pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2024-15-3-174-185pimi-886Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsИзмерительный преобразователь напряжения произвольной формы для широкополосного вольтметра переменного токаArbitrary Waveform Voltage Measuring Converter for Wideband AC VoltmeterДворниковО. B.DvornikovO. V.

Адрес для переписки:Дворников О.В.–Минский научно-исследовательский приборостроительный институт,ул. Я. Коласа, 73, г. Минск 220113, Беларусь e-mail: oleg_dvornikov@tut.by

Address for correspondence:Dvornikov O.V. –Minsk Research Instrument-Making Institut, Ya. Kolas str., 73, Minsk 220113, Belaruse-mail: oleg_dvornikov@tut.by

oleg_dvornikov@tut.byБахурВ. Н.BakhurU. N.

ул. Я. Коласа, 73, г. Минск 220113

Ya. Kolas str., 73, Minsk 220113

БахирА. Г.BakhirA. G.

ул. Я. Коласа, 73, г. Минск 220113

Ya. Kolas str., 73, Minsk 220113

ЛозовскийВ. М.LazouskiU. M.

ул. Я. Коласа, 73, г. Минск 220113

Ya. Kolas str., 73, Minsk 220113

ЧеховскийВ. А.TchekhovskiV. A.

ул. Бобруйская, 11, г. Минск 220006

Bobruiskaya str., 11, Minsk 220006

Минский научно-исследовательский приборостроительный институтБеларусьMinsk Research Instrument-Making InstituteBelarusИнститут ядерных проблем Белорусского государственного университетаБеларусьInstitute for Nuclear Problems of Belarusian State UniversityBelarus202406112024153174185Copyright © Дворников О.B., Бахур В.Н., Бахир А.Г., Лозовский В.М., Чеховский В.А., 20242024Дворников О.B., Бахур В.Н., Бахир А.Г., Лозовский В.М., Чеховский В.А.Dvornikov O.V., Bakhur U.N., Bakhir A.G., Lazouski U.M., Tchekhovski V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/886

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.

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.

