Двухпороговое устройство контроля амплитуды переменного напряжения Советский патент 1984 года по МПК G01R19/00 G01R19/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано в автоматизированных измерительных приборах. Известно устройство для измерени амплитуды синусоидального напряжения , содержащее запоминающий конден сатор, установленный на выходе выпр мителя измеряемого напряжения, и считывающий конденсатор, подключенный к запоминающему конденсатору через один из ключей, а также два формирователя импульсов, причем их входы подключены к цепи измеряемого напряжения, а выходы к управляющим входам ключей, второй из которых включен параллельно запоминающему конденсатору С IT. Однако такое устройство обладает значительной погрешностью измерения обусловленной преобразованием сигна ла в измерительном выпрямителе и низким быстродействием, обусловленным аналоговым принципом действия устройства. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является двух пороговое устройство контроля.напряжения , содержащее первый и второй пороговые элементы, первые входы которых соединены между собой,ис точник опорного напряжения, выход которого соединен с входом аттенюато ра,первый выход которого соединен с вторым входом первого порогового элемента, а его второй выход соединен с вторым входом второго порогового элемента, выход первого порогового элемента через первый вход первого формирователя импульсов соединен с первым входом элемента совпадения, выход второго порогового элемента через первый вход вто рого формирователя импульсов со динен с вторым входом элемента совпадения, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первы входом элементом запрета и через дифференцирующую цепь с вторыми входами первого и второго формирователей импульсов, выход элемента, совпадения соединен с вторым входом элемента запрета, выход которого соединен с исполнительным органомГ2 В данном устройстве наличие случайного выброса шума в момент времени, когда контролируемое напряжение достигает амплитудного значения, может привести к превышению суммарным сигналом верхнего уровня опорного напряжения несмотря на то, что фактически контролируемое напряжение не превьшает этого уровня. Это приведет к появлению на выходе элемента совпадения ложного сигнала неисправности. В том случае, когда случайный выброс шума будет в противофазе с контролируемым сигналом, суммарный сигнал уменьшится. В результате этого данным устройством может быть принято неправильное решение о нахождении контролируемого напряжения в пределах допуска, несмотря на то, что оно фактически вышло за границы допуска. Таким образом, недостатком из-, вестного устройства является невысокая помехозащищенность, обусловленная принятием решения о нахождении контролируемого напряжения в пределах допуска по каждому отдельному значению амплитуды смеси контролируемого сигнала со случайным шумом. Устройство также не позволяет получать информацию о значении амплитуды контролируемого переменного напряжения и степени его отклонения of номинального значения. Цель изобретения - повышение помехозащищенности и расширение функциональных возможностей путем измерения амплитуды переменного напряжения . Поставленная цель достигается тем, что в двухпороговое устройство контроля амплитуды переменного напряжения, содержащее первый и второй пороговые элементы, первые входы которых соединены между собой, источник опорного напряжения, выход которого соединен с входом аттенюатора, первый выход которого соединен с вторым входом первого порогового элемента, а его второй выход соединен с вторым входом второго порогового элемента, выход первого порогового элемента через первый формирователь импуль- . сов соединен с первым входом злемента совпадения, выход второго порогового элемента через второй формирователь импульсов соединен с вторым входом элемента совпадения, а также, элемент запрета, введены первый и второй счетчики, ключевой элемент, первый и второй элементы И, реверсивный счетчик, последовательно соединенные дополнительный формирователь импульсов, делитель частоты, триггер, элемент задержки и формирователь импульсов синхронизации, причем выход триггера соединен с вторым входом ключевого элемента, выход элемента совпадения соединен с входом первого счетчика, выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов И, выход второго формирователя импульсов соединен с входом второго счетчика, ,выход которого соединен с первым входом элемента запрета, выход перво го элемента И соединен с входом суммирования реверсивного счетчика, а выход второго элемента И соединен с вторым входом элемента запрета, выход которого соединен с входом вычитания реверсивного счетчика, причем выход делителя частоты соединен с вторыми входами первого и второго элементов И и входом элемента задержки, первый выход которого соединен с входами установки нуля первого и второго счетчиков, а его второй выход соединен с вторыми входагда делителя итриггера, а выходы реверсивного счетчика соединены соответственно с прямым и инверсным входами источника опорного напряжения, вход дополнительного формирователя соединен с входом ключевого элемента, а выход формирователя импульсов синхронизации соединен с третьими входами делителя частоты и триггера.

