Белорусский институт системного анализа и информационного обеспечения научной сферы

Измерительный преобразователь для широкополосных вольтметров переменного тока
Адрес документа: http://www.belisa.org.by/ru/izd/stnewsmag/2_2007/art3_6_2007.html
 
 

16 января 2008 г.

 

[Информационно-аналитический журнал «Новости науки и технологий» / учредитель ГУ «БелИСА». — Минск: ГУ «БелИСА», 2007, № 2(6)]


О.В. Дворников,
главный специалист ОАО «МНИПИ»,  канд. техн. наук, доцент

В.А. Чеховский,
старший научный сотрудник Национального центра физики частиц  и высоких энергий

Ю.Ф. Шульгевич,
инженер Национального центра физики частиц  и высоких энергий


Измерительные преобразователи среднеквадратического значения (ПСКЗ) напряжения являются основой различных электроизмерительных приборов — вольтметров переменного тока вида В3, преобразователей напряжения В9 и др. Серийно выпускаемые микросхемы экспоненциально-логарифмических ПСКЗ (AD536, AD636, AD637) обладают высокой точностью, но небольшим частотным диапазоном, пропорциональным уровню входного сигнала [1]. Микросхемы преобразователей, использующих аналоговые умножители напряжения (AD834, AD8361, AD8362, AD8317), могут обрабатывать высокочастотные сигналы, однако не допускают наличия постоянной и низкочастотной составляющих в спектре сигнала и их погрешность довольно велика [2]. В связи с этим для прецизионного преобразования сигналов произвольной формы обычно используются термоэлектрические преобразователи [3], из которых наилучшим соотношением качество/цена характеризуются полупроводниковые транзисторные термопреобразователи. На основе теоретического анализа [4] разработаны различные электрические схемы ПСКЗ с транзисторными термопреобразователями [4, 5]. Однако их экспериментальная апробация выявила, что для обеспечения технологичности изготовления при массовом производстве и стабильности характеристик ПСКЗ должны быть модифицированы, а именно: увеличена эффективность преобразования мощности входного сигнала в выходное напряжение термопреобразователя; максимально уменьшена площадь печатной платы для размещения ПСКЗ в термостате; разработана методика регулировки ПСКЗ, обеспечивающая высокую линейность преобразования среднеквадратического значения переменного входного напряжения в постоянное выходное.

Для решения указанных задач в ОАО «МНИПИ» [6] разработаны и изготовлены микросборка полупроводникового дифференциального термоэлектрического преобразователя РБПН001 [7] с коэффициентом преобразования от 2,5 до 3,0 мВ/мВт и электронный модуль ПСКЗ.

Микросборка РБПН001 (рис. 1, 2) состоит из двух кремниевых кристаллов, размещенных на теплоизолирующей подложке. Каждый кристалл содержит два нагревательных резистора и n-p-n-транзистор. При необходимости резисторы можно соединить параллельно для увеличения выходного сигнала термоэлектрического преобразователя либо последовательно для увеличения входного сопротивления и ослабления требований к усилителю, находящемуся перед термоэлектрическим преобразователем [5]. Особое внимание при проектировании микросборки уделялось увеличению коэффициента термоэлектрического преобразования. Для этого максимально уменьшено расстояние между нагревательным резистором и датчиком температуры — эмиттерным переходом n-p-n-транзистора, значительно уменьшен отвод тепла от кристаллов за счет выбора материала теплоизолирующей подложки, минимизации площади и толщины полупроводниковых кристаллов, уменьшения длины и диаметра проводников, соединяющих контактные площадки кристалла и траверсы корпуса [8].

 

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная микросборки РБПН001

 

Рис. 2. Фотография микросборки РБПН001 в корпусе Н03.16–1В

 Преобразователь, схема которого показана на рис. 3, функционирует следующим образом. Известно, что температура резистора является линейной функцией от рассеиваемой резистором мощности и, следовательно, определяется квадратом среднеквадратического значения приложенного напряжения или тока:

          

,     (1)

где P — средняя мощность, рассеиваемая напряжением UВХ(t) на резисторе R за время T.

