Устройство для измерения амплитуды переменного напряжения Советский патент 1985 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при автоматическом отсле живании уровня сигнала. Цель изобретения - повышение быстродействия, причем выигрыш в быстродействии возрастает с ростом числа разрядов реверсивного счетчика, т.е. с повьшением точности измерений, На фиг. 1 представлено устройств для измерения амплитуды переменного напряжения;на фиг.2 и 3 - воеменные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство содержит пороговые элементы 1 и 2, первые входы которы соединены через ключ 3 с шиной 4 входного сигнала, а вторые входы с соответствующими выходами аттенюатора 5, входом подключенного к выходу источника 6 опорного сигнала, управляющие кодовые входы которого подключены к выходам реверсивного счетчика 7, выходы элементов 1 и 2 через формирователи 8 и 9 соответственно соединены с входами элемента И 10, вькодом соединенного с первым входом счетчика 11, второй вход которого соединен с первым вых дом формирователя 12 измерительного интервала и с первым входом счетчика 13, второй вход которого подключен к первому входу элемента И 10, а выход - с первым входом элемента 14 запрета, второй вход которого подключен к выходу элемента И 15, первым входом подключенного к перво му выходу счетчика 11, второй выход которого подключен к первому входу элемента И 16, второй вход которого подключен к второму входу элемента И 15 и к второму выходу формировате ля 12, третий выход которого подключен к управляющему входу ключа 3 первый вход подключен к шине 4 вход ного сигнала, а второй вход - к выходу формирователя 17 синхроимпульсов, первый вход счетчика 18 соединен с вторььм выходом формирователя 12, второй вход соединен с выходом формирователя 17, первым входом реверсивного счетчика 7 и первым входом блока 19 триггеров, а кодовые выходы - с управляющими.выходами аттенюатора 5 и соответствующими входами блока 19, выходы которого соединены с кодовыми входами ключевого блока 20, первьв вход которого соединен с выходом элемента И 16 и с вторым входом счетчика 7, третий вход которого соединен с вторым вхог дом блока 20 и выходом элемента И 14, а кодовые выходы соединены с входами источника 6 опорного сигнала. Кроме того, формирователь 12 содержит формирователь 21 импульсов, делитель 22 частоты, триггер 23 и элемент 24 задержки. Блок 19 состоит из триггеров 19.1-19.k. Блок 20 содержит управляемые ключи 20.1-20.k. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии импульсом синхронизации с выхода формирователя 17, подаваемым на установочньй вход счетчика 18, производится его установка в нулевое состояние. Одновременно этим же импульсом, подаваемым на установочный вход реверсивного счетчика 7, производится установка старшего разряда этого счетчика в единичное состояние, а младших - в нулевое. В этом случае обеспечивается выработка источником 6 опорного напряжения соответствующего верхней границе диапазона измерения напряжения. Кроме того, поскольку счетчик 18 обнулен, то ослабление управляемого аттенюатора 5 первоначально устанавливается максимальным и таким, чтобы обеспечивалась дискрета регулирования Ап ---Oi i z L ji i i. где и max -гтяп границы диапазона измерения напряжения. Счетчики 11 и 13 в исходном состоянии нaxoдяtcя в обнуленном состоянии. На вход устройства подается измеряемое напряжение U (фиг.2а). Под действием импульса синхронизации Uj делитель 22 начинает подсчет импульсов частоты f, а триггер 23 устанавливается в единичное состояние, вырабатывая сигнал Ur. Под воздействием импульса Ur с выхода триггера 23 открывается ключ 3 и выходные колебания поступают на первые входы пороговых элементов 1 и 2 (и на фиг. 2б), на вторые входы которых .