Измерительный преобразователь напряжения произвольной формы для широкополосного вольтметра переменного тока

Измерительный преобразователь напряжения произвольной формы для широкополосного вольтметра переменного тока = Arbitrary Waveform Voltage Measuring Converter for Wideband AC Voltmeter / О. В. Дворников, В. Н. Бахур, А. Г. Бахир [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2024. – № 3. – С. 174-185.

Abstract

Измерение напряжения переменного тока является одним из наиболее распространённых видов измерений в различных областях науки и техники. Для оценки уровня напряжения переменного тока применяются вольтметры переменного тока, которые позволяют регистрировать амплитудные, средние и/или среднеквадратические значения (СКЗ) напряжения. Среди этих средств измерений особо значимы вольтметры СКЗ напряжения, т. к. СКЗ – фундаментальная физическая характеристика электрического сигнала, являющаяся истинной мерой мощности. Широкое распространение сигналов несинусоидальной формы обуславливает необходимость создания вольтметров для прямого измерения СКЗ, основным узлом которых является измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения (ПСКЗ ). Анализ существующих технических решений показывает, что для высокоточного измерения СКЗ напряжения произвольной формы со спектром в полосе частот от 20 Гц до 20–50 МГц целесообразно применение ПСКЗ с термоэлектрическим преобразователем (ТЭП). Такой ПСКЗ должен содержать дифференциальный полупроводниковый ТЭП и входной широкополосный усилитель напряжения с малой нелинейностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Целью работы являлась разработка измерительного ПСКЗ напряжения произвольной формы, при которой особое внимание уделено модернизации ТЭП и уменьшению погрешности ПСКЗ за счёт коррекции АЧХ входного усилителя и введения автоматической калибровки выходного напряжения. В статье описаны особенности полупроводниковых кристаллов и конструктивного исполнения ТЭП в виде микросхемы и микросборки, результаты измерений параметров ПСКЗ и элементов ТЭП. Отмечено существенное влияние АЧХ входного усилителя и напряжения смещения нуля транзисторов ТЭП на погрешность ПСКЗ. Модернизация входного усилителя и введение автоматической калибровки выходного напряжения обеспечили погрешность преобразования синусоидального сигнала менее 1 % в диапазоне от 20 Гц до 50 МГц.

Abstract in another language

Alternating current (AС) voltage measurement is one of the most common types of measurements in various fields of science and technology. To evaluate the AC voltage level, special voltmeters are used which allow recording of amplitude, average and/or root mean square (RMS) voltage values. Among these measuring instruments, voltmeters of mean square voltage are especially significant because RMS is a fundamental physical characteristic of an electrical signal and is a true measure of power. The wide distribution of non-sinusoidal signals necessitates the creation of voltmeters for direct measurement of RMS. The main component of such voltmeter is an AC voltage to direct current (DC) voltage measuring converter based on the root-mean-square value level (AC RMS-DC converter). An analysis of existing technical solutions shows that it is advisable to use a thermoelectric converter (TEC) for high-precision measurement of RMS voltage of an arbitrary shape with a spectrum in the frequency band from 20 Hz to 20–50 MHz. Such a AC RMS-DC converter must contain a differential semiconductor TEC and an input broadband voltage amplifier with low nonlinearity of the frequency response. The aim of the paper was to develop a measuring AC RMS-DC converter of arbitrary shape voltage in which special attention is paid to modernization of the TEC and reduction of the AC RMS-DC converter error using corection of the frequency response of the input amplifier and introduction automatic calibration of the output voltage. Features of semiconductor chips and design of TEC in the form of a microcircuit or microassembly, results of converter’s and TEC elements’ parameters measurements are presented. A significant influence of the frequency response of the input amplifier and the offset voltage of the TEC transistors on the AC RMS-DC converter error was noted. Modernization of the input amplifier and introduction of automatic calibration of the output voltage ensured an error in a sinusoidal signal converting of less than 1 % in the range from 20 Hz to 50 MHz.