Цифровой измеритель напряжения Советский патент 1986 года по МПК G01R13/02 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может найти применение в системах, подвергающихся воздействию помех.

Цель изобретения - повышение том- ности и помехозащищенности при одновременном упрощении структуры измерителя..

На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового измерителя; на фиг.2- временные диаграммы работы блока управления; на фиг. 3 - весовая функция измеряемое входное напряжение с помехой и выходной сигнал преобразователя напряжения в частоту.

Цифровой измеритель напряжения содержит первый и второй переключатели 1 и 2, усилитель 3 с изменяемым коэф фициентом передачи, дифференциальный интегратор 4, блок 5 выборки и хранения, преобразователь 6 напряжения в частоту (ПНЧ), ключ 7 счета, счетчик 8 импульсов, формирователь 9 периода питающей сети, блок 10 управления, ко торый состоит из счетньпс триггеров 11 и 12 и логических элементов ИЛИ-НЕ 13 и И 14.

Входной сигнал х через первьш вход переключателя 1 подается на усилитель 3 с изменяемым коэффициентом передачи, выход которого через второй переключатель 2 соединяется с входами дифференциального интегратора 4. Выход и«тегратора 4 через блок 5 выборки и хранения соединяется с входом ПНЧ 6, выход которого через ключ 7 соединен с входом счетчика 8 импуль сов. Выход ПНЧ 6 соединен с вторым входом переключателя 1. Управляющие входы переключателей 1 и 2, ключа 7 и блока 5 выборки и хранения соединены с первым выходом блока 10 управления, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входом ус тановки в О счетчика 8 импульсов, с управляющими входами усилителя 3. Вход блока 10 управления соединен с- выходом формирователя 9 периода питающей сети, вход которого соединен с щиной питающего напряжения Uc.

Выходной сигнал формирователя 9 подается на входы счетного триггера 11 и элемента ИЛИ-НЕ 13. Сигнал с выхода элемента ИЛИ-НЕ 13 подается на счетный триггер 12, инверсный выход которого соединен с первым входом элемента И 14. На другой вход элемента И 14 подается ригнал с выхода элемента ИЛИ-НЕ 13. Прямой выход триг„

гера. 12, выход элемента И14 и прямой выход триггера 11 являются первым,- вторым и третьим вькодами блока 10 управления соответственно.

В новой модификации метода итерационной коррекции в отличие от из- вестньк итерационных структур повышение точности устройства достигается без использования преобразователя код - напряжение (ПКН), что позволяет исключить основной источник погрешностей измерений.

Для обеспечения высокого коэффициента помехогГодавлення (порядка 100-120 дБ), наиболее перспективным является метод весового интегрирования, в котором измеряемый входной сигнал (смесь постоянной составляю-, щей и помехи) умножается на весовую функцию заданного вида и затем интегрируется

s:-l 8(0 xdt.

25

30

35

40

весовая функция; измеряемый входной сигнал (с помехой); вольт-секундная площадь весовой функции (обычно равна единице). Такая модификация метода интегрирования позволяет существенно повысить помехозащищенность, обеспечивая коэффициент помехоподавления 100 дБ и выше при отклонениях частоты, помехи от HONMH uibHoro значения на 1-2%,

При практической реализации весовых функций предпочтение отдают ступенчатым весовым функциям,, как наиболее просто реализуемым. Одной из таких весовых функций является весовая фзтюдия (фиг. 3), принимающая через калсдые полпериода помехи (0,5Тп) последовательны значения 1-3-3-1. Использование такой весовой функции обеспечивает коэффициент помехоподавления свьппе 110 дБ при отклонениях частоты сети 1%.