На фиг.1 представлена структурная схема двухпорогового устройства контроля амплитуды переменного напряжения; на фиг,2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Двухпороговое устройство контроля амплитуды переменного напряжения содержит первый пороговый элемент 1, второй пороговый элемент 2, аттенюатор 3, первый и второй формирователи 4 и 5 импульсов, ключевой элемент 6, элемент 7 совпадения, элемент 8 запрета, источник 9 опорного напряжения , первый и второй счетчики tO и 11, первый элемент И 12, второй элемент И 13, реверсивный счетчик 14 дополнительный формирователь 15 импульсов, делитель 16 частоты, триггер 17, элемент 18 .задержки и формирователь 19 импульсов синхронизаци

Вход ключевого элемента 6 с входом последовательно соединенных дополнительного формирователя 15 импульсов, делителя 16 частоты и триггера 17, выход которого соединен с управляющим входом ключевого элемента 6. Выход ключевого элемента соединен с первыми входами первого и второго пороговых элементов 1 и 2. Выход источника 9 опорного напряжения соедине с входом аттенюатора 3, первый вых которого соединен с вторым входо первого порогового элемента 1, а его второй выход соединен с вторым входом второго порогового элемента 2.

Выходы первого и второго пороговых элементов 1 и 2 соединены с вхдами соответственно первого и второго формирователей 4 и 5, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами элемента 7 совпадения.

Выход элемента 7 совпадения соединен с входом первого счетчика 10, выходы которого соединены с первыми входами первого и второго элементов И 12 и 13. Выход второго формирователя 5, кроме того, соединен с входом второго счетчика 11, выход которого соединен с первым входом элемента 8 запрета. Выход первого элемента И 12 соединен с входом суммирования реверсивного счетчика 14, а выход второго элемента И 13 соединен с вторым входом элемента 8 запрета, выход которого соединен с входом вычитания реверсивного счетчика 14, причем вы ход делителя 16 соединен также с вторыми входами первого и второго элементов И 12 и 13 и входом элемента 18 задержки, первый выход которого соединен с входами установки нуля счетчиков 10 и 11, а его второй, выход соединен с вторыми входами делителя 16 и триггера 17. Выходы реверсивного счетчика

14соединены соответственно с прямым и инверсным входами источника 9 опорного напряжения.

