Измеритель среднего значения переменного напряжения низкой частоты Советский патент 1986 года по МПК G01R19/25 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения среднего значения- знакопеременного напряжения

Цель изобретения - повышение точ- ности измерения.

. На фиг. 1 приведена блок-схема измерителя; на фиг. 2 - блок-схема формирователя; на фиг. 3 и 4 вре- манные диаграммы, иллюстрирующие ра- боту измерителя.

Измеритель содержит усилитель 1, выход которого подключен к входу фор мирователя 2, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам ключей 3 и 4, генератор 5 ли- кейно изменяющегося напряжения, вход которог о подключен к выходу усилите- .ля 1, тактовый генератор 6, выход которого подключен к входам ключей 3 и 4, выход ключа 4 подключен к входу делителя 7 частоты, ключ 8, выход которого подключен к счетному входу счетчика 9 импульсов, нуль-орган 10, вход которого подключен к выходу ге- нератора 5 линейно изменяющегося напряжения, а выход - к входу установки Ё О триггера 11, выход которого подключен к управляющему входу ключа 8, элемент 12 задержки, выход которо го подключен к стробирующему входу цифрового компаратора. 13, первая и вторая группы входов которого подключены к выходам счетчиков 14 и 15 импульсов, элемент ИЛИ 16, первый вход которого подключен к входу установки в 1 триггера 11, управляющему вход генератора 5 линейно изменяющегося напряжения и к выходу цифрового компаратора 13, второй вход элемента ИЛИ 16 подключен к третьему выходу . формирователя 2 и к установочному входу счетчика 14 импульсов, элемент ЕГШ 17, первый вход которого подключен к выходу младшего разряда счетчи ка 14 импульсов, второй вход --к. вы- ,ходу ключа, .3 и к входу ключа 8, а выход - к счетному входу счетчика 15 импульсов и к входу элемента 12 задернски.

Формирователь 2 содержит усилитель-ограничитель 18, последовательно соединенные нуль-орган 19 и элемент 20 задержки, выход которого подключен к входам ключей 21 и 22 и управляющему входу ключа 22, триггеры 23 и 24, выходы которых являются соответственно вторым и первым выходами формирователя 2, причем вход11; нуль-органа 19 и усилителя-ограничителя 18 соединены и являются входом формирователя 2, выход усилителя-ограничителя 18 подключен к управляющему входу ключа 21, -выход которого подключен к-ВХОДУ установки в .1 триггера 23, входу.установки в О триггера 24 и является третьим выходом формирователя 2, управляющий вход ключа 22 подключен к выходу триггера 23, а выход ключа 22 подключен, к входу установки в О триггера 23 и входу установки в 1 триггера 24. На фиг. 4 изображены: а - входное

напряжение устройства; б - напряжение на первом выходе формирователя 2 ; 4S - напряжение на втором выходе формирователя 2; г - напряжение на третьем выходе формирователя 2; д - содерж :-1мое счетчика 14 импульсов; е содерясимое счетчика 15 импульсов,

ж - выход цифрового компаратора 13; 3 - выходное напряжение генератора . 5 линейно изменяющегося напряжения; . и - выходной сигнал нуль-органа 10; к - выходной сигнал триггера 11; л - содержимое счетчика 9 импульсов,

Усилитель 1 является обычным линейным входным усилителем, сглаживающим также высокочастотные помехи, если они присутствуют во входном сигнале.

Формирователь 2 выполняет следующие функции. Он имеет два потенци- альньгх: выхода - первый и второй, соединенные с управляющими входами второго 3 .и третьего 4 ключей соответ - ственно, сигналы на этих, выходах имеют характер логических, т.е.. принимают одно из .зух различных значений, нулевое и единичное. В исходном состоянии блока - при отсутствии на его входе напряжения - единичные сигналы на первом и втором «ыходах отсутствуют. Третий выход, соединенный с входом установки в О второго счетчика 14, - импульсный.,, импульс на этом выходе возникает в момент, когда входное напряжение пересекает нулевой уровень сверху вниз, т.е, в момент начала отрицательного полупери- одс1. llMeHHO с этого момента появля-; ется на втором выходе блока единичный сигнал. С этого момента сигналы на первом и втор ом выходах становятся инверсными: если один из них - нулевой, то в.торой - единичный и наоборот, В момент, когда входное напряжение- пересекает нулевой уровень снизу вверх , т.е. в момент начала поло- жительного полупериода входного напряжения, единичный сигнал исчезает на втором выходе и появляется на первом.

