Аналоговые измерительные устройства

6.3.2. Преобразователи средневыпрямленных значений.

          Функциональная  схема  преобразователей средневыпрямленных значений (ПСЗ) состоит из устройства выделения модуля и усредняющего устройства. Устройства усреднения представляют собой фильтры нижних частот.  Следует отметить, что роль фильтра часто выполняет измерительный механизм отсчетного устройства.
          Преобразователи средневыпрямленных значений разделяются на активные и пассивные; однополупериодные и двухполупериодные.

Пассивные ПСЗ

          На рис. 2.9 представлены схемы и временные диаграммы работы пассивных ПСЗ.
          Схема однополупериодного ПСЗ, изображенного на рис. 2,9,а,  находит применение в основном в выпрямительных приборах,  реже в электронных.  Частным случаем является вариант схемы при R2 = ∞. В этой схеме на выход проходит только одна (прямая) полуволна (рис. 2.9,д) входного напряжения (рис. 2.9,г),  а обратная пропускается  через  диод  VD1  и  резистор  R1.  Цепь из диода VD2 и резистора R2 (R1 = R2)   в  этой  схеме  используется  для  выравнивания  сопротивления  выпрямительной схемы в обе половины периода, а также защищает от  пробоя  диод VD1.

     
а)                                       б)                                         в)
     

Рис. 2.9

             Возможны  два режима  работы  ПСЗ:  в  режиме  заданного  напряжения (R0 = 0)  и заданного тока. Для однополупериодного ПСЗ в режиме заданного напряжения выходное напряжение
,                                   (2.23)
          где     (RПР1 и RОБР1 – прямые и обратные сопротивления диода).
          В режиме заданного тока выходное напряжение
,                                                       (2.24)
          где .
          Двухполупериодный ПСЗ, представленный на рис. 2.9,б применяется в выпрямительных приборах и является основной схемой для электронных приборов, в которых усиление предшествует выпрямлению.
          Схема двухполупериодного ПСЗ, показанная на рис. 2.9,в, применяется ограниченно в структурах электронных приборов.
          В двухполупериодных ПСЗ на выход проходят обе половины периода входного напряжения (рис. 2.9,е), и, следовательно чувствительность этих схем выше, чем у однополупериодных.
          Выпрямительные свойства диодов в ПЗС характеризуются коэффициентом выпрямления
,                                                     (2.25)
          где IПР и  IОБР - прямой и обратный ток диода; RПР и  RОБР - прямое и обратное сопротивление диода.
          Значение КВ зависит от приложенного к диоду напряжения, частоты, протекающего тока и температуры. Коэффициент выпрямления в мостовых схемах (рис. 2.9,б) ниже, чем в схеме однополупериодного ПСЗ. Поэтому для измерения малых напряжений применяют однополупериодную схему выпрямления.
          Для двухполупериодного ПСЗ (рис. 2.9,б) выходное напряжение в режиме заданного напряжения
,                                               (2.26)
          где  .
          Погрешность ПСЗ определяется нелинейностью, нестабильностью и зависимостью от температуры прямых и обратных сопротивлений диодов.
          Из 2.23 и 2.24 следует, что с точки зрения влияния диодов на погрешность ПСЗ в режиме заданного напряжения однополупериодные и двухполупериодные схемы равноценны.
          В режиме заданного тока погрешность из-за нелинейности меньше аналогичной погрешности в режиме заданного напряжения.
          При работе ПСЗ на повышенных частотах проявляется погрешность,  обусловленная шунтирующим  действием паразитных емкости диода. Для уменьшения этой погрешности используются включение компенсирующих реактивных сопротивлений  и различные схемные решения.
          С  помощью  пассивных  ПСЗ  можно  обеспечить  погрешность  нелинейности на уровне 0,5 ÷ 2% при пороговом значении входного  напряжения порядка 0,1 В.
          Сочетание выпрямительных элементов с усилительными элементами и схемами позволяет существенно улучшить характеристики ПСЗ.

Активные ПСЗ

          На рис. 2.10 показаны простые схемы однополупериодного (рис. 2.10,а) и двухполупериодного (рис. 2.10,б) активного ПАЗ.
          Схема (рис. 2.10,а) представляет собой инвертируемый усилитель с диодами в цепи обратной связи. При положительной полярности входного напряжения открыт диод VD1 и на выход ПСЗ через резистор R2 подается напряжение с инвертирующего входа. В этом случае можно считать, что напряжение на инвертирующем входе и выходное напряжение равны нулю.  При отрицательной полярности входного напряжения открывается диод VD2 и выходное напряжение становится равным UВЫХ  = -UВХ R2/R1.


а)                                                            б)
Рис. 2.10

          На рис. 2.10,б показана схема двухполупериодного ПСЗ с заземленной нагрузкой. При UВХ < 0  выходное напряжение будет равно
          UВЫХ = - UВХ R3 /R1.                                                   (2.27)
          Выходное сопротивление  RВЫХ  ≈ 0. Если же UВХ > 0, то   
UВЫХ =  UВХ R2 /(R1 +R2),                                           (2.28)
а    RВЫХ = R3  + R1·R2/(R1 +R2).
         Использование второго ОУ позволяет получить близкое к нулю выходное сопротивление при любой полярности входного сигнала. Примером подобной схемы является схема представленная на рис. 2.11.
          Погрешности  активных  ПСЗ вызываются  неидеальностью ОУ и диодов.
          Возможно создание ПСЗ с погрешностью 0,005 – 0,1%,   значением    нелинейности   0,1%    и    пороговым  напряжением  порядка 1 мВ.  
Рис. 2.11                      
          Вольтметры с ПСЗ реагируют на среднее значение напряжения, но чаще всего они градуируются в действующих значениях напряжения при синусоидальной форме кривой. Такая градуировка равносильна умножению показаний прибора на коэффициент формы синусоиды (. При изменении формы кривой показания отсчетного устройства остаются равными среднему значению приложенного напряжения, но соотношения между средним и действующим напряжениями (коэффициент формы)  изменяется и становится равным КФ0. Градуировка, выполненная при КФ0= 1,11, новому  коэффициенту формы  не соответствует, что приводит к появлению погрешности
.                                                 (2.29)
          При  напряжениях  заостренной  формы ()  погрешность  от  формы кривой  отрицательна,  при напряжениях уплощенной формы – положительна.


© Copyright 2008, SLAiPS. All Rights Reserved. | Design by Design by analogiu.ru