термоэлектрический преобразовательпреобразователь переменного напряжения в постоянноеизмерение среднеквадратического значенияизмерение переменного напряженияthermoelectrical converterRMS-DC converterRMS measurementAC voltage measurementReferencesНефедов, В.И. Метрология и радиоизмерения / В.И. Нефедов, А.С. Сигов, В.К. Битюков и др.; под ред. профессора В.И. Нефедова. – М. : Высшая школа, 2006. – 526 с.Nefedov VI, Sigov AS, Bityukov VK, Khakhin VI. Metrology and radio measurements. Moscow, Vysshaya shkola. 2006. 526 p.Аминев, А.В. Измерения в телекоммуникационных системах: учебное пособие для вузов / А.В. Аминев, А.В. Блохин; под общей редакцией А.В. Блохина. – Москва: Издательство Юрайт, 2024. – 223 с.Aminev AV, Blokhin AV. Measurements in Telecommunication Systems: A Textbook for Universities. Moscow, Izdatel'stvo Yurayt. 2024. 223 p.Дворников, О.В. Микроэлектронные преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения. Часть 2 / О.В. Дворников // Компоненты и технологии. – 2005. – № 1. – С. 34–39.Dvornikov OV. Microelectronic converters of alternating voltage to direct voltage by the level of rootmean-square value. Part 2. Components and technologies. 2005;(1):34-39. (In Russ.).Дворников, О.В. Микроэлектронные преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения. Часть 1 / О.В. Дворников // Компоненты и технологии. – 2004. – № 9. – С. 62–69.Dvornikov OV. Microelectronic converters of alternating voltage to direct voltage by the level of rootmean-square value. Part 1. Components and technologies. 2004;(9):62-69. (In Russ.).Дворников, О.В. Микроэлектронные преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения. Часть 3 / О.В. Дворников // Компоненты и технологии. – 2005. – № 2. – С. 84–93.Dvornikov OV. Microelectronic converters of alternating voltage to direct voltage by the lev-el of rootmean-square value. Part 3. Components and technologies. 2005;(2):84-93. (In Russ.).Klonz, M. Current developments in accurate ACDC transfer measurements / M. Klonz // Proceedings of Conference on Precision Electromagnetic Measurements Digest, Boulder, CO, USA. – 1994. – P. 358. DOI: 10.1109/CPEM.1994.333360Klonz M. Current developments in accurate ACDC transfer measurements. Proceedings of Conference on Precision Electromagnetic Measurements Digest, Boulder, CO, USA, 1994;358. DOI: 10.1109/CPEM.1994.333360Stott, H.L. A Multirange Standard for AC/DC Difference Measurements / H.L. Stott // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 1986. – Vol. IM35. – No. 4. – Pp. 387–391. DOI: 10.1109/TIM.1986.6499103Stott HL. A Multirange Standard for AC/DC Difference Measurements. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 1986;IM-35(4):387-391. DOI: 10.1109/TIM.1986.6499103Katzmann, F.L. Recent Improvements to an Automated Precision Wide-Band AC-DC Transfer Standard / F.L. Katzmann // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 1987. – Vol. IM-36. – No 2. – Pp. 312–319. DOI: 10.1109/TIM.1987.6312693Katzmann FL. Recent Improvements to an Automated Precision Wide-Band AC-DC Transfer Standard. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 1987;IM-36(2):312-319. DOI: 10.1109/TIM.1987.6312693Nicolae, D.V. Characterization and modeling of an RMS-DC solid-state thermal converter / D.V. Nicolae, E. Golovins // 2016 International Semiconductor Conference (CAS). – 2016. – Pp. 113–116. DOI: 10.1109/SMICND.2016.7783055Nicolae DV, Golovins E. Characterization and modeling of an RMS-DC solid-state thermal converter. 2016 International Semiconductor Conference (CAS), 2016;113-116. DOI: 10.1109/SMICND.2016.7783055Pogliano, U. Reconfigurable Unit for Precise RMS Measurements / U. Pogliano, B. Trinchera, F. Francone // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 2009. – Vol. 58, No. 4. – Pp. 827–831. DOI: 10.1109/TIM.2008.2007054Pogliano U, Trinchera B, Francone F. Reconfigurable Unit for Precise RMS Measurements. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2009;58(4):827-831. DOI: 10.1109/TIM.2008.2007054Martincorena-Arraiza, M. A 1.2 V CurrentMode RMS-to-DC Converter Based on a Novel TwoQuadrant Electronically Simulated MOS Translinear Loop / M. Martincorena-Arraiza [et al.] // 2020 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Seville, Spain. – 2020. – Pp. 1–1. DOI: 10.1109/ISCAS45731.2020.9180764Martincorena-Arraiza M, De La Cruz Blas CA, Algueta-Miguel JM, López-Martín A. A 1.2 V CurrentMode RMS-to-DC Converter Based on a Novel TwoQuadrant Electronically Simulated MOS Translinear Loop. 2020 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Seville, Spain, 2020;1-1. DOI: 10.1109/ISCAS45731.2020.9180764Sharifipoor, O. True RMS-DC converter based on Differential Difference Current Conveyor / O. Sharifipoor [et al.] // 2015 International Symposium on Signals, Circuits and Systems (ISSCS), Iasi, Romania. – 2015. – Pp. 1–4. DOI: 10.1109/ISSCS.2015.7203936Sharifipoor O, Ahmadi A, Alirezaee S, Ahmadi M, Erfani S. True RMS-DC converter based on Differential Difference Current Conveyor. 2015 International Symposium on Signals, Circuits and Systems (ISSCS), Iasi, Romania, 2015;1-4. DOI: 10.1109/ISSCS.2015.7203936Галкин, Я.Д. Прецизионный преобразователь переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения / Я.Д. Галкин, О.В. Дворников, В.А. Чеховский // Доклады БГУИР. – 2024. – Т. 22. – № 1. – С. 30–38. DOI: 10.35596/1729-7648-2024-22-1-30-38Galkin YAD, Dvornikov OV, Tchekhovski VА. Precision RMS-to-DC Converter. BSUIR Reports. 2024;22(1):30-38. (In Russ.). DOI: 10.35596/1729-7648-2024-22-1-30-38

The authors declare that there are no conflicts of interest present.