Сигнал на выходе усилителя-ограничителя 18 имеет единичньш уровень в течение отрицательного полупериода и нулевой - в течение положительного полупериода входного напряжения. Нуль-орган 19.вырабатывает .на.выходе короткий импульс в момент, когда входное напряжение пересекает нуле- вой уровень (в том или ином направлении) .. .

В исходном состоянии триггеры 23 и 24 установлены в О, т.е. на первом и втором выходах формирователя 2 присутствует нулевой сигнал. Если имеет место пересечение входным напряжением нулевого уровня (в дальнейшем -пересечение) снизу вверх, т.е. начинается положительный полупериод входного напряжения, то в момент, когда выходной импульс нуль-органа, задержанный элементом 20, поступает на рабочий вход ключа 21, выход которого соединен с единичным входом триг гера 23, ключ 21 уже закрыт выходным сигналом усилителя-ограничителя 18. Ключ 22 при этом-тоже закрыт, так как триггер 23 находится в нулевом состоянии. Если же имеет место пересечение сверху вниз, то к моменту поступления выходного импульса нуль-органа 19 на вход ключа 21 этот ключ уже открыт, и импульс, пройдя через ключ 21, устанавливает в 1 триггер 23, единичный выход которого является вторым -выходом формирователя 2. Ключ 22 теперь открыт, так.что очередной импульс с выхода нуль-органа. 19, возникающий в момент пересечения снизу вверх, проходит через этот ключ (ключ 21, как и в предьщущем случае, закрыт), изменяя состояние обоих триггеров. Каждый следующий импульс с выхода нуль-органа изменяет состояние обоих триггеров, т.е. выход триггера 24, являющийся первым выходом формирователя 2, является теперь инверсным по отношению к второму выходу. Третьим выходом формирователя 2 является выход ключа 21. Клю- чи 3,4 и 8 одинаковы. Импульс, поступающий на вход ключа, проходит на его выход только г1ри наличии на уп

равляющем в ходе ключа единичргого. сигнала.

Гененатор 5 линейно изменяющегося напряжения существенно отличается от аналогично известного генератора, что имеет принципиальное значение для .работы устройства. Генератор 5 формирует с момента подачи импульса на его запускающий вход напряжение, ли- нейно убывающее от уровня его входного напряжения в момент запуска.

Таким образом, длительность интервала времени между моментом запуска генератора 5 и моментом, когда его выходное напряжение-пересекает нулевой уровень, пропорционально значению входного напряжения 5 генератора в момент запуска.

Тактовый генератор 6 г енерирует короткие импульсы высокой стабильной частоты „ с периодом

Т ° f.

Делитель 7 частоты может быть выполнен, например, как пересчетный блок с регулируемым коэффициентом п пересчета (т.е. деления частоты).

Счетчик 9 импульсов - это обычный двоичный счетчик накапливающего типа. Цепь установки его в О не показана, так как она може-т осуществляться различным .образом - после каждого измерения, в течение одного периода либо после К измерений (с целью усреднения их результатов).

Нуль-орган 10 вьфабатывает корот-.. кие импульсы в моменты, когда линейно убывающее выходное напряжение гене- нератора 5 достигает нулевого уровня. Элемент 12 задержки задерживает им- . пульсы на время, примерно равное пго- ловине п ериода импульсов тактового ге-нератора. Цифровой компаратор 13 пропускает на выход импульс поступающий на его .стробирующий вход с выхода элемента 12 задержк.и, только в том случае, когда кодовые комбинации, поступающие на обе группы его информационных вхбдов, совпадают. Счетчики 14 и 15 импульсов одинаковы, это обычные накапливающие двоичные счетчики .

Цринцип действия устройства сое- . тоит в следующем.

Измерение осуществляется в течение одного (первого) периода входного напряжения, отсчитываемого с момента начала отрицательного полупериода. В течение отрицательного полупериода

осуществляется автоматическое определение шага интегрирования

Н Т/2п,

(1)

Величина п, равная коэффициенту деления частоты делителя 7, устанав- . ливается перед началом работы устройства и,выбирается равной целой степени двойки, т.е.

R

п-. 2--,-k . П2./.., .

Т - период входного напряжения.

Величина Н формируется в счетчике 14 импульсов. В течение этого же полупериода на счетчике 15 импульсов формируется величина Н72,

Во втором - положительном - полу- периоде осуществляется собственно измерение среднего значения. Спустя Время Н/2 с момента начала этого полупериода начинают -с периодом Н - формироваться импульсы запуска генератора 5. В пром ежутках между момен- тами запуска и моментами срабатывания нуль-органа, 10 триггер 11 находится в единичном состоянии, т.е. ключ 8 открыт, и тактовые импульсы суммируются в счетчике 9 импульсов (ключ 3 в положительном полупериоде открыт) ,, формируя результат измерения .

