Устройство для измерения отношения двух напряжений Советский патент 1986 года по МПК G01R19/10 G01R19/25 

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах и измерительных приборах.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения отношения двух напряжений; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства .

Устройство для измерения отношения двух напряжений содержит нуль-орган 1-4, три источника 5-7 опорного напряжения, причем источник 5 подключен к первому входу первого нуль-органа 1 , источник 6 - к первому входу четвертого нуль-органа 4, источник 7 через последовательно соединенные первый резистор 8 и первый управляе- мый коммутатор 9 - к выходу 0 устройства, к вторым входам всех нуль- органо в 1-4, и через конденсатор 11, зашунтированный последовательно соединенными вторым резисторО1у1 12 и вто .рым управляемым коммутатором 13, к общей шине, первые входы нуль-органов 2 и 3 соединены с первой 14 и второй 15 входными шинами соответственно, а шина 16 Пуск, через одно- вибратор 7 подключена к R-входу триггера 18 и 5-входу триггера 19, прямой выход которого соединен с первыми входами первых четырех элементов И 20-23 и с D-входом третьего триггера 24,5 -вход которого соединен с выходом нуль-органа 1,R -вход - с выходом нуль-органа 4, инверсный выход - с вторым входом элемента И 20, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 9, а прямо выход - с управляющим входом коммутатора 13, вторыми входами элементов И 2 - 23, 25 и с тактовым входом триггера 19, инверсный выход которого соединен с первым входом пятого элемента И 25, а D-вход с тактовым входом триггера 24 и выходом двоичного реверсивного счетчика 26, тактовые суммирующий и вычитающий входы которого соединены с выходами элементов И 22 и 25 соответственно, а вход Сброс соединен с R-входом и инверсным выходом четвертого триггера 27, D-ВХОД которого соединен с выходом элемента И 23, а тактовый вход с выходом нуль-органа 3, первым входом элемента ИЛИ 28 и третьим входом

элемента И 21, выход которого соединен сD-ВХОДОМ триггера 18, прямой мой выход которого является вп орым выходом 29 устройства, а инверсный

ВЫХОД соедине с третьим входом элемента И 22, четвертый вход которого соединен с третьим входом элемента И 25 и выходом генератора 30, а пятый вход - с выходом элемента ИЛИ 28,

второй вход которого соединен с третьим входом элемента И 23 и с выходом инвертора 31, вход которого соединен с выходом нуль-органа 2 и тактовым входом триггера 18.

Нуль-органы представляют собой операционные усилители и включены так, что на их выходе присутствует логический О, если напряжение на втором входе выше, чем на первом,

для первых трех нуль-органов, и ниже, чем на первом, для четвертого нуль-органа. Реверсивный двоичный счетчик, логическая 1 на выходе которого указывает на нулевое значение счетчика, - любой двоичный счетчик, на выходе которого установлена схема определения нуля.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии после включения питания триггера 19 и 24 и счетчик 26 сбрасывают в ноль (цепь сброса не показана). При этом оба управляемых коммутатора разомкнуты

и конденсатор I1 находится в режиме хранения.

При подаче сигнала по шине 16 Пуск одновибратор 17 в момент t

(фиг.2) вырабатывает короткий отрица- тельньш импульс, который устанавливает триггер 19 в единицу (фиг.22), а триггер 18 в ноль (фиг.2и5о). Логическая 1 с выхода элемента И 20

замыкает первый управляемый коммутатор 9, и конденсатор 11 начинает заряжаться, стремясь к напряжению DO источника 7 опорного напряжения (фиг.2). В момент времени t, когда напряжение на конденсаторе 11 достигает уровня напряжения источника 5 опорного напряжения, срабатывает нуль-орган 1 (фиг.2&), ноль с вьжода которого rto S-входу устанавлквает триггер 24 в единицу, замыкая управляемый коммутатор 13 и размыкая управляемый ком1-1утатор 9. В результате напряжение на конденсаторе 11 начинает экспоненциально падать

с о. )

где С - постоянная времени цепи разряда конденсатора 1 1 ; t - время.

Положительный фронт на прямом выходе триггера 24 подтверждает единичное состояние триггера 19, на D-входе. которого присутствует логическая 1 с выхода счетчика 26, указывающая на то, что содержимое счетчика .

Через открытый элемент И 22 с генератора 30 на суммирующий вход двоичного счетчика 26 поступают импульсы, осуществляя отсчёт времени (фиг.2,k).

