Цифровой измеритель отношения двух напряжений постоянного тока Советский патент 1986 года по МПК G01R19/10 

ГчЭ

О5

со

Изобретение относится к электроизмерениям и предназначено для измерения отношения двух напряжений постоянного тока, в которые могут преобразованы любые электрические и неэлектрические сигналы, а также обеспечивает измерения отношения напряжения в безразмерных единицах, в непёрах и децибелах с вьщачей значения этого отношения на цифровой индикатор в цифровой форме,

Цель изобретения - расширение функциональных: возможностей за счет измерения отношения двух напряжений как в обычных безразмерных единицах, так и логарифмических (непёрах и децибелах) ,

На фиг. 1 показана схема устройства на фиг. 2 - диаграмма работы устройства в режиме измерения отношения напряжений в обычном масштабе на фиг, 3 - диаграмма работы устройства в режиме измерения отношения напряжений в логарифмическом масштабе .

Цифровой измеритель содержит (фиг. 1) четыре элемента 1-4 сравнения соответственно с первым и вторым входами 1,1, 2,1 3,1, 4,1 и 1.2 2.2, 3,2, 4,2, первый 5 и второй 6 интеграторы с сигнальными входами 5,1 и 6,1 и входами 5,2 и 6.2 , сброса, ключ 7 с сигнальным входом и. управлякщим входом 7.2, источник 8 опорного напряжения с первым 8,1 и вторым 8,2 выходами, триггер 9 с входами 9,1 и 9,2 сброса и установки единицы, инверсным 9,3 и прямым 9,4 выходами, элемент ИЛИ 10 с первым 10,1 и вторым 10.2 входами, элемент 11 совпадения с первым 1 1 „ 1,вторым 11.2 и третьим 11,3 входами, счетчи 12 с входами 12.1 и 12,2 сброса и счета дешифратор 13 с индикатором, первый 14 и второй 15 переключатели с первыми и вторыми входами 14,1, 15,1 и 14,2, 15.2, четыре резистора 16 19, первую 20, вторую 21, третью 22 и Сброс 23 входные клеммы, причем первая входная клемма 20 соединена с первым входом 1.1 первого элемента 1 сравнения, выход которого соединен с первым входом 11.1 элем1ента 11 совпадения, второй вход 11.2 которого соединен с выходом второго элемента 2 сравнения, а третий вход .11,3 - с выходом третьего элемента 3 сравнения и с вторым входом 10.2

элемента ИЛИ 10, выход которого соединен с входом 9.1 сброса триггера 9, вход. 9.2 установки едини1ц 1 которого соединен с выходом четвертого элемента 4 сравнения, инверсный выход 9,3 - с входом 6,2 сброса интегратора 6, а прямой выход 9.4 - с управлякщим входом 7,2 ключа 7, сигнальный вход 7.1 которого соединен

8,2 которого соединен с общей шиной, через первый резистор 16 соединен с сигнальным входом 5.1 первого интегратора 5 и через последовательно соединенные первый 16, второй 17, третий 18 и четвертый 19 резисторы, с выходом ключа 7, первый и второй выводы третьего резистора 18 соединены соответственно с первым 15,1 и вторым 15.2 контактами второго переключателя 15, подвижный контакт которого соединен с сигнальным входом 6.1 второго интегратора 6, выход которого соединен с вторыми входами 3.2 и 4.2 элементов 3 и 4 сравнения, первые входы 3.1 и 4,1 которых соединены соответственно с подвижным контактом первого пе0 реключателя 14 и общей шиной, первый контакт 14,1 первого переключателя 14 соединен с выходом перйого инт егратора 5, вторым входом 1.2 первого элемента 1 сравнения и первь м входом

2.1 второго элемента 2 сравнения, второй вход 2.2 которого соединен с третьей входной клеммой 22 устройства, второй контакт 14,2 первого переключателя 14 соединен с второй

0 входной клеммой 21 устройства, вход ная клемма 23 Сброс устройства соединена с входом 5.2 сброса первого интегратора 5, с первым входом 10,1 элемента ИЛИ 10 и входом 12.1 сброса

5 счетчика 12, счетный вход 12,2 которого соединен с выходом элемента 11 совпадения, а выход - с входом дешифратора 13 с индикатором.

