Способ измерения среднего значения периодических сигналов Советский патент 1986 года по МПК G01R19/02 

f

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при построении аппаратуры, измеряющей среднее значение периодических сигналов, а также другие интегральные характеристики периодичес ких сигналов (среднее по модулю и действующее значения, активную и реактивную мощность).

Целью изобретения является расширение частотного диапазона измеряемых сигналов за счет увеличения верхней границы диапазона частот измеряемых сигналов.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - функциональная схема арифметико-логического блока,- на фиг. 3 - функциональная схема блока управ; ения; на фиг. 4 - зависимость абсолютной погрешности одного измерения от частоты переменной составляющей входного сигналаj на фиг. 5 - зависимости абсолютных погрешностей трех измерений от частоты переменной составляющей входного сигнала.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит дискрети- затор 1, вход которого является входом устройства, а выход подключен к первому входу умножителя 2, выход которого через сумматор 3 подключен к первому входу арифметико-логического блока 4, вькод которого является выходом устройства, генераторы 5, 6 и 7 тактовой частоты, выходы которых подключены к входам ключей 8, 9 и 10 соответственно, выходы ко- .торых объединены и подключены к управляющим входам дискретизатора 1, генератора 11 весовой функции и входу блока 12 управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к второму, третьему, четвертому и пятому входам блока 4, пятый выход блока 12 подключен к входам установки в нуль сумматора 3 и генератора 11, шестой, седьмой и восьмой выходы блока 12 подключены к управляющим входам ключей 8, 9 и 10 соответственно, выход генератора 11 соединен со вторым входом умножителя 2.

Арифметико-логический блок 4 содержит элементы 13-15 выборки и запоминания, входы которых объединены и обра2050362

зуют первый вход блока,элемент 16 выборки и запоминания, причем выходы эле-, ментов 13, 14 и 15 подключены к первым входам элементов 17, 18 и 19

5 вычитания соответственно, выходы элементов 17, .18 и 19 подключены к первым входам элементов 23, 24 и 25 сравнения через формирователи 20, 21 и 22 модуля соответственно,

10 вторые входы элементов 23, 24 и 25 объединены и подключены к источнику уставки, выход элемента 24 соединен с первым входом элемента И 26 и вторым входом элемента И 27, выход мента 23 соединен с первым входом элемента И 27 и .вторым входом элемента И 28, выход элемента 25 соединен с вторым входом элемента; ,. И 26 и первым входом элемента И 28,

2Q выход элемента И 26 подключен к первому входу элемента ИЖ 29 и к управляющему входу ключа 30, выход элемента И 27 подключен к второму входу элемента ИЛИ 29 и к управляющему

25 входу ключа 31, выход элемента И 28 подклю чен к третьему входу элемента ИЛИ 29 и к управлякнцему входу ключа 32, вход ключа 30 соединен с выходом элемента 15 и вторым входом элемента.

2 18, а выход - с перв ьм входом сумматора 33, вход ключа 31 соединен с выходом элемента 14 и вторым входом элемента 17, а выход - с вторым входом сумматора 33, вход ключа 32 соединен с выходом элемента 13 и вторым входом элемента 19, а выход - с третьим входом сумматора 33, выход которого через последовательно соединенные регулируемый усилитель 34 и элемент 16 подключен к выходу блока, управляющий вход усилителя 34 подключен к выходу элемента ИЛИ 29, управляющие входы элементов 13, 14, 15и 16 образуют соответственно второй, третий, четвертый и пятый входы блока.

Блок 12 управления содержит счетчик 35, счетный вход которого является входом блока, а выход подключен к входу установки в Г триггера 36, прямой выход которого подключен

5- к входу установки в 1 триггера 37, а инверсный - к первому входу элемента И 38, инверсный триггера 37 соединен с вторыми входами элементов И 38 и 39, первый вход элемен5- та И 40 подключен к инверсному выходу триггера 36, второй вход - к прямому выходу триггера 37, первый вход элемента И 39 соединен с прямым

35

40

45

выходом триггера 36, выходы элементов И 38, 39 и 40 образуют соответственно шестой, седьмой и восьмой выходы блока и подключены к первым входам элементов И 41, 42 и 43 соответственно, первый и второй входы элемента И 44 соединены с прямыми выходами триггеров 36 и 37 соответственно, вход элемента 45 задержки соединен с вторыми входами элементо И 41, и 43. с входом обнуления счетчика 35 и вькодом элемента 46 задержки, вход элемента 46 подключен к выходу счетчика,35, выход элемента И 44 подключен к входам обнуления триггеров 36 и 37 и входу элемента 47 задержки, выходы элементов 41, 42, 43, 47 и 45 образуют соответственно первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы блока

Предлагаемый способ заключается в том, что на интервале первого измерения через равные промежутки времени производят N выборбк мгновенных значений измеряемого сигнала и,;. Синхронно выборкам формируют значения весовой функции и0ф ц. Значения и и перемножают, полученные результаты суммируют. По окончании интервала измерения фикси руют результат суммирования. Таким образом, формируется результат первого измерения

X, g .

