Использование ЦИП для измерения переменных напряжений

Часто приходится иметь дело с измерением переменных напряжений и токов. Многофункциональные ЦИП – мультиметры выполняют, как правило, на основе ЦВ, дополненных преобразователями входной величины в постоянное напряжение. Эти преобразователи используют в виде сменных блоков. Так как получить при построении мультиметров погрешность меньше, чем при измерении постоянного напряжения, невозможно, то основной проблемой в этом случае является обеспечение высокой точности преобразователей входных величин.

Преобразователи среднего по модулю переменного напряжения (назовем сокращенно ПС) строятся на базе операционных усилителей из-за простоты схемотехнической реализации, возможности использования интегральных микросхем, высоких метрологических характеристик. Для реализации соотношения

(9.29)

рассмотрим схему, часто используемую на практике (рис. 9.17,а). Это однополупериодное выпрямительное устройство с разделенными цепями ООС для положительной и отрицательной полуволн входного напряжения. Постоянная составляющая выходного напряжения U_выхx,пропорциональная U_ср,выделяется с помощью фильтра Ф.

Благодаря поочередной работе двух симметричных ветвей с диодами VD₁ и VD₂ и резисторами R₂ и R₃, в каждой из этих ветвей происходит однополупериодное выпрямление, но ток через резистор R₁ является синусоидальным. Важно, что VD₂ оказывается включенным в прямой тракт, а не в цепи ООС, поэтому нелинейность и нестабильность его характеристик почти не влияют на функцию преобразования.

Главным фактором, определяющим погрешность ПС, оказывается нелинейность и нестабильность обратных сопротивлений диодов R_обр. Действительно, с учетом приведенных диаграмм (рис. 9.17,б) имеем

(9.30)

Если выбрать отношение то U_вх без учета погрешностей будет равно действующему значению U_x.

Рис. 9.17. Схема преобразователя среднего по модулю переменного напряжения (а)

и его временные диаграммы (б)

Преобразователи действующего значения напряжения(ПДЗ) должны выполнять достаточно сложный алгоритм преобразования:

(9.31)

т.е. возведение в квадрат, усреднение по времени, извлечение корня.

До последних лет схемотехническая реализация таких алгоритмов вызывала трудности и поиски велись по проектированию элементов с квадратичной характеристикой (чаще – термопары).

В последнее время благодаря бурному развитию микроэлектроники были созданы ПДЗ, непосредственно реализующие алгоритм получения действующего значения.

Рис. 9.18. Схема преобразователя действующего значения напряжения