но-линейной аппроксимацией и управлением по фокальному параметру, с усреднением треугольного напряжения и управлением пс фокальному параметру, квадраторы-делители, реализующие алгоритм

апШп ;(2Inf/x-1пУ). (1.20)

В этом случае в ПСЗН можно выделить две части: последовательно соединенные МДУ и ФНЧ. Выходное напряжение ПСЗН яоступает на делительный вход МДУ.

В [50] рассматривается ПСЗН с усреднением треугольного напряжения и обратной связью по фокальному параметру. Схема позволяет измерять СЗ переменных напряжений с частотами 50 Гц 400 Гц, 500 Гц (коэффициент амплитуды до 2) с погрешностьк 1%- Схема отличается тем, что питается от источника измеряемого сигнала, поэтому допускает десятикратное изменение напряжени? питания.

В [51] описан ПСЗН с кусочно-линейной аппроксимацией i обратной связью по фокальному параметру. Такая ОС как бы подстраивает квадратор под измеряемое напряжение: при изменение СЗ входного сигнала пропорционально изменяются все сегменты аппроксимирующие параболу. Если в схеме без ОС при уменьшении входного сигнала он обрабатывается меньшим числом аппроксимирующих сегментов, то при наличии ОС по фокальному параметру входной сигнал с постоянной формой занимает одно Е то же положение относительно аппроксимирующих сегментов независимо от своего значения. Это приводит к тому, что погреш ность от формы кривой не зависит от уровня входного сигнала Поэтому параметры аппроксимирующих сегментов можно рассчи тать таким образом, чтобы при измерении сигналов часто встречаю щейся формы погрешность измерения была минимальной. Введе ние обратной связи по фокальному параметру, т. е. создание квадраторов-делителей вместо квадраторов практически не усложняе: схему квадратора, но позволяет при трехсегментной аппроксима ции проводить измерения сигналов с наиболее часто встречающи мися формами (синусоидальной, треугольной, прямоугольной и др.] с погрешностью, составляющей десятые доли процента, в диапазо Не частот до 100 кГц.

В ПСЗН [52] с кусочно-линейной аппроксимацией параболь (3 аппроксимирующих сегмента) и обратной связью по фокально му параметру к входному сигналу добавляется треугольное напря жение, амплитуда которого пропорциональна СЗ измеряемого на пряжения. Это приводит как бы к «сглаживанию» изломов, обра зованных аппроксимирующими сегментами, в результате погреш ность ПСЗН от изменения формы измеряемого напряжения не пре восходит 0,2% при любой форме сигнала в диапазоне коэффици ентов амплитуды от 1 до 3. Преобразователь построен на усилите лях с малым потреблением мощности и имеет частотный диапазо! входных сигналов до 20 кГц. Потребление мощности от источникг питания 35 мВт. 42

в последнее время очень широкое распространение получают ПСЗН, основанные на методе неявного вычисления, МДУ которых реализует выполнение формулы (1.20). Например, с помощью преобразователя, описанного в [18], измеряют напряжение в диапазоне частот 2 Гц - 200 кГц с погрешностью 1%. При измерении сильно искаженных сигналов с коэффициентом амплитуды до 5 дополнительная погрешность преобразователя не превышает 4%. Интегральное исполнение таких ПСЗН позволяет скомпенсировать неидеальности отдельных элементов схемы и уменьшить погрешность преобразования до 0,2%-0,1% [7]. Преобразователи позволяют также измерять очень искаженные сигналы - с коэффициентами амплитуды до 7 и даже до 14. Такие ПСЗН имеют верхнюю границу частотного диапазона на уровне 200 кГц, хотя известны вольтметры, измеряющие напряжение с частотой до 1 МГц (с погрешностью до 10%).

Микропроцессорные вольтметры, использующие такие ПСЗН, позволяют получить еще более высокую точность измерения - их погрешности составляют 0,02% - 0,05% (см. гл. 4).

