2=X2(ti) с равномерными законами распределения вероятностей. При этом на заданном интервале времени подсчитывают количество событии одновременного иепревышения амплитуд Xi, и Xi2 мгновенного значения Ui=u(ti) входного сигнала u(t) в моменты времени ti.

При стохастическом квантовании второго рода используют одну последовательность случайных импульсов Xr=x[ti) с равномерным законом распределения вероятностей амплитуд. В течение заданного интервала времени в сумматоре-накош1теле суммируются случайные процессы, соответствующие тем зондирующим импульсам Xi=x{ti), амплитуда которых ие превышает мгновенные значения Иг=и (fj) .сигнала u(t) в моменты дискретизащш ti. В обоих вариантах результат преобразования представлен кодом. При стохастической дискретизации моменты времени t, распределены по случайному (равномерному) закону, при стробоскопической дискретизации - по детерминированному (линейно нарастающему) закону. Квадраторы имеют предел допускаемой основной погрешности иа уровне 0,3 % в диапазоне частот до 1 МГц.

В табл. 1.3 приведены умножители и квадраторы, используемые для построения ПСЗН и их ориентировочные характеристики.

Делители

Делитель можно получить, включив умножитель в обратную связь ОУ (рис. 1.2). У такого делителя при уменьшении сигнала, играющего роль знаменателя, резко возрастает как статическая, так и частотная погрешность деления. 3-6066 . 33

Таблица 1.3

Тип умножителя и квадратора

Верхняя рабочая частота, кГц

Предел допускаемой основной погрешности, %

Погрешность при измерении сильно искаженных сигналов

Ка основе переменной крутизны Время-импульсные

На основе логарифмических усилите-

На основе управляемого сопротивления

Цифровые цифро-аналоговые

Электромехаииеские Электротепловые

На основе кусочно-линейной аппроксимации

С усредневием треугольного напряжения

На основе естественной квадратич-ности элементов

Квадратичные преобразователи напряжения в частоту

Стохастические

500 3

100 100

1 10.10з 100-103

30.103 30

.0,5 0,1 0,2

0,1 0,1 - 1 0,3 0,2

Средняя Большая Малая

Средняя

То же Малая То же Средняя

Большая

Средняя

Большая

Средняя

Поэтому предпочтение отдают схемам, непосредственно производящим деление, у которых погрешность практически не зависит от значения входного сигнала в динамическом диапазоне до 20 дБ [7]. В этом случае в (1.15) значения ко-эффициеитов Сд2, Сдз, Сд4, Сдв малы. Рассмотрим различные типы делителей, применяемые в схемах ПСЗН.

Делители типа инвертированный умножитель. Для построения такого делителя пригодно большинство умножителей [7, 9]. Точность делителя в основном определяется характеристиками используемого умножителя. Формулы вычисления погрешностей делителя на основе погрешностей умножителя приведены в [7]. Такие делители характеризуются узким диапазоном возможных значений знаменателя. Суммарная погрешность деления при номинальных входных сигналах и диапазон рабочих частот зависят от типа используемого умножителя.

Логарифмические делители. Схема построена по тому же принципу, что и умножители на логарифмических усилителях [7, 10, 18]. Очень просто получить схему умиожителя-делителя с тремя входами. .

В отличие от других делителей логарифмический делитель имеет полосу пропускания, которая пропорциональна значению входного сигнала числителя, и слабо зависит от сигнала знаменателя. Схема имеет погрешность иа уровне десятых долей процента при изменении сигнала знаменателя в диапазоне Дс 40 дБ. Частотный диапазон входного напряжения числителя на уровне погрешности порядка 1 % при номинальном напряжении числителя составляет около 100 кГц. Логарифмический делитель в качестве входного сигнала, играющегс роль числителя, может иметь напряжение с сильно искаженной формой.

Делители с переменной крутизной. Немного изменив схему умножителя с переменной крутизной, получим схему делителя [7, 10, 11] 34

Известны схемы, одновременно производящие умножение и деление, которые основаны на этом принципе [11]. Делитель с переменной крутизной позволяет иметь рабочий диапазон частот сигналов числителя до сотен килогерц и погрещность деления на низших частотах порядка 0,5 %, причем эти величины слабо зависят от сигнала знаменателя при изменении его в динамичесЕсом диапазоне до 40 дБ.

Время-импульсные делители. В [10, 49] описаны схемы, производящие одновременно умножение н деление. В этих схемах генерируются импульсы, длительность которых пропорциональна входному напряжению Ux и обратно пропорциональна напряжению «г, а амплитуда импульсов пропорциональна сигналу Uy. Таким образом, среднее значение последовательности импульсов определяется соотиощеиием UxUy/u. Частота следования импульсов должна быть гораздо выше частоты входных сигналов, поэтому импульсные делители имеют узкий частотный диапазон-до 1 кГц, ио в этом диапазоне погрешность ие превышает 0,1 %.

Делители на основе управляемого сопротивления. Принцип, иа котором построен умножитель с управляемым сопротивлением, может быть использован и для создания делителя. Такие делители широко применяют при построении ПСЗН. Известны делители на полевых транзисторах [19, 28] - фоторезисторных оптронах [40] и множительно-делительиые устройства иа полевых транзисторах [20]. Делители такого типа имеют погрещность 0,5%. Их частотные свойства определяются используемыми ОУ. Частотная погрешность обратив пропорциональна напряжению, фигурирующему в знаменателе дроби. При номинальном значении этого напряжения частотный диапазон составляет ориентировочно 100 кГц.

Квадраторы-делител и на основе кусочно-линейной аппроксимации. При построении ПСЗН иа основе кусочно-линейной аппроксимации параболы широко применяют обратную связь по фокальному параметру [1]. Последняя заключается в том, что точки излома параболы изменяются под действием управляющего напряжения так, что выходное напряжение аппрокснматора пропорционально квадрату входного напряжения и обратно пропорционально управляющему напряжению. Как уже указывалось, полоса пропускания устройств на основе кусочно-линейной аппроксимации зависит от значения входного сигнала. При номинальных входных сигналах рабочий диапазон частот числителя имеет порядок 100 кГц. Погрешность такого устройства составляет десятые доли процента.

1.5. Приборы и преобразователи среднеквадратического значения напряжений. Описание, характеристики, свойства

В данном параграфе рассматриваются некоторые примеры простейших практических схем преобразователей среднеквадратического значения. Простейших в том смысле, что их структурные схемы соответствуют схемам табл. 1.1.

Преобразователи, реализующие алгоритм вычисления У= = суйх. Такие преобразователи построены по схеме 1 (см. табл. 1.1). В них измеряемое напряжение возводят в квадрат, находят текущее среднее значение квадрата напряжения, а затем извлекают квадратный корень.

3* 35