В предлагаемом цифровом измерителе напря:жения весовому интегрированию пбдвергается как входной измеряемые сигнал, так и- замещающий сигнал ПНЧ, что позволяет повышать помехозащищенность при одновременном исключении систематических погрешнос- 55 тей устройства. При этом для реализации весовой функции использован обычный масштабирунщий усилитель, коэффициент перецачк которого по сигналу

45

50

to

блока управления программно изменяет ся через каждые 0,5 Тп по закону 1-3-3-1. С этой целью блок управления вырабатывает следующие сигналы.

В исходном состоянии триггеры 11 и 12 сброшены в ноль. В течение всего первого полупериода коэффициент передачи усилит еля 3 равен единице, по заднему фронту импульса формирова теля 9 (фиг. 2, график 2, первый импульс) триггер 11 устанавливается в 1, переключая коэффициент передачи усилителя 3, который теперь равен трем. Это значение сохраняется в течение второй и третьей полуволн сете- с вого напряжения. В момент завершения третьего полупериода задний фронт импульса формирователя 9 (фиг. 2, гра- ,фик 2, второй импульс) сбросит триггер 11 в О, вследствие чего коэффи- JQ циент передачи усилителя 3 вновь станет равным единице.

Счетньш триггер 12 через каждые 2 Т (четыре полупериода) перебрасывается, синхронно коммутируя переклю- 25 чатели ,1 и 2 и управляя ключом счета 7 и блоком 5 выборки и хранения.

Устройство работает следующим образом.

Б исходном состоянии счетчик 8 им- пупьсоз сброшен в ноль, в блоке 5 выборки и хранения записано напряжение с вькода дифференциального интегратора .

Работа устройства осуществляется циклически (итерационно), при этом каждый цикл всегда состоит из сле- дукяцих двух тактов.

В первом такте переключатели 1 и 2 установлены в верхнее по схеме поОдновременно с работой интегратора в течение всего первого такта выходная частота ПНЧ 6 через ключ 7 поступает и подсчитывается счетчиком 8 импульсов.

Во втором такте по сигналу блока управления переключатели 1 и 2 переводятся в нижнее по схеме положение (положение а ), ключ 7 заперт.

Входной измеряемый сигнал X через усилитель 3 поступает на суммирующий вход дифференциального интегратора 4, где интегрируется и суммируется с со- держияым интегратора т

,о g(t) f(X(,) dt -|-/ъ +

+ ( 1 +0 )/ g(t) xdt +p . о

Отсюда непосредственно получаем

Х2 -() / g(t) f(xj dt + + (1 +oi)j °g(t) xdt.

(2)

30

35

т.е. адди.тивная погрешность корректируется после первой итерации. Выход- ное напряжение дифференциального интегратора в течение всего второго такта переписывается в блок 5 выборки из ранения. Это напряжение (х,) является новым улучшенным приближением. На выходе ПНЧ 6 получаем новое значение частоты f(xj). Счетчик 8 сброшен в ноль импульсом с выхода блока 10 управления. На этом первая . итерация заканчивается, аналогично осуществляется вторая итерация.

В первом.-такте переключатели 1 и 2 - в верхнем положении. Выходной сигнал ПНЧ f (х) через усилитель 3 посту45

ложение (положение b ). Выходной сиг- 1пает на вычитающий вход дифференциально

го интегратора 4,где интегрируется и вычитается из х :

xr(+)l5WH Oc)t + f3.

о

Одновременно с работой интегратора в течение всего первого такта счетчик 8 импульсов подсчитывает им- тгульсы ПНЧ 6.

Во втором такте по сигналу блока 10 управления переключатели 1 и 2 переводятся в нижнее по схеме положение. Входной измеряемый сигнал х через усилитель 3 поступает на суммируют чщй вход дифференциального интегратонал ПНЧ 6 через усилитель 3 поступает на вычитающий вход дифференциального интегратора 4, где интегрируется и вычитается из начального напряжения интегратора

.т

0 ( 8 f Ч

о .

где XQ - начальное напряжение дифференциального интегратора; g(t) - весовая функция, вьфабатываемая усилителем 3; f(xo) - выходной сигнал ПНЧ 6 - длительность интервала интегрирования;

Ы и и - мультипликативная и аддитивная погрешности измерительного тракта.