Рассмотрим случай, когда U V Когда напряжение Ц. на конденсаторе сравнится с и в момент времени t, срабатывает нуль-орган 2 (фиг. 2е), подтверждает нулевое состояние триггера 18, а через инвертор 31 и элемент ИЛИ 28 закрывает элемент И 22 и запрещает процесс счета счетчиком 26, в котором находится код, пропорциональный интервалу времени . В момент времени ц, когда напряжение на конденсаторе 11 падает до значения U2 срабатывает нуль- орган 3 (фиг.2х) и через элемент ИЛИ 28 открывает элемент И 22. Процесс счета Продолжается. В момент времени t , когда напряжение на конденсаторе падает до значения напряжения U(,2 источника 6 опорного напряжения , срабатывает нуль-орган 4 (фиг.28), который устанавливает триггер 24 в нулевое состояние (фиг.2л), в результате чего коммутатор 13 размыкается, а коммутатор 9 замыкается и опять запирается элемент И 22 Поэтому конденсатор начинает заряжаться (фиг.) а счетчик хранит код, пропорциональный времени Т, -Т (t--t) + (tg-tj). Подставив в выражение (1) и -Ti/f

. довательно,

откуда

2, получают УМ Ti/C

01

, а сле-г In Uo,

Аналогично

т. - «„ J 263234

Во время заряда конденсатора срабатывания нуль-органов на работу схемы не влияют.

В момент времени t , когда напряо

5 жение на конденсаторе 11 повторно достигает значения, равного Up, , срабатывает нуль-орган 1 (фиг.2 5) и устанавливает триггер 24 в единицу (фиг.2), а по фронту сигнала триг 10 гера 24 триггер 19 перебрасывается в нулевое состояние (фиг.22 ), так как на его D-входе присутствует логический О с выхода счетчика 26, указывающий, что в счетчике код N отличен от

5 нуля. При этом открывается элемент И 25 и и myльcы с генератора 30 поступают на вычитающий тактовый вход счетчика 26, коммутатор 9 размыкается, а коммутатор 13 замыкается и кон0 денсатор 11 опять начинает разряжаться по закону (1). Срабатывание нуль- органов на работу схемы не влияет.

Через время Т - Т в момент t,, содержимое счетчика 26 уменьшается до

5 нуля (фиг.2о) и на его выходе возникает логическая 1, что приводит к установке триггера 24 в нулевое состояние (фиг.2). При этом размыкается коммутатор 13 и конденсатор 11

0 хранит значение выходного напрял;ения вых определения gt-if производят следующие операции.

Подставляют в выражение (1) зна- t из выражений (2) и

чения и и с

(3):

и

t т -т с ij 1,

Bbin

-1 «

с in

i;

Uo

1 и, .

In --

02

лп„ио1 r, и,

ьКПтт--апг- iJoi Uj

-бг

0

Хе

Usb-r o e

и

01

,е У, У1,

ПТТ тт«

02

Ц

0(

z и

(4)

и,

вы

К и,

Как видно из выражения (4), при отношении, равном единице, при U

и.

выходное напряжение 1) U

а Т, при этом стремится к нулю

, счетчик достигает нуля лишь в момент равенства ,Uo2

Максимально возможное отношение больше единицы при условии, что

и,

55

М

и,

и„ и

07

При этом Ug,,

02

и

01

Т.

Т - 2.

О;

Uo( , а

У

Uo2

Ugb,

Следовательно,при U U, на что указывает логический

О на дополниS1226323

тельном выходе 29 устройства (фиг.2«) минимальному значению отношения напряжений, т.е. единице, соответствует минимальное выходное напряжет

вы

ние, равное Up,j , а максимально возможному измеряемому отношению, т.е.

Ud -г:-, соответствует максимальное

Uo2

выходное напряжение, равное U, ,.

Рассмотрим случай у когда U U. В момент времени t, когда и - И, срабатывает нуль-орган 3 (фиг. 2 т.) и устанавливает в единичное состояние триггер 27, на инверсном выходе которого возникает нуль, сбрасывающий счетчик 26 (фиг.2х) в нуль и триггер 27, после чего счетчик 26 продолжает считать, начиная с нуля. В момент времени t , когда 1 U , срабатывает нуль-орган 2 и устанавливает в единицу триггер 18 (фиг.2о) запирая элемент И 22. Счетчик переходит в режим хранения кода N, пропорционального времени ,-t. С учетом выражений (2) и (3) и U, И

(5)

TI

. in остальном схема работает аналогично варианту, когда U Ug. В мо- момент времени t7, когда содержимое счетчика 26 уменьшается до нуля (фиг. 2 1C ), на выходе фиксируется напряжение, пропорциональное отношению входных напряжений. Подставим выражение (5) в выражение (1)

и

и Up, е йых °

yj.

Of Ui

II - к i- еь,х- 2 и.

и

о

-

(6)

При Uj Uj, когда отношение равно единице, Uewx Uo и максимально.

