Материалы по всему курсу схемотехники (необработанное) (1.3.2.3.1 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ)

Посмотреть архив целиком

Преобразователь среднего значения


Измерительный преобразователь среднего значения (ИПСЗ) служит для получения постоянного напряжения, которое пропорционально среднему значению результата выпрямления гармонического входного сигнала.

В
состав ИПСЗ входит измерительный (высокоточный) выпрямитель ИВ (см. рис.1), преобразующий входное переменное напряжение в пульсирующее. Активный фильтр низкой частоты (АФНЧ) необходим для выделения среднего значения из пульсирующего напряжения и сглаживания пульсаций до необходимого уровня.


Рис.1 Измерительный преобразователь среднего значения


Повторитель на DA1 предназначен для уменьшения погрешности преобразования от внутреннего сопротивления источника напряжения Uвх. Если источник сигнала Uвх имеет малое выходное сопротивление, то повторитель на DA1 не устанавливается.

Рассмотрим работу схемы ИВ при синусоидальном входном сигнале .

При u(t)>0 на входе усилителя DA2 появляется дифференциальное напряжение положительной полярности, усиление которого интегральным усилителем постоянного тока DA2 приводит к формированию на его выходе напряжения Uвых.ус. отрицательной полярности. Под влиянием разности потенциалов между u(t) и Uвых.ус. по цепи R1, R2 и VD1 протекает ток, направленный от входа ИВ к выходу усилителя DA2. Усилитель DA2 устанавливает напряжение Uвых.ус. такой величины, при которой на инвертирующем входе будет напряжение U-U+ (напряжение «виртуального нуля»). Тогда напряжение на R1 будет равно падению напряжения на последовательной цепи R2, VD1. При этом диод VD2 закрыт и потенциал на выходе измерительного выпрямителя Uив (катод диода VD2, рис.1) будет определяться в основном напряжением U (т.е. Uив можно принять равным нулю).

При u(t)<0 открыт VD2 и закрыт VD1. Напряжение на выходе ИВ пропорционально току через R3 и имеет знак, противоположный знаку входного сигнала ИВ.

Таким образом, при поступлении на вход измерительного выпрямителя синусоидального сигнала в точке Uив можно будет наблюдать результат однополупериодного выпрямления u(t) (рис.2).


Рис.2 Диаграммы к пояснению работы измерительного выпрямителя


Измерительный выпрямитель, в отличие от пассивного, позволяет почти полностью исключить влияние напряжения отпирания диода Uотп0.7В на качество преобразования: если в пассивном выпрямителе, работающем на активную нагрузку, диод открывается, когда входное напряжение превысит значение Uотп0.7В, то в схеме ИВ напряжение отпирания диодов, приведенное ко входу составляет (Ku интегральных усилителей составляет 103106).

Для качественного выделения среднего значения из результата выпрямления постоянная времени АФНЧ должна обеспечить необходимый коэффициент пульсаций Кп, определяемый отношением амплитуды переменной составляющей выходного напряжения фильтра (Uм.п.вых) к его постоянной составляющей (среднему значению – Uср.вых):

(1)

Амплитуда пульсации на выходе АФНЧ определяется модулем его коэффициента передачи и амплитудой Uм1 старшей гармоники на входе АФНЧ:

, (2)

где Кус=R6/R4 – коэффициент передачи АФНЧ на нулевой частоте.

При разложении в ряд Фурье входного сигнала фильтра (результат однополупериодного выпрямления синусоидального сигнала с амплитудой Uм) амплитуда старшей гармоники Uм1=Uм/2, а среднее значение на входе фильтра Uср.вх=Uм/. С учетом того, что , формулу (2) можно переписать в виде

(3)

Среднее значение напряжения на выходе АФНЧ:

Uср.вых=Uср.вхКус=UмКус/ (4)

Из (4) и Uср.вх=Uм/ следует, что при Кус=1 коэффициент передачи ИПСЗ без резистора R5 равен 1/.

После подстановки (4) и (3) в (1) имеем:

(5)

Из последней формулы

(6)

Чтобы среднее значение напряжения на выходе АФНЧ было равно амплитуде входного напряжения ИПСЗ выбирают Кус равным . В таком случае формула (6) для расчета постоянной времени фильтра принимает вид:

(7)

Включение в схему резистора R5 позволяет получить сигнал, соответствующий двухполупериодному выпрямлению напряжения Uвх, т.е. удвоить частоту пульсаций входного сигнала АФНЧ. Это дает возможность повысить быстродействие преобразователя за счет уменьшения необходимой постоянной времени фильтра при том же качестве сглаживания пульсаций.

Найдем коэффициент передачи схемы ИПСЗ при установленном R5.

По определению коэффициент передачи:

, (8)

где Uср – среднее значение выходного напряжения преобразователя, Um – амплитуда входного синусоидального сигнала Uвх(t)=Umsin(t).

Среднее значение Uср соответствует постоянной составляющей выходного сигнала Uвых(t) преобразователя, представленного на рис.1, без конденсатора.

(9)

Uвых(t) представляет результат двухполупериодного выпрямления входного сигнала. Если обозначить максимальное значение результата двухполупериодного выпрямления через Um.в., то формула (9) примет вид:

(10)

Анализируя схему преобразователя без конденсатора, величину Um.в можно выразить через входное напряжение и номиналы схемы:

(11)

(12)

После подстановки (12) в (11), а полученного выражения в (10), формула среднего значения выходного напряжения преобразователя примет вид:

(13)

С учетом (13) коэффициент передачи ИПСЗ:

(14)

При условии

R1=R2=R3=R4=R5/2=R6=R (*)

из (14) следует, что Кус=1 и при наличии R5 среднее значение выходного сигнала преобразователя, как и в случае без R5, составит , т.е. коэффициент передачи ИПСЗ составит 1/.

Обеспечить нужный коэффициент передачи преобразователя можно, как было показано выше, выбором необходимого отношения Кус=R6/R4 в коэффициенте передачи фильтра (см. формулу (2)). Например, в рассматриваемом случае, когда R4=R и R5=2R, при выборе R6=R4 коэффициент передачи преобразователя будет равен единице, т.е. среднее значение выходного напряжения преобразователя будет равно амплитуде входного синусоидального сигнала.

Хотя сигнал с катода VD1 не используется, цепь на элементах R2 и VD1 необходима для поддержания ООС в ИВ при положительной полярности сигнала Uвх, когда диод VD2 закрыт. Наличие такой связи обеспечивает существование на инвертирующем входе DA2 напряжения «виртуального нуля», при котором в случае Uвх0 ток iR4 через R4 не протекает (при идеальных параметрах элементов), и на фильтр поступает сигнал только по входу R5=2R: iR5=Uвх/2R. Когда Uвх0, закрыт VD1, открыт VD2, и на фильтр поступают сигналы по обоим входам. При этом суммарный ток: i=iR4+iR5=Uив/RUвх/2R=Uвх/RUвх/2R= –Uвх/2R (знак «минус» в этой формуле показывает, что после изменения знака входного напряжения с «плюса» на «минус» направление тока i остается прежним, т.е. ток пульсирует).

Пример расчёта на заданную точность и выбора элементов ИПСЗ см. в [2].



Случайные файлы

Файл
103621.rtf
56886.rtf
12288.rtf
30065.rtf
13993.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.