ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ S e r i a : A utom atyka z . 26
________ 1974 Nr k o l. 395
M a c ie j K ulaw ik
PRZETWORNIK NAPIĘCIA ZMIENNEGO 20 H z-20 kHz NA NAPIĘCIE STAŁE JAKO UKŁAD WEJŚCIOWY DO WOLTOMIERZA CYFROWEGO
S t r e s z c z e n i e . W p ra c y o p is a n o p r z e tw o rn ik u m o ż liw ia ją c y p o m iar n a p ię ć s i n u s o i d a l n i e zm iennych o c z ę s t o t l i w o ś c i a c h 20 Hz-20 kHz p rz y pomocy w o lto m ie rz a c y fro w e g o . P rz e d s ta w io n o a n a l i z ę t e o r e t y c z n ą i w y n ik i badań u k ła d u p r a k ty c z n e g o .
1 . Wstęp
Cyfrowy p o m iar n a p ię ć zm iennych n i e n o t u j e t a k d u ży ch i s z y b k ic h p o stęp ó w , ja k cyfrow y pom iar n a p ię ć s t a ł y c h . O becnie s p o ty k a s i ę w ie
l e ró ż n y c h ro z w ią z a ń w o lto m ie rz y n a p ię ć zm ien n y ch . N a jc z ę ś c i e j s p o ty kanym i w o lto m ie rz a m i n a p ię ć zm iennych s ą w o lto m ie rz e , p rz y pomocy k tó r y c h dokonywany j e s t p o m iar w a r to ś c i ś r e d n i e j n a p i ę c i a m ie rz o n e g o .B a r
dzo n ie w ie le ro z w ią z a ń d o ty c z y pom iaru w a r to ś c i s k u te c z n e j n a p i ę c i a m ie rz o n e g o .
M etody p o m iaru w a r t o ś c i s k u te c z n e j n a p i ę c i a p o le g a ją m iędzy in n y mi n a w y k o rz y s ta n iu z ja w is k a c ie p ln e g o
CO
lu b w y k o rz y s ta n iu d e t e k c j i kw adratow ej [ 2 ] , [ 3 ] . W p r z e tw o r n ik a c h t e g o ty p u b a rd z o tr u d n o u zy sk ać du że d o k ła d n o ś c i w sz e ro k im paśm ie c z ę s t o t l i w o ś c i , co u t r u d n i a współp r a c ę z w oltom ierzem cyfrowym . Z n a c z n ie j ł a t w i e j u zy sk a ć można wyma
g a n ą d o k ła d n o ść w p rz e tw o rn ik a c h do w o lto m ie rz y , m ie rz ą c y m i w a rto ś ć ś r e d n i ą n a p i ę c i a . W iększość p rzetw o rn ik ó w te g o ty p u zap ew n ia du żą do
k ła d n o ś ć w paśm ie c z ę s t o t l i w o ś c i 20 Hz-10 kHz
W c e l u p o p ra w ie n ia d o k ła d n o ś c i p rz e tw o rn ik a w z a k r e s i e c z ę s t o t l i w o śc i 10 k H z-2 0 kHz wprowadza s i ę s p e c ja ln y u k ła d k o re k c y jn y [ 8 3 . 0 - p is a n y w a r t y k u l e p r z e tw o r n ik u m o ż liw ia pom iar w a r t o ś c i ś r e d n i e j n a -
60 M. K ulaw ik
p i ę c i a s i n u s o i d a l n i e zm iennego w yprostow anego dwupołówkowego w paśm ie c z ę s t o t l i w o ś c i 20 H z-20 kHz.
2 . Z asad a d z i a ł a n i a p rz e tw o r n ik a
Schem at blokowy p r z e tw o r n ik a j e s t p rz e d s ta w io n y na r y s . 1 . Z asada d z i a ł a n i a p r z e tw o r n ik a j e s t n a s t ę p u j ą c a : E lem ent I j e s t t o u k ła d w ej
śc io w y , w s k ła d k tó r e g o wchodzą d z i e l n i k i n a p ię ó d la o d p o w ied n ich pod- z a k re s ó w . C zęść I I s ta n o w i szerokopasm owy wzm acniacz p rą d u zm ien n eg o .