подаются опорные напряжения U 3 При измерениях возможны три различных случая соотношения измеряемого напряжения U(фиг.26) и опорных напряжений и,, и и . Для первого случая (интервал времени , на фиг. 2а) U U x второго случая (интер вал времени Сз на фиг. 2а) и Uon-, и и и,п2 В третьем случае (интервал времени tj - t4 на фиг.2а) U о х огм В начале измерений, когда подключен лишь один разряд реверсивного счетчика 7, дискрета регулирования выбирается равной половине диапазона, в котором может находиться измеряемая величина, а U устанавливается равным верхней границе диапазона измерения. В этой ситуации возможны лишь два случая из перечисленных, а именно первый и третий. Для первого случая, -т.е. когда UK опг 3 следовательно и U Uoni , уровень опорного напряжения в пороговых элементах 1 и 2 превьш1ен не будет, импульсы на выходах элементов 1 и 2 (соответственно на фиг. 2в,г), а значит и на выходах формирователей 8 и 9 (соответственно фиг. 2д,е), и элемента И 10 (фиг.2ж) будут отсутствовать. Счетчики 11 и 13 останутся в обнуленном состоянии. При этом на первом выходе счетчика 11 будет нулевой потенциал (фиг.2з), а на его втором выходе - разрешающий потенциал (фиг.2и) В результате этого элемент 16 будет закрыт по первому входу и импульсы с выхода делителя 22 (фиг.2к) на выход элемента 16 проходить не будут (фиг.2л). В то же время элемент 15 под воздействием разрешающего потенциала с второго выхода счетчика 11 (фиг.2и) будет открыт по первому входу и при появлении импульсов с делителя 22 (фиг.2к) они пройдут на выход элемента 15 (фиг.2м), а значи будут присутствовать на втором вход элемента 14 запрета,, на первом вход которого будет разрешанмций нулевой потенциал с обнуленного счетчика ,13 Следовательно, импульсы (фиг.2м) пройдут через элемент 14 запрета на вход импульсов вычитания блока 20. Одновременно с этим импульсом (фиг.2к), подаваемым на вход счетчи ка 18, содержимое последнего изменится на единицу. Под воздействием 4 4 выходного кода счетчика 18 ослабление управляемого аттенюатора 5 уменьшится в два раза, т.е. уменьшится разность значений Uoni представляющая дискрету регулирования и В процессе функционирования устройства выходной код счетчика 18 управляет ослаблением аттенюатора 5 и одновременно через блок 19 триггеров управляет блоком 20. При наличии на выходе счетчика 18 сигнала соответствующий триггер блока 19 устанавливается в единичное состояние и на его выходе вьфабатьюается сигнал, подаваемый на входы управления блока 20. Благодаря этому при появлении импульсов вычитания или суммирования на входах блока 20 они проходят на вход соответствующего разряда реверсивного счетчика 7. Так,до1я рассматриваемого первого случая, когда Uy с Ьоп2 и и Ugf,, на вход соответствующего разряда реверсивного счетчика 7 пройдет импульс вычитания. Этот же импульс будет поступать также и на вход вычитания старшего разряда реверсивного счетчика 7. При этом содержимое счетчика 7 уменьшится на единицу мпадшего разряда из подключенных разрядов и опорное напряжение на выходе источника 6 также уменьшится вдвое, т.е. Импульс с выхода делителя 22 (фиг.2н) поступает также на вход элемента 24 задержки. Импульсы с первого выхода элемента 24 задержки (фиг.2н), задержанные на время Т. относительно импульсов (фиг.2к), подаются для обнуления счетчиков 11 и 13, подготавливая их тем самым к новому циклу работы. Импульсы с второго выхода элемента 24 задержки (фиг.2о), задержанные на время Т 2/ 7j.2 7 , относительно импульсов фиг.2к, подаются на делитель 22 частоты и триггер 23 для установки их в состояние, соответствующее началу цикла. Приведенные на фиг.2 временные диаграммы рассмотрены для случая, когда делитель 22 осуществляет деление на (Kj,5), а счетчики 11 и 13 считываются заполненными, если на вход каждого из них поступило пять