Если изменяющийся во времени сигнал UВХ(t) приложен к нагревательному резистору RA, то мощность, рассеиваемая на этом резисторе, приводит к его нагреванию, передаче тепла к транзистору QA и изменению напряжения на прямо смещенном эмиттерном переходе QA. В том случае, когда напряжение на резисторе RB отличается от напряжения на RA, то сигнал разбаланса, равный разности коллекторных потенциалов QA и QB, будет усиливаться DA2, поступать через схему извлечения квадратного корня DA3–DA5 на резистор RB и приводить к изменению мощности, рассеиваемой RB. При этом изменяется температура RB, QB, напряжение на прямо смещенном эмиттерном и, следовательно, обратно смещенном коллекторном переходе QB. Обратная связь через цепь DA2–DA5 приведет к такому изменению напряжения на резисторе RB, при котором коллекторные потенциалы QA и QB будут одинаковыми. Если резисторы RA, RB и транзисторы QA, QB имеют идентичные характеристики, то при нулевом напряжении разбаланса напряжение постоянного тока на RB (URB) будет прямо пропорционально среднеквадратическому значению изменяющегося во времени входного сигнала UВХСКЗ. Другими словами, мощность напряжения постоянного тока, подаваемая на резистор RB, равна мощности, рассеиваемой резистором RA от изменяющегося во времени сигнала:

 ,  (2)

                  ,    (3)

при RA = RB

 .    (4)

Для средне– и высокочастотных сигналов происходит усреднение входной мощности благодаря тепловой постоянной времени полупроводниковых кристаллов, что обеспечивает постоянное напряжение на коллекторе QA.

 

D1–D3 – BAV99, DA1 – РБПН001, DA2 – OP–27, DA3, DA5 – AD711, DA4 – CA3046, DA6 – LTC1150

Рис. 3. Принципиальная схема электронного модуля ПСКЗ


Схема ПСКЗ, приведенная на рис. 3, имеет ряд особенностей. В нее включен диод D3 для устранения положительной обратной связи, возникающей при отрицательном напряжении на RB, и конденсаторы C2, C4, C5, обеспечивающие устойчивую работу последовательно соединенных дифференциального каскада (QA, QB, R2, R3, R5, R6) и усилителя DA2. Источник тока дифференциального каскада выполнен на высокоомном резисторе R4, зашунтированном конденсатором C1. Такое схемотехническое решение обладает меньшим уровнем шумов по сравнению с активным источником тока на «токовом зеркале». Для улучшения переходной характеристики ПСКЗ введена схема извлечения квадратного корня на операционных усилителях (ОУ) DA3, DA5 и наборе n-p-n-транзисторов DA4. Эскизный вариант электронного модуля показан на рис. 4. Его размеры составляют 30 × 45 × 5 мм. Для поступления сигналов и напряжения питания применяются проводники, присоединяемые к плате через монтажные отверстия.

 

Рис. 4. Эскизный вариант электронного модуля


Особое внимание уделено достижению линейности передаточной характеристики с помощью регулировочных элементов, для чего:

1. Потенциометром R8 компенсируется напряжение смещения всего ПСКЗ, а именно устанавливается близкое к нулю напряжение в узле «Выход» при нулевом напряжении в узле «Вход».

2. Резистивным делителем R14, R15 и масштабирующим усилителем DA6, R19, R22, R23 задается требуемая величина коэффициента преобразования во всем динамическом диапазоне.

3. Потенциометром R10 корректируется режим по постоянному току схемы извлечения квадратного корня, что позволяет выбрать область вольтамперных характеристик транзисторов DA4, гарантирующую максимальную линейность передаточной характеристики.

Возможность выполнения высокоточной настройки ПСКЗ иллюстрируют результаты измерений (рис. 5) передаточной характеристики для входного напряжения постоянного тока и одного регулируемого потенциометром R8 параметра — напряжения (U0) на входе делителя R7, R9. При небольшом входном напряжении ПСКЗ имеет зону нечувствительности, но существует диапазон значений напряжения U0, при котором характеристика максимально линейна (кривая 1 на рис. 5). Для исследованного экземпляра ПСКЗ величина U0  должна быть равна минус 8,6 ± 0,3 В, что обеспечивает минимальную относительную погрешность. Учитывая коэффициент ослабления делителя R7, R9, максимальная линейность достигнута при напряжении смещения дифференциальной пары QA/QB, приблизительно равном минус 0,5 мВ.

