4-3. ЦИФРОВЫЕ ВАТТМЕТРЫ С НЕПОЛНЫМ АНАЛОГОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН

Развитие средств цифровой вычислительной техники, значительное сокращение габаритов, стоимости и увеличение надежности узлов ЭВМ, выполняющих элементарные математические операции, достигнутое в последнее время, позволяет создавать цифровые ваттметры высоких классов точности, в которых ряд преобразований входных величин осуществляется в цифровой форме. Уже отмечалось, что преобразование действующих или средних значений напряжения и тока в цифровой код, так же как и преобразование мгновенных значений напряжения и тока в код, с последующим цифровым перемножением и интегрированием не обеспечивает необходимого сочетания широкополосности, точности и быстродействия. Весьма перспективным представляется путь построения цифровых ваттметров переменного тока, состоящий в том, что суммирование величин и линейные преобразования среднеквадратических значений их суммы и разности в постоянные напряжения производятся в аналоговой форме, а последующие функциональные преобразования — возведение в квадрат и суммирование квадратов — в цифровой форме. При этом, с одной стороны, сохраняются все достоинства метода прямых измерений мощности (§ 1-2) и, с другой стороны, устраняются погрешности, связанные с неидеальностью характеристик квадраторов, так как устройства для возведения кода в квадрат при достаточном количестве разрядов можно считать практически идеальными. Структурная схема цифрового ваттметра, реализующего сумма-разностный метод с цифровым функциональным преобразователем представлена на рис. 4-2.

Формирование суммы и разности входных сигналов осуществляется активным сумматором, состоящим из усилителей и обеспечивающих согласование выходных сопротивлений первичных преобразователей с входными сопротивлениями операционных усилителей сигналы на выходах которых соответственно равны

при номинальных коэффициентах усиления всех усилителей, равных единице.

Обозначим действующие значения сигналов через и соответственно. При синусоидальной форме напряжения с учетом погрешностей каналов формирования суммы и разности вызванных отличием коэффициентов усиления усилителей от единицы, их нестабильностью и шумами получим

где — действующие значения сигналов

— погрешности усилителей

Рис. 4-2

Допуская, что погрешности — примерно одинаковы и равны получим

Сумма и разность входных сигналов преобразуются в постоянные напряжения с помощью линейных термоэлектрических преобразователей напряжения и с коэффициентом преобразования и погрешностями . Принцип действия таких преобразователей, содержащих два термопреобразователя, один из которых находится во входной цепи, а другой — в цепи обратной связи, подробно рассмотрен в работах [18 и 37].

Напряжения поступают в аналого-цифровые преобразователи где преобразуются в коды

с коэффициентом преобразования с и погрешностями :

На этом преобразования входных величин, сопровождающиеся погрешностями, заканчиваются. Числа возводятся в квадрат цифровыми квадраторами и поступают в сумматор 2, где вычисляется их разность.

В соответствии с выражениями (4-9) и (4-11) разность квадратов кодов равна

откуда относительная погрешность измерения

Отсюда следует, что функция преобразования рассматриваемого ваттметра, как и любого другого, неоднозначна, что определяется в данном случае неравенством коэффициентов преобразования в каналах суммы и разности: Обеспечить точное равенство коэффициентов преобразования каналов практически невозможно, так как, если даже узлы абсолютно идентичны, преобразование суммы и разности производится на различных участках их характеристик, нелинейность которых определит неравенство коэффициентов преобразования. Вторая составляющая погрешности определяющаяся суммой относительных погрешностей узлов прибора, не устраняется при равенстве погрешностей одноименных узлов и при достаточной их идентичности будет доминирующей. Для оценки точностных возможностей цифрового ваттметра такой структуры, произведем оценку погрешностей узлов, входящих в него.

Если в качестве усилителей используются интегральные усилители со -ной последовательной или параллельной обратной связью, то нестабильность коэффициента усиления в интервале температур 10-35 °С не превосходит ±0,01%, при использовании в цепи обратной связи двух микропроволочных резисторов типа сопротивлением 10 кОм с температурным коэффициентом отношения При тех же резисторах частотная характеристика усилителя в диапазоне частот до 20 кГц близка к квадратичной и легко корректируется. Частотная погрешность усилителя при частоте 20 кГц не превосходит 0,001-0,003%. При входных сигналах примерно 1 В погрешностью, вносимой шумами усилителя,

действующее значение которых не превосходит можно пренебречь. Таким образом, при эксплуатации прибора в нормальных условиях погрешности и составят 0,01 — 0,02%, причем, в основном, за счет неточности подгонки сопротивлений резисторов и нестабильности коэффициента усиления.

Значительно большую погрешность вносит преобразователь мощности. При использовании в преобразователе напряжения термопреобразователей типа погрешность преобразования вызванная их нестабильностью во времени и при изменении температуры, неидентичностью и асимметрией, даже при частой калибровке может быть более 1%.

При использовании термопреобразователей типа погрешность может быть уменьшена до при калибровке с интервалом в два часа. Для дальнейшего анализа методов коррекции этой погрешности ее целесообразно представить суммой трех составляющих:

где — доминирующая составляющая, вызванная неидентичностью и нестабильностью термопреобразователей, определяющая нелинейность функции преобразования — погрешность асимметрии (§ 3-3), составляющая — для термопреобразователей типа и типа — частотная погрешность, составляющая при использовании в качестве (рис. 4-2) усилителя, аналогичного

Погрешность определяется выбранным типом преобразователя АЦП или цифрового вольтметра и при использовании лучших образцов не превосходит 0,005%.