Особенностью ПСЗН, построенных на основе логарифмических квадраторов-делителей, с усреднением треугольного напряжения и кусочно-линейной аппроксимацией является то, что их частотный диапазон зависит от уровня измеряемого напряжения. Верхняя граница частотного диапазона уменьшается обратно пропорционально уровню измеряемого напряжения, так как уменьшается частотный диапазон логарифматоров и выпрямителей на ОУ, на основе которых строят кусочно-линейную аппроксимацию и схему с усреднением треугольного напряжения.

Преобразователи, реализующие алгоритм вычисления и1Уф -(? и Ylux=c. Преобразователи, алгоритм работы которых описывается формулой (1.6), могут быть построены по одиннадцати структурным схемам.

До настоящего времени широко использовалась лишь схема 9 (табл. 1.1). В соответствии с этой схемой строились преобразователи, предназначенные для измерения СЗН с повышенной точностью. Это объясняется особенностями схемы 9. Во-первых, в ней можно применять электротепловые квадраторы, являющиеся одними из самых точных, широкополосных и позволяющих измерять сильно искаженные сигналы. Во-вторых, на квадратор поступает переменное напряжение, среднеквадратическое значение которого постоянно, т. е. не зависит от уровня измеряемого напряжения, поэтому квадратор работает все время в одной и той же точке своей характеристики, что помогает выбрать ее оптимальной с точки зрения чувствительности квадратора и его погрешности. Температура нагревателя электротеплового квадратора поддерживается все время одной и той же, следовательно большая -постоянная времени электротеплового квадратора, связанная с тепловой инерцией нагревателя, практически не влияет на динамические свойства ПСЗН. Поэтому при равноценных электротепловых квадраторах преобра-

зователи, построенные по схеме 9, имеют более высокое быстродействие, чем преобразователи, построенные по схемам 1, 2, 6, 16-18 (табл. 1.1).

Примером ПСЗН, построенного по схеме 9, является преобразователь, описанный в [53]. В нем делителем служит решающий усилитель, один из резисторов которого (а значит и коэффициент передачи усилителя) управляется кодом. Следовательно, сигналом, фигурирующим в качестве знаменателя этого делителя, является код. Функции квадратора и ФНЧ выполняет термопреобразо-ватель. Разность между выходным напряжением термопреобразователя и уставкой усиливается и поступает на устройство, являю-щ,ееся по существу АЦП следящего уравновешивания, которое и вырабатывает код. Прибор имеет погрешность на уровне 0,07% и частотныу диапазон 20 Гц - 700 кГц.

Известен целый ряд приборов, относящихся к этому алгоритму вычисления СЗН, в которых применяют различные структурные методы для повышения точности измерения. Некоторые из этих приборов рассмотрены в гл. 2.

Из табл. 1.2 видно, что в схемах 8-12 на низкой частоте отсутствует, погрешность вида ll(coUx), следовательно, в этом случае ПСЗН имеют широкий динамический диапазон входных сигналов. В схемах 16-17 отсутствует частотно-зависимая нелинейность, поэтому частотный диапазон этих схем не зависит от уровня входного сигнала (в отличие от остальных схем этой группы).

Преобразователи, алгоритм работы которых описывается формулой (1.7), могут быть построены по структурным схемам 18 и 19. Обеим схемам присущи погрешности: аддитивная, мультипликативная и частотно-независимая нелинейность. Отсутствие частотно-независимой нелинейности делает эти схемы пригодными для проведения измерений в широком диапазоне частот. Преимущество схемы 19 перед схемой 18 заключается в более благоприятном режиме работы делителя, обусловленном меньшим диапазоном изменения знаменателя.

ГЛАВА 2

СТРУКТУРНО-АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

2.1. Общие положения

Измерение СЗН- можно разбить на два этапа. Сначала с помощью измерительного преобразователя (ИП) напряжение преобразуют в промежуточную электрическую величину Y например в постоянное напряжение, в частоту или в интервал времени <рис. 2.1). Затем величину Y преобразуют в цифру или в переме-44