Затем производят второе и третье измерения, алгоритм которых аналогичен алгоритму первого. Частоты выбо рок значений измеряемого сигнала устанавливают различными.

Искомое среднее значение измеряемого сигнала определяют путем сравнения результатов трех измерений X,, Xj и Xj и их выборочного усреднения в соответствии с следующими вьфажениями:

Х,- ХгХ

2Л,

(1)

если выполняется не менее двух из следующих условий: й i Xg, Л2 Х, &з Xg-,

у - Х| + Хг

ср2

(2)

если выполняются условия д, X , Л,, Х, Л

X

X г + X,

(3)

выполняются условия Л, Xg, Х, Л,. Х + X,

X,

р

X

(4)

если выполняются условия X , А, Xg, д, Xg, ьз е, где Xg - заданная установка, Л, 1Х, - Xjl U2 1X5 - Хз1 Д, IX, - Хз|.

Устройство для реализации спосо- ба работает следующим образом.

Измеряемое напряжение Ug(tJ поступает на вход дискретизатора 1, который осуществляет выборку его мгновенных значений в моменты времени, определяемые приходом импульсов тактовой частоты f . Полученные значения поступают на первьш вход умножителя 2, на второй 5 вход которого с генератора 11 весовой функции поступает сигнал весовой функции и . В сумматоре 3 накапливается конечная сумма N произведений Ugjj. на Ug

30

X , ., и,; и,;

(5)

Максимальная абсолютная погреш- ность измерения &ji, в этом случае определяется амплитудой U и частотой fp переменной составляющей входного сигнала, а также спектральной характеристикой весовой функции. Для определения среднего значения периодического сигнала используем,

например, весовую функцию Дольфа- Чебьппева, поскольку она обеспечивает максимальный диапазон рабочих частот при заданной погрешности измерения. В этом случае зависимость

модуля й от частоты f имеет вид, представленный на фиг. 4, где „ и fg обозначают соответственно нижнюю и верхнюю границы рабочего диапазона частот, за пределами которого погрешность измерения по абсолютному значению превышает заданный уровень А |д , который определяет предельную погрешность одного измерения, причем g f - „.

Согласно предлагаемому способу осуществляются три последовательных змерения, результаты которых Х, Х, Хз выборочно усредняются согласно

5.

вьфажениям (1)-(4) в арифметико-логическом блоке 4. Каждое измерение проводится с использованием своей тактовой частоты f , ff,,H f-j- соответственно. Выбор тактовой частоты осуществляется блоком 12 управления, который в течение каждого измерения отпирает последовательно один из ключей 8, 9 или 10. Зависимости модуля максимальной абсолютной погрешности измерения от частоты „ для этих трех измерений при f т, т представлены на фиг. 5, Тактовые частоты выбираются из следующих неравенств:

,

- f. - f

i2

r - fu - f.

3

в этом случае области частот, в которых погрешности измерений превышают некоторое значение А., , для первого, второго и третьего измерений разнесены. Совпадение этих областей для первого и третьего измерений имеет место при частоте, равной

К

f (К + 1)f

где К - коэффициент, характеризующий относительное увеличение верхней рабочей частоты и равный

К

-Тэ

fr - ft

4 I I а

М 3

Совпадение этих областей для пер .него и второго, а также второго и третьего измерений имеет место на более высокой частоте, поскольку для этих случаев коэффициент К име- ет большее значение.

Таким образом, на любой частоте в диапазоне частот от f f, до fg (K+1)f-i--f Погрешности

,как минимум двух измерений из трех не превышают по модулю Л2о Поскольку знак погрешности каждого измере кия при изменении частоты изменяет- ся, при. последующем выборочном усреднении уставка Х устанавливается равной 2 й,(о. Предлагаемое выборочное усреднение результатов трех измерений по формулам (О-(4) исключает результат измерения, содежащий повышенную абсолютную погрешность. В худшем случае в указанном диапазоне частот может иметь место частота, для которой погрешности

205036 .6

двух измерений равны , а погрешность одного измерения равна 3 , При выбранной уставке все три результата участвуют в формировании 5 результата измерения искомого среднего значения по формуле (1), погрешность измерения которого равна

10

пр..

А 20 20 4 Э& 20 : А .

33 20

Арифметико-логический блок 4 . работает следующим образом.