 

Рис. 5. Передаточная характеристика ПСКЗ при различном напряжении (U0) на входе делителя R7, R9


Измерение погрешности преобразования ПСКЗ проводилось при помощи высокостабильных источников питания Б5-78/1, прецизионного цифрового вольтметра В7-74 и калибраторов фирмы Fluke — 5720A, 9500. Результаты измерений макетного образца ПСКЗ приведены в табл. 1, 2.

Таблица 1

 Зависимость относительной погрешности преобразования ∆ от уровня входного напряжения постоянного тока UВХП

UВХП, В

0,1

0,2

0,3

0,5

0,7

1,0

1,5

2,0

2,5

∆, %

–1,500

–0,350

–0,167

–0,060

–0,043

–0,020

–0,013

–0,010

–0,004

 

Таблица 2

 Зависимость относительной погрешности преобразования ∆ от уровня UВХСКЗ и частоты f входного напряжения синусоидальной формы 

Параметры

Частота входного напряжения синусоидальной формы

 

от 20 Гц
до 1 МГц

1 МГц

3 МГц

5 МГц

10 МГц

30 МГц

50 МГц

100 МГц

150 МГц

∆, %, при UВХСКЗ = 1 В

≤0,07

–0,40

–0,50

–0,40

–0,10

–0,60

–0,86

–1,83

–5,97

∆, %, при UВХСКЗ = 0,3 В

≤0,15

–0,87

–0,99

–0,93

–0,77

–1,33

–1,77

–2,73

–6,1

Источник сигнала

Fluke
5720A

Fluke
9500

Fluke
9500

Fluke
9500

Fluke
9500

Fluke
9500

Fluke
9500

Fluke
9500

Fluke
9500


Так как в диапазоне частот синусоидального сигнала от 1 до 100 МГц зарегистрированная погрешность ПСКЗ сравнима с погрешностью источника входного сигнала (прибора Fluke 9500), то можно предположить, что реальная погрешность ПСКЗ в этом диапазоне частот меньше полученных значений.


Литература:

1. Дворников, О.В. Микроэлектронные преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения. Часть 1. Преобразователи с экспоненциально-логарифмической обратной связью / О.В. Дворников // Компоненты и технологии. — 2004. — № 9. — С. 62–69.
2. Дворников, О.В. Микроэлектронные преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения. Часть 2. Преобразователи на аналоговых умножителях напряжения / О.В. Дворников // Компоненты и технологии. — 2005. — № 1. — С. 34–39.
3. Дворников, О.В. Микроэлектронные преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения. Часть 3. Применение термоэлектрических преобразователей / О.В. Дворников // Компоненты и технологии. — 2005. — № 2. — С. 84–93.
4. Ott, W.E. A new technique of thermal RMS measurement / W.E. Ott // IEEE Journal of Solid–State Circuits. — 1974. — Vol. 9, No 12. — P. 374–380.
5. Грязнов, М.И. Измерение параметров импульсов / М.И. Грязнов, М.Л. Гуревич, Ю.А. Рябинин. — М.: Радио и связь, 1991. — С. 120–200.
6. http://www.mnipi.by
7. Дворников, О.В. Полупроводниковый дифференциальный термоэлектрический преобразователь /О.В. Дворников // Chip News. — 2004. — № 8. — С. 34–38.
8. Термочувствительная интегральная схема: пат. 8810 Респ. Беларусь, МПК H 01L 21/82, G 01R 19/03 / О.В. Дворников, Б.Д. Муравьев, А.А. Володкевич; ОАО «МНИПИ». — № а20040544; заявл. 14.06.2004.


Ссылки по теме:
 
 
Copyright © БелИСА, Минск, Республика Беларусь. http://www.belisa.org.by/
Полное или частичное воспроизведение данного материала разрешается с указанием ссылки (в интернете - гиперссылки) на источник.