импульсов (), т.е. . При измерениях в условиях помех логика устройства может быть реализована

при П Ка.

Во втором случае (фиг.2а5 интервал времени ) выполняются неравенства Uy Uon-1 и Ux опг Следовательно, в пороговых элементах 1 и 2 входным сигналом будет превышен уровень опорного напряжения и на их выходах появятся импульсы превышения порога (фиг.2в и 2г), под воздействием которых форг рователи 8 и 9 сформируют импульсы стандартной амплитуды и длительности (фиг.2д,е). При одновременном воздействии этих сигналов на входах элемента И 10, на его выходе появятся импульсы, поступающие на вход первого счетчика 11 (фиг.2ж). Одновременно импульсы с выхода формирователя 9 поступают на вход счетчика 13. После заполнения счетчика 11 на его первом выходе появится разрешающий для элемента И 16 потенциал, а на его втором выходе будет установлен нулевой потенциал, исключающий прохождение импульсов с делителем 2 на выход элемента И 15. В то же время импульс с делителя 22 через элемент И 16 пройдет на вход суммирования блока 20.

После заполнения счетчика 13 на его выходе появится потенциал единичного уровня (фиг.2п), под воздействием которого элемент 14 запрета окажется запертым и импульс на его выход не пройдет, т.е. импульс вычитания (фиг.2р) будет отсутствовать.

Импульсом с выхода делителя 22 изменяется состояние счетчика 18 на единицу. Аналогично рассмотренному случаю под воздействием нового кода счетчика 18 уменьшится вдвое одлабление аттенюатора 5 и появится разрешающий потенциал с блока 19 триггеров. Импульс с выхода элемент И 16 пройдет на вход суммирования очередного подключаемого разряда реверсивного счетчика 7, поступая независимо от этого также и на вход суммирования старшего разряда этого счетчика. При этом содержимое счетчика 7 увеличится на единицу младшего подключаемого разряда.

Однако, если подобная ситуация сложится в начале измерений или в процессе измерений, когда U

5 Г° изменения состояния счетчика 7 не произойдет. Дпя этого входы суммирования разрядов реверсивного счетчика 7, начиная со второго, блокируются потенциалом с выхода

0 установленного в единичное состояние старшего разряда счетчика 7.

I

В процессе измерений, когда U f

увеличение содержимого счетчика 7 приводит к изменению выходного кода счетчика на единицу младшего подключаемого разряда и, соответственно, к увеличению на дискрету регулирования опорного напряжения с выхода источника 6.

В третьем случае (фиг.2а интервал времени tj-t) может оказаться, что УХ оп1 и и . Ujn . Следовательно, в первом пороговом элементе 1

5 уровень порога Uo входным сигналом превышен не будет и импульсы на его выходе, а та-кже на выходе формирователя В будут отсутствовать. Во втором пороговом элементе 2 входной

0 сигнал превысит уровень порога U и на его выходе появятся импульсы превышения порога,под воздействием которых формирователь 9 сформирует импульсы стандартной амплитуды и

, длительности (фиг.2е), которые подаются на второй вход элемента И 10 и заполняют счетчик 13. Сигнал на выходе элемента 10 будет отсутствовать, поскольку отсутствует сигнал

д на первом входе элемента 10. Обнуленньм перед измерением счетчик 11 сохранит свое состояние, вследствие чего под воздействием его выходных сигналов элемент И 16 будет закрыт,

5 а элемент И 15 будет открыт. Импульс с выхода делителя 22 пройдет через элемент И 15 на вход элемента 14. Однако, на его выход сигнал не пройдет, поскольку на первый вход элемента запрета 14 с выхода заполнен0ного счетчика 13 будет подан запрещающий потенциал (фиг.2п).

В этом случае содержимое реверсивного счетчика не изменится и может характеризовать амплитудное значение измеряемого напряжения, но с погрешностью U, представляющей вначале большую величину.

При этом, как и для первых двух случаев, счетчик 18 изменит свое состояние на единицу, вследствие чего уменьшится вдвое ослабление аттенюатора 5 (т.е. дискрета регулирования ли) и с выхода соответствукмцего триггера блока 19 появится разрешающий потенциал. Однако из-за отсутствия импульсов с выходов элементов 14 и 16 содержимое реверсивного счетчика 7 не изменится, т.е. не изменится и значение опорного йапряжения на выходе источника 6, а значение опорного напряжения Ugn2 з втором выходе аттенюатора 5 изменится в соответствии с кодом, подаваемым на аттенюатор 5 с выходов счетчика 18.