R ys. 1
Ze w zg lęd u na wymaganą du żą o p o m o śó w e jśc io w ą u k ła d u c z ę ś ć w e jś c io wa t e g o w zm acniacza j e s t wykonana na t r a n z y s t o r a c h ' p o low ych. Wzmac
n ia c z t e n o b ję ty j e s t siln y m ujemnym s p rz ę ż e n ie m zw rotnym . Po p r z e j ś c i u p rz e z w zm acniacz w ejścio w y s y g n a ł s in u s o id a ln y p r z e d o s t a j e s i ę do p ro s to w n ik a o p e ra c y jn e g o I I I . Tu n a s t ę p u j e jednopołów kow e p ro sto w a-' n i e , a n a s t ę p n i e s y g n a ł s in u s o id a ln y sum uje s i ę z wyprostowanym je d n o - połówkow o. Poniew aż a m p litu d a s y g n a łu w yprostow anego jednopołówkowo j e s t d w u k ro tn ie w ię k sz a n i ż a m p litu d a s y g n a łu s i n u s o id a ln e g o , w ięo w1, sum ie o trz y m u je s i ę s y g n a ł w yprostow any dwupołówkowo. S y g n ał t e n p rz e d o s t a j e s i ę n a w e jś o ie e le m e n tu V, k tó r y j e s t f i l t r e m d o I n o p r z e p u s to -
P r z e tw o r n ik n a p i ę c i a zm ien n eg o .« 61
wym. Na w y jś c iu te g o e le m e n tu otrzym ujem y sk ład o w ą s t a ł ą p r z e b ie g u s i n u s o id a ln e g o w yprostow anego dvyupołówkowo. B lok IV s łu ż y do k o r e k c j i c h a r a k t e r y s t y k i p r z e tw a r z a n ia w z a k r e s i e w yższych c z ę s t o t l i w o ś c i . E l e m ent t e n j e s t ró w n ie ż z a s i l a n y p rz e b ie g ie m wyprostowanym dwupołówkowo a s y g n a ł k o re k c y jn y d o s t a j e s i ę na w e jś c ie f i l t r u w t o r z e głównym.Syg
n a ł w yjściow y f i l t r u V d o s t a j e s i ę na w e jś c ie e le m e n tu V I.E le m e n t te n p e ł n i f u n k c ję f i l t r u d o ln o p rz e p u sto w e g o o ra z dopasow uje n a p i ę c i e w yj
śc io w e p r z e tw o r n ik a do zak resó w n a p ię c io w y c h w o lto m ie rz a c y fro w e g o .
3 . A n a liz a d z i a ł a n i a poszczem ólnych bloków p rz e tw o rn ik a
3 . 1 . A n a liz a p ro s to w n ik a o p e ra c y jn e g o
Podstawowym elem entem p rz e tw o rn ik a j e s t tz w . p ro s to w n ik o p e ra c y jn y , p rz e d s ta w io n y n a r y s . 2 a . W p rz y ję ty m do o b lic z e ń sch em acie z r y s . 2b
p r z y j ę t o n a s tę p u ją c e z a ł o ż e n i a :
a)- d io d a sp o la ry z o w a n a w k ie ru n k u p rz e w o d z e n ia z o s t a ł a z a s t ą p i o n a sze
regowym p o łą c z e n ie m SEM e^ i r e z y s t a n c j i d y n am iczn ej r ^ ,
* i
R ys. 2a R ys. 2b
62 M. Kulaw ik
b ) d io d a sp o la ry z o w a n a w k ie ru n k u zaporowym z o s t a ł a z a s tą p io n a o p o r
n o ś c ią d io d y w k ie ru n k u zaporowym,
c) p r z y j ę t o , że r e z y s t a n c j a w ejścio w a w zm acniacza o p e ra c y jn e g o R = co a r e z y s t a n c j a w yjściow a ta k i e g o w zm acniacza R = 0 , gdyż ja k poka
zan o w d l a ^u» 1 n ie ma t o p r a k ty c z n ie żadnego wpływu na cha
r a k t e r y s t y k ę dynam iczną p ro sto w n ik a o p e ra c y jn e g o . Na p o d sta w ie r y s . 2b można n a p is a ć :
U r , e , e R .