Минимально возможное отношение будет при условии и U(J2. 5 U,j, Up .

УО и

и.. °2

При этом и Up

JOi

Следовательно, при V , на что

ti 11t

указывает логическая 1 на дополнительном выходе 29 устройства (фиг.2о), максимальному значению отношения напряжений, т.е. единице, соответствует максимальное вьо:одное на0(

а минимально

пряжение, равное U

возможному измеряемому отношению.

Uo2

т.е. --соответствует миниь{альное

w

выходное -напряжение, равное U.

Следующий цикл измерения начинает

5 ся после подачи сигнала на шину 16 Пуск и протекает аналогично.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения отношения двух

напряжений обладает повышенной точ 0 ностью измерения за счет расширения динамического диапазона выходного напряжения, которое на протяжении измерения входного Отношения от минимального до максимального изменяется от

15 минимума до максимума два раза (в отличие от известного, где такое из- менеиие происходит один раз). При этом на дополнительном выходе уровень напряжения указывает на U U или

20 и i; Uj, 5 т.е. отношение больше или меньше единицы, а следовательно, указывает какой шкалой отсчета пользоваться .

25

Формула изобретения

Устройство для измерения отношения двух напряжений, содержащее четыре нуль-органа, три источника опорного напряжения, первый из которых подключен к первому входу первого нуль-органа, второй - к первому входу четвертого нуль-органа, третий - через последовательно соединенные первый резистор и первый управляемый коммутатор подключен к выходу устройства, к вторым входам всех четырех нуль-органов и через конденсатор, зап1унтированный последовательно соединенными вторым резистором и вторым управляемым комг 1утатором, к обшей шине, первые входы второго и третьего нуль-органов соединены с первой и второй входными шинами соответственно, а таклсе шину Пуск элемент ИЛИ и

первый триггер, тактовый вход которого соединен с выходом второго нуль

органа, отлкчаюш;ееся

тем.

что 5 с целью повьш ения точности изме- рения5В него дополнительно введены три D-триггера, пять элементов И, инвертор, одновибратор, генератор импульсов, двоичный реверсивный счетчик, причем шина Пуск через одно- вибратор соединена с R-входом первого триггера и S-входом второго триггера, прямой выход которого соединен с первыми входами первых четырех эле71

ментов И и с D-ВХОДОМ третьего триггера, S-вход которого соединен с выходом первого нуль-орг-ана, R-вход - с выходом четвертого нуль-органа, инверсный выход - с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, а прямой выход - с управляющим входом второго коммутатора, вторыми входами второго, третьего, четвертого и пятого элементов И и с тактовь1М входом второго триггера, инверсный выход которого соединен с первым входом пятого элемента И, а D-вход - с тактовым входом третьего триггера и выходом двоичного реверсивного счетчика, тактовые суммирующий и вычитающий входы которого соединены с выходами третьего и пятого элементов И соответственно.

Редактор О.Головач

Фмг.2

Составитель С.Кабиков Техред Л.Олейник

Заказ 2125/42Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

.Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

263238

а вход Сброс соединен с R-входом и выходом четвертс1.го триггера, D- вход которого соединен с выходом четвертого элемента И, а тактовый вход - 5 с выходом третьего нуль-органа, первым входом элемента ИЛИ и третьим ВХОДОМ второго элемента И, выход которого соединен с D-входом первого триггера, прямой выход которого является вторым выходом устройства, а инверсньш выход соединен с третьим входом третьего элемента И, четвертый вход которого соединен с третьим входом пятого элемента И и выходом генератора, а пятый вход - с выходом элемента ИЛИ, второй вход ко.то- рого соединен с третьим входом четвертого элемента И и с выходом инвертора, вход которого соединен с выходом второго нуль-органа.

10

15

20

Корректор С.Черни

Изобретение может быть использовано в аналоговых вычислительных машинах и измерительных приборах. Цель изобретения - повьшение точности измерения. Устройство содержит нуль-органы 1-4, источники 5-7 опорного напряжения, резисторы 8 и 12, управляемые коммутаторы 9 и 13, конденсатор 11, входные шины 14 и 15, шину 16 Пуск, одновибратор 17, триггеры 18, 19, 24 и 27, элементы 20-23 и 25 И, двоичный реверсивный счетчик 26, элемент 28 ИЛИ, генератор 30, инвертор 31, выходы 10 и 29 устройства. Введение в устройство триггеров 19, 24 и 27, пяти элементов И, инвертора, одновибратора, генератора импульсов, двоичного реверсивного счетчика и образование новых связей между элементами устройства позволило расширить динамический диапазон выходного напряжения, которое на протяжении измерения входного отношения от минимального до максимального изменяется от минимума до максимума 2 раза. 2 ил. Q S сл &9 N:) 00