Цифровой измеритель работает в

0 трех режимах: измеряет отношение между двумя напряжениями и вьщает это отношение в безразмерных единицах в цифровой форме, измеряет отношение между двумя напряжениями и вьщает

5 это отношение в единицах натурального логарифма (непёрах) в цифровой форме и измеряет отношение между двумя напряжениями и вьдает это отношеО с первым выходом 8,1 источника 8 -опорного напряжения, другой выход

3

ние в единицах десятичного логарифма (дегщбелах) в цифровой форме.

В первом режиме цифровой измеритель работает следугацим образом.

Перед началом измерения к первой входной клемме 20 подключанл- общую шину измерителя (к нулю). К третьей входной клемме 22 подключают измеряемый сигнал, соответствующий делимому напряжению, к второй входной клемме 21 подключают измеряемый сигнал, соответствующий делителю. Первый переключатель 14 устанавливают в положение 14.2 измерения отношения сигналов (фиг. i). Измеряемый сигнал, соответствующий делителю, поступает на первый вход 3.1 третьего элемента 3 сравнения.

От источника 8 опорного напряжения через первый его выход 8.1, ключ 7 и делитель из резисторов 16-19 подается сигнал V на сигнальный вход 5.1 первого интегратора 5 и через второй переключатель 15 сигнал Vj на сигнальный вход 6 .1 второго интех-ратора 6. Причем напряжение V намного больше чем V. .

Осуществляется запуск цифрового измерителя путем нажатия клеммы 23 Сброс. По этой команде обнуляется счетчик 12 и на цифровом индикаторе j13 одни нули. По этому сигналу по входу 5.2 сброса первого интегратора 5 осуществляется разряд емкости первого интегратора 5 (на фиг. 1 не показано) и на его выходе появляется нулевой сигнал, который поступает на второй вход 1.2 первого элемента 1 сравнения. Сигнал Сброс по клемме 23 проходит на вход 9.1 сброса триггера 9 через элемент ИЛИ 10 и сбрасывает его, причем на его прямом выходе 9.4 появляется нулевой сигнал, который по управляющему входу 7.2 ключа 7 отключает его от источника 8 опорного напряжения.

Сигнал единицы с инверсного выхода 9.3 триггера 9 по входу 6.2 сброса второго интегратора 6 разряжает его емкость. Таким образом, к началу измерения на выходах интеграторов 5 и 6 нулевой сигнал. После снятия сигнала Сброс (на фиг, 2 обозначено В23) начинается процесс измерения . Нулевой сигнал с выхода второго интегратора 6 (В6 на фиг. 2) проходит на второй вход 4.2 четвертого элемента 4 сравнения, при этом на

69042 4

его выходе появляется сигнал, кото- рый по входу 9.2 установки eдиниlI l триггера 9 устанавливает единицу на его прямом выходе 9.4 и нуль на ин5 версном выходе 9.3.

Открывается ключ 7, так как на его управляющий вход 7.2 поступает единица. Снимается сигнал Сброс с входа 6.2 сброса второго интегра10 тора 6. Начинается линейное возрастание напряжения на выходе второго интегратора 6 (В6, фиг. 2). При нулевом выходном сигнале на. выходе первого интегратора 5 (ВЗ, фиг. 3) проt5 исходит сравнение этого сигнала по второму входу 1.2 первого элемента 1 сравнения, на первом входе 1.1 у которого нулевой сигнал. При этом на его выходе появляется сигнал (В1, 20 фиг. 2), который сохраняется в течение всего процесса измерения, так как начинается возрастание напряжения на выходе (В5, фиг. 2) первого интегратора 5.