Дополнительный формирователь

15импульсов, делитель 16 и триггер 17 в совокупности образуют блок формирования измерительного интервала. Источник 9 напряжения вырабатывает калиброванное постоянное напряжение, дискретно-изменяющееся во времени, вследствие чего образуется ступенчато-изменяющееся напряжение. Причем при увеличении на единицу кода на выходе реверсивного счетчика 14 увеличивается и напряжение на выходе источника 9 на величину дискреты регулирования. Пороговые элементы 1 и 2 предназначены для сравнения входного напряжения U с опорным напряжением (UQ и U(jri2) ч выдачи сигнала превышения входного напряжения над опорньм уровнем. При помощи аттенюатора 3 достига ется формирование уровня опорного напряженияир, на его первом выходе и ослабление его в jb раз до уровн опорного напряжения U . на втором выходе. При этом обеспечивается получение уровня опорного напряжения на втором входе второго порогового элемента 2 в R раз меньше по сравнению с опорным напряжением U pf, на втором входе первого порогового эле 1 т е и - , т.е. и pf, Интервап ди допусковом контроле входного напряжения определяет допусковый интервал. При измерении амплитуды входного напряжения интервал 4U характеризует погрешность дискретности измерения напряжения uU. Формирователи 4 и 5 импульсов преобразуют импульсы превышения по роговых уровней Uon-1 и и в импульсы стандартной амплитуды и дли тельности. Первый и второй счетчики 10 и 1 представляют собой двоичные счетчи Емкость первого счетчика 10 зависи от длительности измерительного интервала Т, в течение которого осу ществляется сравнение напряжения U с опорными уровнями UQI и и ,2 При этом емкость счетчика в зависи мости от принятого критерия может быть любой равной либо меньшей кол чества периодов измеряемой частоты укладывающихся в интервал Т. При этом надежность измерений будет тем вьш1е, чем ближе эти значения . Изменение емкости счетчика може осуществляться перед началом изме76рений в зависимости QT априорных сведений о помехах путем изменения начального состояния счетчика. При отсутствии шумовых помех емкость счетчика может быть принята равной количеству .периодов измеряемой частоты. Наличие шумовых помех может исказить измеряемый сигнал таким образом, что в момент, когда значение сигнала должно быть равфактическоено амплитудному, его больше или значение может быть В резульменьше амплитудного. тате этого, несмотря на то, что, например, амплитудное значение измеряемого сигнала соответствует некоторому определенному уровню, количество импульсов превьш1ения пороговых уровней не будет равно количеству периодов измеряемой частоты. С учетом этого при наличии шумовых помех емкость счетчиков 10 и 11 устанавливается меньшей количества периодовизмеряемой частоты. В том члучае, если счетчик 10 окажется полностью заполненным, на его первом выходе будет выработан потенциал, являющийся разрешающим для элемента И 12, а на втором выходе - нулевой потенциал. Если же счетчик 10 обнулен или заполнен частично, то на его первом выходе будет выработан нулевой потенциал, а на втором выходе - разрешающий потенциал для элемента И 13. Наличие сигнала на выходе элемента И 12 свидетельствует о том, что входное напряжение U находится за пределами интервала ди . причем , т.е. значение контролируемого напряжения находигся за пределами верхней границы допускового интервала. Емкость второго счетчика 11 выбирается аналогично емкости первого счетчика 10. При полностью либо частично обнуленном счетчике 11 потенциал на его выходе является разрешающим для элемента 8 запрета. Наличие сигнала на выходе элемента 8 запрета свидетельствует о том, что контролируемое напряжение и j( находится за пределами интервалами и меньше значения Ц, установленного на выходе аттенюатора 3, что соответствует уходу контролируемого напряжения за нижнюю границу допуска. После заполнения счетчика 11 сигнал на его выходе будет отсутствовать, т.