В исходном состоянии напряжение на входе усилителя 1 отсутствует, счетчик 9,14 и 15 импульсов и триг-. гер 11 установлены в О, единичные сигналы на первом и втором и импульсы на третьем выходах формирователя

2отсутствуют. При этом ключи 3, 4 -и 8 закрыты. Коэффициент деления делителя частоты установлен равным требуемому значению п

Пусть теперь к входу устройства, т е, к входу усилителя 1 подключено измеряемое напряжение U(t).

В ближайший по времени момент пересечения напряжением U(t) нулевого уровня сверху вниз, т.е. в момент начала отрицательного полупериода, формируется импульс на третьем: выход формирователя 2, подтверж;дающий нулевое состояние счетчиков 14 и ,15 импульсов, и устанавливается единичный сигнал на втором выходе формирователя, открывающий ключ 4 (ключи

3и 8 остаются закрытыми).

В течение отрицательного полупериода импульсы с выхода тактового гене

ратора 6 поступают через делитель частоты 7 на .счетньш вх:од счетчика 14 импульсов и С частотой, уменьшенной еще в два раза младшим разрядом этого счетчика, - на счетный вход счетчика 15 импульсов.через элемент ИЛИ 17.

Таким образом, к концу отрицательного полупериода на счетчике .14 импульсов формируется число

fo-T

2п.

0

0

;

5

а на счетчике .15 импульсов - ч исло, .в два раза меньшее; , . . В момент окончания отрицательного пслу периода входного напряжения .еди- ничный сигнал на втором выходе формирователя 2 исчезает, ,а на первом - выходе появля,ется, вследствие чего. . закрывается, а ключ 3 открывается, и импуль оы с выхода тактового генератора 6 начинают поступать на счетный вход счетчика. 15 импульсов. Спустя время Н/2 содержимое счетчика 15 импульсов достигнет значения N, т.е. сравняется с содержимым счетчика 14, и тактовый импульс, обеспечивающий указанное равенся во и задер- жанный элементом 12, пройдет на выход цифрового компаратора 13, запуская генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, устанавливая триггер 11. в 1 и- через элемент ИЛИ 16 устанав- лива.я и О счетчик- 15 импульсов. С этого Момента импульсы с выхода тактового генератора 6 начинают поступать на счетный вход счетчика 9 .импульсов, продолжая поступать в очищенный счетчик 15 импульсов. Поскольку Н Т/2п,, а первый импульс на выходе цифрового компаратора 13 сфоргет- рова н спустя время Н/-2 с момента начала положительного полупериода, всего за время Т/2 этого по/1упериода будет сформировано п таких импульсов (фиг. 3) с интервалами длительностью Н между ними. Каждый из этих импульсов запускает генератор 5 и открывает ключ 8, устанавливая триггер 11 в 1.

Выходной импульс нуль-органа 10, формирз емый в момент пересечения нулевого уровня выходным напряжением генератора 5, возвращает триггер 11 в О, закрывая ключ 8. При этом длительности интервалов времени, в тече.ние которых ключ 8 открыт, пропорциональ,ны значени5 м

- Н .„ . Н

менты t

Н

.,..., (п-1) Н +

Н

вённо число п .импульсов тактового генератора 5 поступившее в счетчик 9/ импульсов .в течение i-ro интервала,, равно . . п«

а и Г

где а. - масштабный коэффициент. .

За время положительного полупериода в счетчике 9 будет сформировано число.

п .п

N Т-П; а-21 U;.

Ь1 .

Согласно, принципудействия устройства среднее значение входного переменного напряжения U(t)., т.е. величина

Tf2

и -L.(t) dt, .(2).

,0 , - . ,(где Т - период вхо;;(ного напр яжения, t - время, отсчитываемое от момента - выхода напряж ения U(t) за нулевой уров4нь, т.е. от. момента пересечения этого уровня снизу вверх), определя- ют путем приближенного вычисления .

интеграла

Р J - U(t).dt

(3)

методом прямоугольников и деления ег635 на величину Т/2. .

Метод прямоугольников состоит в том, что отрезок интегрирования, (в

данном случае отрезок

о. 4-.

лят на п частей -и вычисляют интеграл - (2) по Формуле.

P-2:h;U;,

где - длина i-ro шага ния, U; U(), причем

Z: h.. 6t; Z .