t + «) + v ^ 1 + ^
________ u___________ u_________1__________ 1 w______ u______
V a
‘ «1 + ' a * “ o) ' [ <* ł * Hi k l1+ V * ] * V ,1 u(3*1)
D la typow ych param etrów w zm acniacza o p e ra c y jn e g o i z a sto so w an y ch e l e mentów: ku = 45000, Ryj = 1 0 % ] , r d = 10003, ed = 0 ,7 [V ], R1 = 2R =
= 20 Ck£i] o trz y m u je s i ę p rz y b liż o n y wzór
R .
U = - 7 U . ( 3 .2 )
wy R we
O kazu je s i ę , że b łą d p o w sta ły w sk u tek te g o u p r o s z c z e n ia j e s t m in i
m alny i .z n a c z n ie m n ie jsz y od ż ą d a n e j d o k ła d n o ś c i p r z e tw o r n ik a .
3 . 2 . A n a liz a d z i a ł a n i a f i l t r ó w
O b lic z e n ia i a n a l i z a obu f i l t r ó w z o s t a ł y przep ro w ad zo n e w o p a r c iu o r y s . 3 . Na p o d s ta w ie r y s . 3a można n a p is a ć :
P r z e tw o r n ik n a p i ę c i a z m ie n n e g o .» . 6 3
R , «3
1 1
R ys. 3a R ys. 3b
A n a lo g ic z n ie d l a r y s . 3b można n a p is a ć
U lp ) R,
V p ) " o” t p ) " u 3 i y f r2r , i ‘ ( 3 ' 4>
3
Każdy z f i l t r ó w p o w in ien z m n ie js z y ć składow ą zmienną n a p i ę c i a w t a k i sp o s ó b , aby n a p i ę c i e w y jścio w e p rz e tw o rn ik a z a w ie r a ło składow ą zm ienną o a m p litu d z ie m n i e j s z e j , a n i ż e l i w ynosi o s t a t n i a p o z y c ja w o lto m ie rz a cy
fro w e g o . Wynika s t ą d , że w sp ó łc z y n n ik f i l t r a c j i obu f i l t r ó w ł ą c z n i e p o w in ie n w ynosić o k o ło 1 /2 0 0 0 0 . U w z g lę d n ia ją c je d n a k f a k t , że sam wol
to m ie rz cyfrow y p o s ia d a tł u m i e n i e o k . 50 dB d la sygnałów o c z ę s t o t l i w o ś c i f> 5 0 Hz, można s t w i e r d z i ć , ż e d l a obu f i l t r ó w w y s ta rc z y w spół
c z y n n ik ' f i l t r a c j i 1 /4 5 0 . D la je d n e g o f i l t r u HC ła tw o można u z y sk a ć w s p ó łc z y n n ik f i l t r a c j i 1 /5 0 . S to s u ją c szeregow e p o łą c z e n ie , dwóch t a k ic h f i l t r ó w można u zy sk a ć w y s ta r c z a ją c o duży w sp ó łc z y n n ik f i l t r a c j i . Aby je d n a k c z a s u s t a l a n i a s i ę n a p i ę c i a w yjściow ego p rz e tw o rn ik a "t "
n i e b y ł z b y t d ł u g i , n a le ż y m o żliw ie z m n ie js z y ć s t a ł e czasow e obu f i l
64 M. Kulawik
tr ó w . W ynikają s tą d n a s t ę p u j ą c e w a ru n k i d l a f = 40 Hz (m in im aln a czę
s t o t l i w o ś ć p ie r w s z e j h a rm o n ic z n e j s y g n a łu s in u s o id a ln e g o w yprostow a
n eg o dwupołówkowo).