е. будет нулевой потенциал, под воз- действием которого элемент 8 запрета будет закрыт. Счетчики 10 и 11 принудительно обнуляются при каждом новом цикле измерения. Для этого на их установочные входы подается импульс Установка О. Формирователь 15 преобразует вхо ное синусоидальное колебание Uj в последовательность импульсов, следУющих с периодом равным периоду входных синусоидальных колебаний. При помощи делителя 16 частоты осуществляется деление частоты вход ных колебаний f выдача сигнала спустя некоторое время относительно начала счета: , Коэффициент К д делителя 16 задает длительность измерительного интервала Т X таким образом, чтобы этот интервал вмещал некоторое заданное число периодов любой измеряемой частоты. Начало работы делителя 16 опреде ляется либо импульсом синхронизации с формирователя 19, либо импуль сом с второго выхода элемента 18 за держки . Триггер 17 предназначен для форм рования импульса измерительного интервала длительностью T. Начало этого импульса определяется либо внешним импульсом синхронизации,либ импульсом с второго выхода элемента 18 задержки, а его окончание импульсом с выхода делителя 16. Очевидно, что длительность этого импульса при некотором фиксированно значении К, будет зависеть от частоты входных колебаний. С помощью ключевого элемента 6 под воздействием импульса с выхода триггера 17 на первые входы пороговых элементов 1 и 2 разрешается прохождение некоторого строго определенного числа периодов измеряемого напряжения Uj(. Устройство работает следующим об разом, В исходном состоянии реверсивный счетчик 14 может быть заполнен некоторым произвольным числом импульсов. Источник 9 вьфабатывает при этом постоянное напряжение, значение которого пропорщюнально значению кода на выходе реверсивного счетчика 14 в диапазоне значений амплитуды измеряемого напряжения. Первый и второй с четчики 10 и 11 находятся в обнуленном состоянии. На вход устройства подается измеряемое напряжение U-, (фиг.2). Под воздействием импульса синхронизации U2 делитель 16 начинает подсчет импульсов частоты „, а триггер 17 устанавливается в единичное состояние, вырабатывая сигнал Uj. Под воздействием импульса U с выхода триггера 17 открьшается ключевой элемент 6 и входные синусo щaльные колебания поступают на первые входы первого и второго пороговых элементов 1 и 2, на вторые входы которых подают опорные напряжения При измерениях возможны три различных случая соотношения измеряемого напряжения U,( (и и и на фиг.2) и опорных напряжений U(jni Uop2. ПР жений для первого случая представлены на фиг.2 Б интервале времени от О до t. Этот случай характерен тем,что UK и OP 2 I следовательно и U и Следовательно, уровень опорного напряжения в пороговых элементах 1 и 2 превышен не будет, импульсы на выходах элементов 1 и 2 (соответственно U и Ug на фиг.2), а значит и на выходах формирователей 4 и 5 (соответствен-, но Ug и ) и элемента 7 совпадения (,) будут отсутствовать. Счетчики 10 и 11 останутся в обнуленном состоянии. При этом на первом выходе первого счетчика 10 будет нулевой потенциал (), а на его втором выходе - разрешающий потенциал (). В результате этого элемент И 12 будет закрыт по первому входу и импульсы и с выхода делителя 16 на выход элемента И 12 проходить не будут () В то же время элемент И 13 под воздействием разрешающего потенциала с второго выхода счетчика 10 будет открыт по первому входу и при появлении импульсов U/ с делителя 16 эти импульсы пройдут на выход второго элемента И 13 (rfe) значит будут присутствовать на втором входе элемента 8 запрета, на первом входе которого будет разрешающий потенциал U,-, с обнуленного второго счетчика 11. Следовательно, импульсы U пройду через элемент 8 запрета на вход вычитания реверсивного счетчика 14 и под воздействием этих импульсов и.д содержимое счетчика 11 уменьшится на единицу. I При допусковом контроле наличие импульса на выходе элемента 8 запрета свидетельствует об уходе зна чения контролируемого напряжения за нижнюю границу допуска. Под воздействием кода реверсивного сче чика 14 выходное напряжение источника 9 изменится на дискрету регулирования 4и, а следовательно, из менятся и оп2 после такого изменения будут вьшолняться неравенства U х U оп2 то цикл измерения повторится и вно содержимое реверсивного счетчика 1 уменьшится на единицу. Импульс и с выхода делителя 1 поступает на вход элемента 18 задержки. Импульсы и, с первого выхода элемента 18 задержки, задержанные на время д относительно и пульсов ,подаются для обнуления счетчиков 10 и 11, подготавливая их тем самым к новому циклу работы Импульсы и с второго выхода элемента 18 задержки, задержанные на время (32 ) относитель но импульсов и,,подаются на делитель 16 частоты и триггер для уста новки их в исходное состояние. Приведенные на фиг.2 временные диаграммы рассмотрены для случая, когда делитель 16 осуществляет дел ние на пять (), а счетчики 10 11 считаются заполненными, если на вход каждого из них поступило пять импульсов (), т.