50

55

Одновременно с работой интегратора в течение всего первого такта выходная частота ПНЧ 6 через ключ 7 поступает и подсчитывается счетчиком 8 импульсов.

Во втором такте по сигналу блока управления переключатели 1 и 2 переводятся в нижнее по схеме положение (положение а ), ключ 7 заперт.

Входной измеряемый сигнал X через усилитель 3 поступает на суммирующий вход дифференциального интегратора 4, где интегрируется и суммируется с со- держияым интегратора т

,о g(t) f(X(,) dt -|-/ъ +

+ ( 1 +0 )/ g(t) xdt +p . о

Отсюда непосредственно получаем

Х2 -() / g(t) f(xj dt + + (1 +oi)j °g(t) xdt.

(2)

5

0

5

т.е. адди.тивная погрешность корректируется после первой итерации. Выход- ное напряжение дифференциального интегратора в течение всего второго такта переписывается в блок 5 выборки из ранения. Это напряжение (х,) является новым улучшенным приближением. На выходе ПНЧ 6 получаем новое значение частоты f(xj). Счетчик 8 сброшен в ноль импульсом с выхода блока 10 управления. На этом первая . итерация заканчивается, аналогично осуществляется вторая итерация.

В первом.-такте переключатели 1 и 2 - в верхнем положении. Выходной сигнал ПНЧ f (х) через усилитель 3 посту1пает на вычитающий вход дифференциально

45

50

55

pa и суммируется с содержимым интег- .ратора

тт

X, X,-(l,lJ(tU(«,)(l4oi,j(,

Отсюда получаем выражение для второго скорректированного результата

т

y,Xr(f o6lIg(lHx,Ub(Uoo))t. (3)

15

Полученное второе приближение х

по окончании второго такта записывается в блок 5 выборки и хранения, благодаря чему на выходе ПНЧ 6 подучаем новое уточненное значение часто- 20 , ты f(х).

f

На этом вторая итерация заканчивается.

Аналогично осуществляются и все последующие итерации. Через п итераций, как следует из выражений (2) и , (3), получаем ,

Интеграл в левой части (5) есть вольт-секундная площадь ПНЧ .(Фиг. 3) и равен f( . uS f g(t) dt (дЗ - пло- 5 щадь одного импульса ПНЧ) , Таким образом, выражение (5) принимает вид |. т т

g(t) g(t)xdt.

о«

)Q Из полученного выражения получаем окончательное соо тношение для выходной частоты ПНЧ f в установившемся режиме

т 1 1

ДЗ

где 3„

S. 1

3 о g(t) dt.

xdt,

(7)

25

Сравнивая выражения (7) и (1), можно сдешать вывод, что выходная частота ПНЧ f равна искомому усредненному значению входной измеряемой величины.

Как следует из (6), аддитивная и 1 гульти1тикативная погрешности пред ложенного устройства корректируются и не оказывают влияния на точность преобразования. Предельно достижимая точность в предлагаемом устройстве ограничена лишь стабильностью площади импульсов ПНЧ 6 US в (7)1 , а сле довательно, может быть сделана очень высокой, В известном устройстве предельная точность ограничена точность ПАП и поэтому/ является низкой,

30

тт

v..()JqW{(x,lc tHu lJ3ltlxc3t. (4)

1л п

С ростом числа итераций выходное напряжение х все ближе подходит к своему установившемуся значению х., а выходная частота ПНЧ 6 f(xy,) стремится к иcтиннo ry значению f(x), В установивщемся режиме выходная величина интегратора 4 (и всего устройства в целом) от итерации к итерации не изменяется. Это означает, что отрицательное приращение интегратора 4 в первом такте в точности равно положительному приращению во втором такте

Iт

{UoiUoW(x)c)(t), (5

° . ° из соотношения (5) непосредственно следует, чт о мультипликативная погрешность об полностью корректируется и не оказывает влияния на результирующую точность

J5it)i(xnc t j Wvc3i. (6) .