E * (1 + j coR^O) o o R ^ 50 ( 3 .5 a )
4Ri C < 2 *u (3*5b)
R2 + R3
[ ’ ł JC1 (R4 ł
4 0 , u 4
'5 0 (3»6a)
(3 .6 b )
z z a l e ż n o ś c i (3 »5 ab) i (3 . 6ab) można o b lic z y ć w a r to ś c i elem entów obu f i l t r ó w .
3 . 3 . A n a liz a e le m e n tu k o re k c y jn e g o
Schem at te g o e le m e n tu p rz e d s ta w io n o n a r y s . 4 . E lem ent te n zbudo
wany j e s t na dwóch w zm acniaczach o p e ra c y jn y c h . P ie rw s z y z t y c h wzmac
n ia c z y j e s t o b ję ty 3 n ie lin io w y m i s p rz ę ż e n ia m i z w ro tn y m i.Jed n a z ty c h g a ł ę z i z a w ie ra p rz y tym d w ó jn ik RC. Poniew aż e le m e n tu B3 n i e można t u o d d z i e l i ć od c z ę ś c i n i e l i n i o w e j w g a ł ę z i s p r z ę ż e n ia z w ro tn e g o ,w ię c p rz e p ro w a d z e n ie szczeg ó ło w y ch o b lic z e ń b ę d z ie b a rd z o skom plikow ane, a w y n ik i będ ą p rz y tym m ało c z y t e l n e . Z am iast o b lic z e ń z o s t a ł y p r z e prow adzone pom iary e le m e n tu k o r e k c y jn e g o . W a rto ś c i elem entów RC z o s t a ł y d o b ra n e e k s p e r y m e n ta ln ie . N a c h y le n ie c h a r a k t e r y s t y k i d y n am iczn ej e le m e n tu k o re k c y jn e g o j e s t s t a ł e d l a o k r e ś lo n e j c z ę s t o t l i w o ś c i i wy-
U '
n o s i ° k. |_1 + e(to)J . Z a le ż n o ść w sp ó łc z y n n ik a "e" od c z ę s t o t l i we
w o ś c i j e s t podana n a r y s . 5 .
P r z e tw o r n ik n a p i ę c i a z m ie n n e g o .. 65
Rys. 4
Rys. 5
3 . 4 « ’ A n a liz a w zm acniacza w ejściow ego
Schem at w zm acniacza j e s t p rz e d s ta w io n y na r y s . 6 . J e s t t o wzmac
n ia c z szerokopasm owy o c z ę s t o t l i w o ś c i g r a n ic z n e j ok. 200 kHz. C zęść
l i t U>i_______X . XŁidU lll_____U J U Ul >*»1___I U L U )».
1 0 5 1 0 4 1 0^ * (Hz)
6 6 li. K ulaw ik
R ys. 6
w e jśc io w a w zm acniacza j e s t wykonana n a t r a n z y s t o r a c h polow ych, co za
pew nia dużą r e z y s t a n c j ę w e jś c io w ą . Zmiany zak resó w n a p ię c io w y c h doko
n u je s i ę p rz e z zm ianę w i e l k o ś c i s p r z ę ż e n ia z w ro tn e g o , d z i ę k i czemu w zm ocnienie c a łe g o w zm acniacza z m ie n ia s i ę 10 r a z y . Na p o d s ta w ie r y s . 6 można n a p is a ó :
P r z e tw o r n ik n a p i ę c i a z m ie n n e g o « .. 67
we £>. = 1 + ( 3 .8 )
sz
D o b ie r a ją c w a r to ś c i R^ i R^ nożna u z y sk a ć o d pow iednie w artościw zm oe- n i e n i a c a łe g o w zm acniacza.
3 . 5 . Równanie p r z e tw a r z a n ia p rz e tw o rn ik a id e a ln e g o
Po p r z e k s z t a ł c e n i u schem atu blokow ego z r y s . 1 o trz y m u je s i ę sch e
mat j a k na r y s . 7 . So j e s t t u sygnałem wejściowym o a m p litu d z ie U ^ 2 . t o s y g n a ł So w yprostow any dwupołówkowo o a m p litu d z ie
3. = U ^ . k , k .