е. . При из рениях в условиях помех логика устройства может быть реализована при п К. Во втором случае (фиг.2, интервал времени ) выполняются неравенства Ux довательно, в пороговых элементах 1 и 2 входным сигналом U будет пр вышен уровень опорного напряжения 7710 на их выходах появятся импульсы превышения порога и и Ug под воздействием которых формирователи 4 и 5 сформируют импульсы стандартной амплитуды и длительности Ug И .. При одновременном воздействии этих сигналов на входах элемента 7 совпадения на его выходе появятся импульсы и. , поступающие на вход первого счетчика 10. Одновременно импульсы Ug с выхода второго формирователя 5 поступают на вход второго счетчика 11. После заполнения счетчика 10 на его первом выходе появится разрешающий потенциал U. для элемента И 12, а на его втором выходе будет установлен нулевой потенциал U, исключающий прохождение импульсов с делителя 16 на выход элемента И 13. В то же время этот импульс и через элемент И 12 пройдет на вход суммирования реверсивного счетчика 14 (импульс и„) и увеличит его содержимое на единицу. При допусковом контроле напряжения наличие импульса на выходе элемента И 12 характеризует уход контролируемого напряжения за пределы интервала допуска в сторону увеличения напряжения, т.е. а верхнюю границу допуска. Цифровой код с выхода реверсивного счетчика 14 подается на источник 9 напряжения , в результате чего его выходное напряжение увеличивается на дискрету регулирования ли, а следовательно, и изменятся напряжения U В результате работы схемы регулирования опорного напряжения,изменяющегося с дискретностью ли в диапазоне измерения, устанавливается режим (фиг.2, интервал времени ), при котором U а Ux Следовательно, в первом пороговом элементе 1 уровень порога V входным сигналом U превышен не будет и импульсы U-J на его выходе, а также на выходе формирователя 4 Uu будут отсутствовать. Во втором пороговом элементе 2 входной сигнал и превысит уровень порога и QP2 и на его выходе появятся импульсы и, превышения порога, .под воздействием которых формирователь 5 сформирует импульсы U, стандартной амплитуды и длительности. которые подаются на второй вход элемента 7 совпадения и второй счетчик 11 и заполняют его. Сигнал и на выходе элемента 7 будет отсутствовать, поскольку отсутствует сигнал Uo на первом входе элемента 7. Обнуленный перед измерением счетчик 10 сохраняет свое состояние, вследствие чего поз воздействием его выходных сигналов и ,,2 и и первый элемент И 12 будет закрыт, а второй элемент И 13 будет открыт. Импульс U с выхода делителя 16 пройдет через элемент И 13 на вход элемента 8 (импульс ), однако на его выход сиг нал не пройдет, поскольку на первый вход элемента 8 запрета с выхода заполненного счетчика 11 будет пода запрещающий потенциал , . Отсутствие импульсов одновременно с выходов элемента 8 запрета и элемента И 12 при работе устройства в режиме допускового контроля свиде тельствует о нахождении входного контролируемого напряжения в пределах допуска. В этом случае состояние реверсив ного счетчика 14 не изменится и его содержимое будет характеризоват амплитудное значение измеряемого напряжения U. Цифровой отсчет амплитуды иу может быть проведен непосредственно на основании цифрового кода с выхода реверсивного счетчика (выход 20), либо путем измерения постоянного напряжения на выходе источника 9 с помощью цифрового вольтметра постоянного тока., подключаемого к выходу 21. Непосредственный отсчет, показа-; НИИ с использованием цифрового кода счетчика 14, целесообразно производить в том случае, когда источник 9 напряжения вьфабатывает калиброванное ступенчато-изменяющееся напр жение с дискретностью регулирования ди, задаваемой с высокой точностью. В том случае, если к источнику 9 не предъявляется жестких требований к точности вьфабатываемого напряжения, результат измерения может быть получен путем подключения к выходу 21 