Результаты трех измерений, запомненные элементами 13-15 выборки 5 и запоминания попарно вычитаются на элементах 17-19 вычитания. Формирователи 20, 21, 22 модуля выделяют абсолютные значения разностей &. , Д , J 9 которые сравниваются 0 с уставкой X на элементах 23, 24, 25 сравнения. Если выполняется не менее двух из следующих неравенств: Л, t X , Л;, Х, л J X , тона выходе элементов 23, 24, 25 сравнения 5, формируются сигналы низкого уровня которые через элементы И 26, 27, 28 открывают ключи 30, 31, 32 и через элемент ИЛИ 29 устанавливают коэффи-, циент передачи усилителя 34 равным д 1/3. В результате сигналы X,, Х-, Xj через ключи 30, 31, 32 поступают на сумматор 33, суммируются, умножаются на коэффициент 1/3 и запоминаются на элементе 16 выборки и запоминания. Если только одна из величин д, , д , &. rj не превьшает Xg, то сигнал низкого уровня формируется на выходе лишь одного элемента сравнения в результате чего открьша- Q ются только два ключа из трех и

элемент ИЛИ 29 переходит в противоположное состояние, устанавливая коэффициент передачи усилителя 34 равным 1/2. В этом случае суммируют- j ся лишь два результата измерений из трех Х , Х, X,j, которые затем умножаются на коэффициент 1/2 и запоминаются элементом 16 выборки и запоминания.

Блок 12 управления работает сле5

0

5

дующим образом.

Предположим, что счетчик 35 и триггеры 36, 37 находятся в нулевом состоянии (другое исходное состояние указанных элементов влияет лишь на переходный процесс после включения питания и не отражается на установившемся режиме работы). При этом

сигналы высокого уровня с инверсных выходов триггеров 36, 37 через элемент И 38 открывают ключ 8. Сигналы низкого уровня на выходе элементов И 39, 40 закрывают ключи 9, 10. Импульсы от генератора 5 тактовых импульсов через открытый ключ 8 поступают на управляюпщй вход дискретиза- тора 1, который осуществляет выборку мгновенных значений измеряемого напряжения, на управляющий вход генератора 11 весовой функции, который вырабатывает сигналы весовой функции на счетный вход счетчика 35. Емкость счетчика 35 соответствует требуемому объему выборки N. После прохождения на вход счетчика 35 N импульсов на его выходе формируется перепад напряжения, который переводит триггер 36 в единичное состояние. В результате на выходе элемента И 38 формируется сигнал низкого уровня, закрывающий ключ 8, а на выходе элемента И 39 - сигнал высокого уровня, откры- вающий ключ 9. Перепад напряжения с выхода счетчика 35 через элемент 46 задержки (время задержки превышает сумму задержек срабатывания триг- гера и элемента И) поступает на вход обнуления счетчика 35; через элемент И 42 на управляющий вход элемента 14 выборки -; запоминания, оторый осуществляет запоминание первого результата измерения Х, через элемент 45 задержки (время задержки превышает сумму задержек срабатывания элементов И и выборки и запо 1инания) на входы установки в нулевое состояние сумматора 3 и генератора 11 весовой функции. Так заканчивается формирование первого результата измерения Х/.

После поступления на вход счетчика 35 еще двух серий из N импульсов аналогично формируются еще два результата измерений Х, Х;, кото050368

рые запоминаются в элементах 15 и 13 выборки и запоминания. Окончание третьего измерения соответствует переходу триггеров 36, 37 в 5 единичное состояние, в результате чего на выходе элемента И 44 формируется сигнал высокого уровня, который возвращает триггеры 36j 37 в нулевое состояние и через элемент 47 10 задержки поступает на управляющий вход элемента 16 выборки и запоминания. Время задержки выбирается

больше времени задержки формирования результата измерения Х,. в ариф- 15 метико-логическом устройстве.

Предлагаемый способ измерения . среднего значения периодических сигналов обеспечивает существенное увеличение верхней границы диапазо- 20 на рабочих частот измеряемого сигнала при неизменной его нижней границе.

Способ может быть использован для измерения не только среднего значения периодических сигналов, но и других интегральных характеристик периодических сигналов. При этом результаты каждого из трех измерений определяют не по формуле (5), а по следующим формулам:

N

25

30

и,

ftxi

и„

при измерении среднего по модулю 35 значения периодических сигналов;

N

X H. и

при измерении действующего значения периодических сигналов;

X |,и.; (

при измерении активной мощности.

Далее следует произвести выборочное усреднение по формулам (1)-(4).

.сff

ffT} d/ioxa ynpoS/jeHufl Фиг 2.

1205036

На apu pf ema/fO /tozuvecftu 6/тон

/4W

J

Ua

Hl

Ua

20

Ч

g -v-vy v V V V rHI

(/a

f

ГУЛГУ- ГУ -У УKfT fi

/Д

///5

/гз

Редактор И.Рыбченко

Составитель С,Рыбин Техред Л.Микеи

Заказ 8581Тираж 747Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035,, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д, 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

4

мг.5

Корректор С.Шекмар