1 m we ' d w (3 .9 .'
Rys. 7
D la w a rto ś c i< o ,R ,C p r z y j ę t y c h w u k ła d z ie a m p litu d a s y g n a łu S2 j e s t równa a m p litu d z ie s y g n a łu . W d a lszy m c ią g u
s 2(t) - s (t)p= s e(t) (3.10 )
68 M. K ulaw ik
T - t T - t
1 i ° (l +e)kk i ° r n
= £ I Se(t)k k( 1+e)dt = ---- — Ł I [ s 2( t) - S 3U ip Jd t l3. 1l)
s Ct) = s -
t t*
O O
S2 ( t ) = S2ffits i n t ó t ] = • C3-12)
P o d s ta w ia ją c (3*12) do (3 * 1 1 / i c a ł k u j ą c o trz y m u je s i ę
SJb 2 S ,.|8 S J , S J , r
V “ (i f ~ } " ^ - > * arc 003 ^ k. Vl+e)(i' ’ ( 3 *13)
^ 2m 2m 2m 2m k 1
Z ró w n a n ia ( 3 .1 3 ) w ynika, że z a le ż n o ś ć = f (S 2m) j e s t l i n i o w a . Zatem
S3 = kp S2m, ( 3 .1 4 )
g d z ie kp
W d a lsz y m c ią g u k = c o n s t .
P
2 = ^ 5 = k 2 (S3 + S4 ) = k 2kdkw if? (¥ + kp ) Uwe . ( 3 .1 5 )
4. Realizac.ia p r a ktyczna u k ł a d u 1 .jego pomiary
P r z e tw o r n ik z o s t a ł wykonany na w zm acniaczach s c a lo n y c h ty p u TAA522 o ra z n a t r a n z y s t o r a c h połow ych ty p u BY/P-30.
P om iary c a łe g o p r z e tw o r n ik a d o ty c z y ły : a ) pom iaru n i e l i n i o w o ś c i
b ) p o m iaru r e z y s t a n c j i w e jśc io w e j i w y jś c io w e j,
c ) p o m iaru wpływu zm ian n a p ię ć z a s i l a j ą c y c h i te m p e r a tu r y na p r a c ę u - k ła d u .
P r z e tw o r n ik ń a p i ę o i a zm iennego»» 69
Ad a ) V/ wyniku p rzep ro w ad zo n y ch pomiarów o k a z a ło s i ę , że n i e lin io w o ś ć p rz e tw o r n ik a m ie rz o n a ja k o s to s u n e k r ó ż n ic y rz ę d n y c h z m ie rz o n e j w a r t o ś c i n a p i ę c i a i w a r t o ś c i o b lic z o n e j z z a l e ż n o ś c i ( 3 .1 5 ) do m aksym alnego n a p i ę c i a w yjściow ego p r z e tw o r n ik a , j e s t m n ie js z a
od 0 ,0 9 $ w z a k r e s i e c z ę s t o t l i w o ś c i od 20 Hz-20 kHz.
Ad b ) R e z y s ta n c ja w ejścio w a p r z e tw o rn ik a w ynosi 10Qffi2]a r e z y s t a n c j a w yjściow a w ynosi 1 00 (k fij.
Ad c) V/ u k ła d z ie d a je s i ę zauw ażyć s i l n y wpływ zm ian n a p ię ć z a s i l a j ą c y ch i te m p e r a tu r y na w ynik pom iaru p rz y czym do te m p e r a tu ry 30°C p o w s ta ły b łą d j e s t m n ie js z y od 0 ,1 $ .
5 . Y /nioski
Z ap ro je k to w a n y u k ła d c e c h u je s i ę d u żą d o k ła d n o ś c ią w z a k r e s i e c z ę s t o t l i w o ś c i 2 0 H s-2 0 kHz, a p rz y tym je g o budowa j e s t stosunkow o p ro s t a . P o s ia d a du żą r e z y s t a n c j ę w e jśc io w ą . J e g o wady t o s i l n y wpływ n a p ię ć z a s i l a j ą c y c h i n ie c o s ła b s z y wpływ te m p e ra tu ry na w ynik p o m ia ru .