т 1 1

ДЗ

3„

S. 1

3 о g(t) dt.

xdt,

(7)

Сравнивая выражения (7) и (1), можно сдешать вывод, что выходная частота ПНЧ f равна искомому усредненному значению входной измеряемой величины.

Как следует из (6), аддитивная и 1 гульти1тикативная погрешности предложенного устройства корректируются и не оказывают влияния на точность преобразования. Предельно достижимая точность в предлагаемом устройстве ограничена лишь стабильностью площади импульсов ПНЧ 6 US в (7)1 , а следовательно, может быть сделана очень высокой, В известном устройстве предельная точность ограничена точностью ПАП и поэтому/ является низкой,

Коэфф;лдиент помехоподавления в предложенном устройстве благодаря использованию весового усреднения Превышает 100 дБ что значительно вьпие, чем в известном устройстве (60-80 ц.Е

Формула изобретения

р

1, Цифровой измеритель напряжения содержащий первый переключатель, первый неподвижный контакт которого соединен с входной шиной, преобразователь напряжения в частоту, выход которого через ключ соединен с счетчиком импульсов, формирователь периода питающей сети, вход которого соединен с шиной питающей сети, а выход - с входом: блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с управляющим входом первого переключателя и входом уста- ковки в О счетчика импульсов, о т- личающийся тем, что, с целью повьш1епия точности и помехозащи.7

щенности при одновременном упрощении структуры измерителя, введены усилитель с изменяемым коэффициентом передачи, второй переключатель, дифференциальный интегратор, блок выборки и хранения, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, а вход - с выходом дифференциального интегратора, входы которого соединены с неподвижными контакта- ми второго переключателя, подвижный контакт которого соединен с выходом усилителя с изменяемым коэффициентом передачи, вход которого соединен с подвижным контактом первого переклю- чателя, второй неподвижный контакт icoToporo соединен с вьпсодом преобра- зователя- напряжени в частоту, причем управляющие входы второго переключателя, блока выборки и хранения и ключа соединены с первым выходом блока

1

j - ю

1239606

jю

15

0

управления, третий выход которого соединен с управляющим входом усилителя с изменяемым коэффициентом передачи. 2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что блок управления содержит два триггера, элемент ИЛИ-НЕ и элемент И, первый вход которого подключен к инверсному выходу второго триггера, второй вход подключен к выходу.элемента ИЛИ-НЕ и к счетному входу второго триггера, прямой выход которого соединен с первым выходом блока управления, к входу блока-управления подключены соединенные счетный вход первого триггера и первый вход элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к прямому выходу первого триггера и третьему вькоду блока управления, с вторым входом управления соединен выход элемента И.

Редактор Л. Гратилло

Составитель А. Заборня

Техред О.Сопке Корректор И. Муска

Заказ 3390/44Тираж 728 , Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

.,,,,,,„.в...и...-.-.-..ж-- ------- --- --- ™- -

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

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в системах, подвергающихся воздействию помех. Цель изобретения - повьшение точности измерения и помехозащищенности при одновременном упрощении структуры устройства. Измеритель содержит переключатель 1, преобразователь 6 напряжения в частоту, ключ 7 счета, счетчик 8 импульсов, формирователь 9 периода питающей сети и блок 10 управления. Введение в устройство переключателя 2, усилителя 3, дифференциального интегратора 4, блока 5 выборки и хранения и соединение их с элементами устройства позволяет за счет использования весового усреднения обеспечить коэффициент помехозащищенности выше 100 дБ. Предельно достижимая точность преобразования ограничена лишь стабильностью площади импульсов преобразователя 6 напряжения в частоту и, следовательно, может быть очень высокой. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. § (Л Ьф СО О)