При последующей работе при любом значении измеряемого напряжения рассмотренный алгоритм работы для трёх случаев сохраняется, каждый цикл содержимое счетчика 18 увеличивается на единицу. При этом соответственно в каждом цикле уменьшается ослабление управляемого аттенюатора 5, т.е. уменьшается дискрета регулировки.

Появление потенциала на вькоде очередного разряда счетчика 18 при;водит к дополнительному подключению соответствующих ключей в блоке 20, следовательно, и соответствующего .разряда реверсивного счетчика 7.

На фиг. 3 иллюстрируется алгоритм изменения дискреты регулирования ли при измерении амплитуды переменного напряжения Uy. В начале измерений диапазон измерения разбивается на две части, причем опорное напряжение Upni принимается равным верхней границе диапазона измерений Up(ji , а UQP равно середине диапазона измерения. Измеряемое напряжение и может либо попасть в интервал от U(,f,2 до Ugf, , либо находиться

за пределами этого интервала. Для приведенного на фиг.За случая Од попадает в интервал от Д oni (что соответствует рассмотренному

третьему случаю). При этом импульсы суммирования и вычитания не вырабатьшаются, состояние реверсивного счетчика 7 не изменяется, значение

и

сохраняется без изменения, а

от

Upn2 изменяется в соответствии с кодом, подаваемым на аттенюатор 5 со счетчика 18 (фиг.36), т.е. дискрета регулирования лИ уменьшается вдвое

(ли 9 и) . При этом оказываА

20 ется, что U выходит за пределы нового интервала от до Up . В этом случае вырабатывается импульс вычитания, содержимое реверсивного счетчика 7 уменьшается на единицу,

25 значение опорного напряжения U(,p уменьшается, уменьшается и дискрета регулирования (фиг.Зв).

Максимальное время уравновешивания предлагаемого устройства может

30 быть определено из выражения

-|j.,

™

I X

где m - количество разрядов реверсивного счетчика; Ко коэффициент деления делителя 22;

f - частота измерения напряжения.

Например, пусть Ка 5, f 50 Гц, m 7. Для этих условий максимальное время уравновешивания f составит

п -г wo It

0,7 с. eotxodi

Фи9. i 2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее первый и второй пороговые элементы, первые входы которых соединены через ключ с шиной входного сигнала, а вторые входы - с соответствующими выходами аттенюатора, входом подключенного к выходу источника опорного сигнала, управляющие кодовые входы которого подключены к выходам реверсивного счетчика, выходы пороговых элементов через соответствующие формирователи импульсов соединены с соответствующими входами первого элемента И, выходом соединенного с первым входом первого счетчика, второй вход которого соединен с первым выходом формирователя измерительного интервала и с первым входом второго счетчика, второй вход которого соединен с первым входом первого эл.емента И, а выход - с первым входом элемента запрета, второй вход которого подключен к выходу второго элемента И, первым входом подключенного к первому выходу первого счетчика, второй выход которого подключен к первому входу третьего элемента И, второй вход которого подключен к второму входу второго элемента И и к второму выходу формирователя измерительного интервала, третий выход которого подключен к управляющему входу ключа, первый вход подключен к шине входного сигнала, а второй вход - к выходу формирователя синхроимпульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него 5 введены третий счетчик импульсов, (Л блок триггеров и ключевой блок, причем первый вход третьего счетчика соединен с вторым выходом формирователя измерительного интервала, второй вход соединен с выходом формирователя синхроимпульсов, первым входом реверсивного счетчика и первым входом блока триггеров, а кодовые выходы с управляющими входами аттенюатора и соответствующими входами блока триггеров, выходы которого соединены с кодовыми входами ключевого блока, первый вход которого соединен с выходом третьего элемента И, с вторым входом реверсивного счетчика, третий вход которого соединен с вторым входом ключевого блока и выходом элемента запрета, а кодовые выходы соединены с входаьш источника опорного сигнала.

Uoni U7ie

П ПП nn

8iS

9

Ujil Utsi

Ufs

UIB

Ul7

Uj

Фиг. 2

on Uon3

Umi

fftkfr

UK

фиг. Э