Из приведенных данных следует, что без применения специальных методов коррекции погрешностей высокая точность измерений не может быть достигнута, несмотря на то, что функциональные преобразователи-квадраторы погрешности не вносят.

Поскольку введение устройств, корректирующих погрешность, обычно существенно усложняет прибор и снижает его быстродействие, при выборе метода коррекции и способа ее осуществления необходимо учитывать и эти факторы.

Наиболее эффективным методом коррекции погрешностей является рассмотренный выше итерационный метод, который может быть реализован или для индивидуальной коррекции погрешностей преобразователей , или для ваттметра в целом. На рис. 4-2 штриховыми линиями показаны возможные цепи индивидуальной коррекции через преобразователи код — аналог и цепь общей коррекции через преобразователь аналогичную цепи коррекции на рис. 4-1, а. Применение итерационного метода для коррекции погрешностей цифрового вольтметра переменного напряжения

рассмотрено в работе [67], где показано, что при наличии в преобразователе источника переменного тока прямоугольной формы, погрешности и систематическая составляющая погрешности преобразователя АЦП практически устраняются, благодаря чему погрешность вольтметра в звуковом диапазоне частот может быть не более 0,005%. Использование двух таких вольтметров в цифровом ваттметре, как следует из выражения (4-13), позволяет получить погрешность 6 примерно 0,03-0,04%, причем в этом случае доминирующими составляющими станут погрешности и . Большая часть этих погрешностей, за исключением частотной составляющей, устраняется при охвате корректирующим воздействием ваттметра в целом через преобразователь . Одновременно прибор существенно упрощается, так как используется только один преобразователь являющийся наиболее сложным и точным узлом.

Рис. 4-3

Коррекция погрешностей в этом случае осуществляется так же, как в ваттметре с термоэлектрическим ИПМ (рис. 4-1, а). При когда и погрешность ваттметра составляет . Если то действующие значения сигналов на входах преобразователей в первом и втором тактах работы прибора не равны между собой. Эффективность итерационного метода коррекции, предполагающего работу в оба такта практически в одной точке характеристики корректируемого узла, падает. В результат измерения согласно выражению (4-14) вносится часть погрешности определяющаяся нелинейностью характеристики преобразователя в зоне между точками, соответствующими первому и второму такту работы. Эта погрешность может значительно превышать погрешности в связи с чем при построении малокосинусных ваттметров индивидуальная коррекция погрешностей преобразователей более эффективна. В обоих рассмотренных случаях время измерения ваттметра определяется быстродействием термоэлектрических ИПМ и при измерениях с высокой точностью составляет 5—10 с.

Значительное упрощение схемы цифрового ваттметра достигается путем использования в каналах преобразования суммы

и разности одного измерительного преобразователя напряжения одного аналого-цифрового преобразователя АЦП и одного цифрового квадратора . Сумматор входных сигналов в этой схеме такой же, как и в предыдущей. Использование одноканальной системы преобразования суммы и разности, помимо упрощения аппаратуры, позволяет частично исключить аддитивные погрешности преобразователей и АЦП, в связи с чем точность ваттметра несколько повышается, по сравнению с двухканальным ваттметром без коррекции, однако время измерения при этом возрастает в два раза.

При использовании итерационного метода коррекции преобразователя (через преобразователь ПКА) или всего ваттметра (через ) достигается та же точность, что и в двух-канальном ваттметре. Цикл измерения состоит из четырех тактов. При коррекции преобразователя преобразование суммы; 2) кор рекция; 3) преобразование разности; 4) коррекция. При коррекции ваттметра: 1) преобразование суммы преобразование разности преобразование суммы преобразование разности Время измерения при обоих вариантах кор рекции составляет 10—20 с.

Рис. 4-4

Сочетание большого быстродействия двухканального ваттметра с более простой реализацией, достигаемой в одноканальном ваттметре, обеспечивается схемой, представленной на рис. 4-3,б. Здесь одноканальное преобразование производится после того, как сигнал пройдет преобразователь Схема содержит два что несколько усложняет ее по сравнению со схемой рис. 4-3, а. Поскольку преобразователь АЦП и квадратор можно считать практически безынерционными по сравнению с время измерения, как и в двухканальном ваттметре, определяется суммой времени преобразования входных величин и корректирующих сигналов и составляет 5—10 с.

Исследование ваттметра с неполным аналоговым пребразо-ванием, реализующего метод трех вольтметров, проведено в Национальном бюро стандартов для использования его в качестве образцового прибора [87]. Схема входной цепи ваттметра представлена на рис. 4-4. Аналого-цифровому преобразованию в этом случае подвергаются три выходных напряжения: Достоинством такого варианта входной цепи является то, что цепи преобразования напряжений структурно идентичны и при обеспечении конструктивной идентичности усилителей минимизируется угловая

погрешность, которая определяется разностью углов сдвигов фаз этих усилителей. Недостатком входной цепи такого вида является наличие трех выходных напряжений, что, с одной стороны, приводит к увеличению числа слагаемых погрешности в выражении (4-13) и, с другой стороны, к усложнению аппаратуры или увеличению времени измерения. По-видимому, снижение угловой погрешности являлось основной задачей при создании ваттметра. В ваттметре [87] использованы преобразователи АЦП переменого напряжения, погрешность которых составляет 0,002% при частотах менее 1 кГц и 0,02% при частоте 20 кГц. При в области низких частот погрешность ваттметра равна при примерно 0,1%.