LITERATURA
1 . B o z ie S .M .: Mean s q u a re v o l t m e t e r . J . o f S c i e n t i f i c I n s tr u m e n ts Nr 5 v39 1 9 6 2 ,2 1 0 -2 1 3 .
2 . T a rn ay K .: T rue RMS m easurem ent w ith tu n n e l d i o d e s .P r o c . IRE 5 0 , 2124 (1 9 6 2 ).
3* Yamaguchi T . , Yamamoto S . , I s h i b a s h i S .: A l t e r n a t i n g C u rre n t Root Mean S q u are V o lta g e t o D i r e c t C u r r e n t V o lta g e C o n v e rto r U t i l i s i n g D iode F u n c tio n G e n e r a to r s . J . S o c .I n s tr u m .C o n tr o l E n g r s .( J a p a n ) v o l.
6 , No 4 , 225-235 ( a p r i l ) 1967-
4 . G e l l i e R.W., K le in A.G. I A c c u ra te a c -d c C o n v e rto r f o r low f r e q u e n c i e s . E l e c t r o n i c E n g in e e r in g , 1967 v 39 Nr 474 A ugust ; ,8 4 .
5 . M a rz e tta L .A ., F la c h D .R .: D esign f e a t u r e s o f a p r e c i s i o n a c -d c con-v v e r t o r . N a t.B u r .S ta n d . (USA) 73c (E ngr and I n s t r ) Nr 3 and 4 ,4 7 -5 5
( ju ly -D e o 1 9 6 9 ).
6 . D onauhauer F . , L u ciu s H ., N egele G .: R e c h e n e r s ta rk e r . E l e k t r o n i k , 1966 Nr 8 , 2 4 9 -252.
7 . B ranko C a r .: E i n s c h n e l l e r Y /ec h se l-G le ic h sp an n u n g s U m setzer f i i r d ie R e g e lte c h n ik . E l e k t r o n i k 1970 H e ft 12.
70 M. K ulaw jk
8 . 7 /o ltom ierz oyfrow y V 531 "iilp o " I n s t r u k c j a c b s i u g i .
9 . W oigin 1 . 1 . l i n i e j n y j e e l e k t r i c z e s k i j e p r e o b r a z o w a te li d l a iz m ie - r i t e l n y c h p rib o ro w i s i s t e r "S o w ietsk o e R a d io " . Koskvta 1971»
1IPE0EPA30:JaT Eilb llETEAEiHOrO HAlIPilKEiKil 2 0 Hz - 2 0 kHz B IitCTOallHOE HidlPHiKEIK E KaK HKOJtHOE yUTPOaOTBC
flJDi m .iK iB O rO HCJIbTi/lETPA
P e 3 w u e
B p a f l o T o o n K c a u iipeo 0 p a 3 O B a T e J i i > , icoTcptiii ;i,aeT b o 3 . « j k - h o c t d K 3 « e p o H W H C H H y c o K ^ a J i B H i J x naiipji/.:eiizii 2 0 Hz - 2 0 kHz
n p n a o a o u i i m i y p o B c r o B 0 J i i > T M e T p a o flan T e c p e T w y e c K j a i aiia.iHa h pe3yj:BTaTu u c c j i c ^ o u a H H i i ..ic.i;eJiH„
AC-DC CONVERTOR (2 0 Hz - 20 kHz) AS INPUT STAGE TO DIGITAL VOLTMETER
S u m m a r y
I n th e a r t i c l e s in u s v o lta g e c o n v e r to r f o r f r e q u e n c i e s 20 Hz-20kHz t o DC, t o d i g i t a l v o l t m e t e r , h a s been d e s c r i b e d . T h e o r e t i c a l a n a ly
s i s and r e s u l t s of i n v e s t i g a t i o n s have been p r e s e n t e d .