Таким образом, искомая площадь приближенно вычисляется как сумма площадей прямоугольников с основани- ями h ; и высотами U-. Поскольку обеспечено равенство (1), с учетом (4) и (2), имеем

и

2Р5

1

и;

15

25

30

635

40

-

/5

-

-50

55

т.6. N п -.а-и,

(V

Поскольку , то, считывая содержимое счетчика 9 импульсов со

. сдвигом на К разрядов в сторону старших разрядов, т ..е. деля его на п, - V получаем искомый результат с высокой точностью (в масштабе aS- Существенно, что измеряя среднее значение входного напряжения, устройство в процессе работы определяет, и его период Т - содержимое счетчика

14 импульсов в т ечение пoлoжIiтeльнo- го полупериода, равное -величине Т.j деленной на два.

Бл агодаря предложенному составу и способу соединения блоков изобрете-- .ния шаг Н интегрирования всегда кратен периоду Т измеряемого напряжения Н Т/2.П, где п - коэффициент деле,-ния делите отя частоты, величины напряжений U; измеряются точно в средней точке каждого .шага, а формирователь обеспечивает начало работы устройст, на только в момент начала отрицательного полупер1з:ода входного напряжения „ (ЧТО позволяет значительно повысить точность измерения среднего зн/гчения напряжения. Формула изобретения

1. Измеритель среднего значения п.еременного напряжения низкой частоты, coдepжaш й усилитель, формирователь, первый и второй ключи, тактовый генератор, делитель частоты, нуль-орган, триггер, первый счетчик импульсов и генератор линейно изменяющегося напряжения, вход которого соединен с входом формирователя и . с выходом усилителя, .запускающий вход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым управляющим входом триггера, а выход - с входом нуль-органа, подключенного выходом, к второму управляющему входу триггера, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа выход которого соединен со счетным входом первЬго счетчика импульсов, а вход первого ключа - с выходом второго ключа, подключенного управляющи. входам к первому выходу формирова- ,теля, а входом - к выходу тактового

генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены третий ключ, первый и второй элементы HJTIi, второй-и третий счетчики импульсов, элемент задержки и ди(|)ровой компаратор. Первая и вторая группы информационных входов которого соединены с разрядными выходами второго и третьего счетчиков импуль- сов, стробируюпщй вход соединен с выходом элемента задержки, а выход - с первым управляющим входом триггера и первым входом первого элемента ИЛИ, подключенного выходом к входу установки в О третьего счетчика импульсов, выход тактового генератора подключен к входу третьего ключа, управляющий вход которого соединен с вторым выходом формирователя, а выход - с входом, делителя частоты, подключенного выходом к счетному вхо ду второго счетчика импульсов, вход установки в О ,которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и с третьим выходом формирователя, а выход младшего разряда соединен с . первым входом второго элемента ИЛИ, подключенного вторым входом к вы- ходу второго ключа, а выходом - к счетному входу -третьего счетчика, импульсов и входу элемента задержки.

2.Измеритель- по п. 1, от л и - чающийся тем, что формирователь содержит усилитель-ограничитель нуль-орган, элемент задержки, два триггера и два ключа, вход нуль-органа соединен с входами усилителя-ограничителя и формирователя, а выход

через линию задержки - с входом, ключей,. выход одного из которьгх соединен с входом установки в О первого и входом установки в 1 второго триггеров и с третьим выходом формирователя, упра:вляюш;ий вход этого же ключа соединен с выходом уси- лителя-ограничителя, а управляющий вход другого ключа - с выходом второго триггера, который соединен с вторым выходом формирователя, выход этого же ключа соединен с входом установки в О второго триггера и входом установки в 1 первого триггера выход которого соединен с первьм выходом формирователя. - 1

3.Измеритель по п. 1, о т л и-

ч.а ю щ и и с я тем, что в качестве генератора линейно изменяющегося напряжения использован генератор напряжения, линейно убывающего от уровня входного напряжения генератора в момент его запуска.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения знакопеременного напряжения. Цель изобретения - повьшение точности измере- .ния. Устройство содержит усилитель 1, формирователь 2, ключи 3, 4 и 8, генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, тактовый генератор 6, делитель 7 частоты, счетчики 9,14 и 15 импульсов, нуль-орган 10, триггер 11, элемент 12 задержки, цифровой компаратор 13, элементы ИЛИ 16 и 17. При предложенном составе блоков и их функциональных связях шаг Н интегрирования всегда кратен периоду Т измеряемого напряжения, т.е. Н Т/2 п, где п - коэффициент деления делителя частоты. Устройство значительно повышает точность измерения среднего значения напряжения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. i (Л Jbaf neptnytHf. emafoaSHi

ffeffSntu Sujfod Второй } SuxeS Фиг.

Третий SbiMOi

s

6 е

фиг. J

ШЛАШ

t t