предлагаемого устройства цифрового вольтметра постоянного то ка. В устройстве для осуществления уравновепивания измеряемого (кон712тролируемого напряжения используется два постоянньгх компенсирующих напряжения и процесс уравновешивания считается завершенным, если одно из этих напряжений и, будет превьш1ать амплитудное значение входного сигнала, а второе U будет менее этого значения в течение нескольких периодов измеряемого напряжения. Решение о завершении уравновешивания принимается не по одному. значению амплитуды входного сигнала в некоторый момент времени, в который может воздействовать и случайная помеха, а в результате анализа некоторого количества периодов входного сигнала, а значит и нескольких значений амплитуды этого сигнала. Для устройства решение о завершении уравновешивания прийимается в результате подсчета счетчиками 10 и 11 числа амплитудных значений измеряемого сигнала, превысивших соответствующие опорные уровни U и . При воздействии случайных помех, приводящих к искажениям от дельньк значений амплитуды входного сигнала, процесс уравновешивания в предлагаемом устройстве считается завершенным, когда выполняется определенная логика. С этой целью емкости счетчиков 10 и 11 могут приниматься меньшими количества периодов измеряемого сигнала. При этом чем выше уровень помех, тем больше эти отличия. Уменьшение емкости счетчиков 10 и 11 по сравнению с количеством анализируемых периодов измеряемого сигнала способствует тому, что из анализа исключаются те значения сигнала, которые подвержены влиянию помех. Вследствие этого оказьюается возможным повысить помехозащищенность устройства. Таким образом, устройство осуществляет не только допусковый контроль, но и производит измерение амплитуды переменного напряжения в условиях воздействия случайных помех с высокой точностью, что значительно расширяет функциональные возможности устройства и позволяет использовать его в автоматизированных системах контроля и измерения напряжений переменного тока.

ДВУХПОРОГОВОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ АМПЛИТУДЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее первый и второй пороговые элементы, первые входы которых соединены между собой, источник опорного напряжения, выход которого соединен с входом аттенюатора, первьй выход которого соединен с вторым входом первого порогового элемента, а его второй выход соединен с вторым входом второго порогового элемента, выход первого порогового элемента через первый формирователь импульсов соединен с первым входом элемента совпадения, выход второго порогового элемента через второй формирователь импульсов соединен с вторым входом элемента совпадения, а также элемент запрета, отличающееся тем, что, с целью повьшения помехозащищенности и расширения функциональных возможностей путем измерения амплитуды переменного напряжения, в него введены первый и второй счетчики, ключевой элемент, первый и второй элементы И, реверсивньй счетчик. последовательно соединенные дополнительный формирователь импульсов, делитель частоты и триггер, элемент задержки и формирователь импульсов синхронизации, причем выход триггера соединен с вторым входом ключевого элемента, выход элемента совпадения соединен с входом первого счетчика, выходы которого соединены соответственно с первыми вхо.дами первого и второго элементов И, выход второго формирователя импульсов соединен с входом второго счетчика, выход которого соединен с первым входом элемента запрета, выход первого элемента И соединен с входом суммирования ревер(Л сивного счетчика, а выход второго элемента И соединен с вторым входом элемента запрета, выход которого соединен с входом вычитания реверсивного счетчика, причем выход делителя частоты соединен с вторыми входами первого и второго элементов И и входом элемента задержки, со ел о первый выход которого соединен с входами установки нуля первого и второго счетчиков, а его второй выход соединен с вторыми входами делителя и триггера, а выходы реверсивного счетчика соединены соответственно с прямым и инверсным входами источника опорного напряжения,вход дополнительного формирователя соединен с входом ключевого элемента, а выход формирователя импульсов синхронизации соединен с третьими входами делителя частоты и триггера.