25 На выходе второго элемента 2 сравнения в начале измерения единичный сигнал (В2, фиг. 2), так как сигнал с выхода первого интегратора 5, поступающий на первый вход 2.1 элемен30 та 2, меньше, чем сигнал на его втором входе 2.2. Единичные сигналы с первого 1 и второго 2 эл-ементов сравнения поступают на первый и второй входы 11.1 и 11.2 элемента 11 совпадения. На его третий вход 11.3 поступает сигнал как только во втором интеграторе 6 напряжение на выходе достигает уровня, заданного по первом входу 3,1 третьего элемента 3 Q сравнения. При этом на выходе этого элемента появляется сигнал, который и проходит через третий вход 11.3 элемента 11 совпадения на счетный вход 12.2 счетчика 12 импульсов 5 (фиг. 2, В 11). Одновременно сигнал с выхода третьего элемента 3 сравнения проходит на вход 9.1 сброса триггера 9 через элемент ИЛИ 10. Триггер 9 сбрасывается на нуль. За0 крывается ключ 7 и первый интегратор 5 перестает интегрировать (горизонтальные участки значительно короче наклонных участков на диаграмме, В5, фиг. 2). На инверсном выхоJ до 9.3 триггера 9 появляется единица и производится разряд емкости второго интегратора 6 (В6, фиг. 2, спадающие участки пилообразной кривой) . Как только напряжение на )зь ходе второго интегратора 6 достигает нуля, происходит формирование на выходе четвертого элемента 4 сравнения сигнала, который записывает еди- , ницу в триггер 9 (В9, фиг. 2). Таким образом, процесс измерения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение (В5, фиг. 2) первого интегратора 5 не достигает уровня заданно-fo го по третьей клемме 22, При этом сравнении сигналсзв на втором элементе 2 сравнения на его выходе появляется нулевой сигнал, который поступает на второй вход 11.2 элемента 11 15 совпадения и запрещает дальнейпмй счет импульсов в счетчике 12 импульсов. Число п, зафиксированное в счетчике 12 импульсов и высвеченное на индикаторе 13, соответствует измеря- 20 емому отношению двух напряжений входное напряжение на третьей клемме 22; напряжение на второй клемме 21. Время, в течение которого открыт элемент 11 совпадения для прохождения импульсов, зависит от времени интегрирования первого интегратора f 1 dt Г-О Т. где - выходное напряжение интегратора 5 через. вре1чяТ , R,CI - постоянная времени интегрирования (входное сопротивление RJ и емкость С,) первого интегратора 5; Vj - выходное напряжение на выходе первого резистора 16, снимаемое с источника 8 опорного напряжения. Таким образом, Ujt,,j , которое равно входному напряжению на входе третьей клеммы 22, прямо пропорционально времени Т, в течение которого элемент 11 со1Ч1адения открыт и пропускает импульсы на счетчик 12 импульсов, т.е. время Т прямо пропор ционально делимому. За время Т второй интегратор 6 формирует значительное количество имп ся ным че вр рир ет циф фи за гд пер ров си ей ше нию п гд 5 Rg ло ульсов, число которых определяетследующим образом. В соответствии с ранее приведенвыражением- соответствует входному напряжению на входе второй клеммы 21, V, - выходное напряжение на выходе второго переключателя 15 (это входное напряжение второго интегратора 6) ; RjCj - постоянная времени второго интегратора б; t - время интегрирования второго интегратора 6. Время разряда емкости при расе не учитывается, так как в это мя первый интегратор 5 не интегует (условно время останавливая) . Это повышает точность работы рового измерителя. Количество импульсов, которое засировано в счетчике 12 импульсов, исит от соотношения количество импульсов, зафикп сированное в счетчике 12 импульсов;время интегрирования первого интегратора 5 (только когда идет нарастание напряжения на его выходе, т.е. ключ 7 открыт); время интегрирования второго иитегратора 6. Так как время интегрирования как вого 5 так и второго 6 интегратопрямо пропорционально входньм налам на входах второй 22 и треть23 входньк клемм то и их отноие пропорционально этому значе Z Цьгз RiGiV Utx; RiCiV2 t ViUa,2 КгСа R,C,V, ах г - входное напряжение третьей клемме 22; -е.хг входное напряжение на второй клемме 21, Так как значения R С, V| всегда постоянные, то чисимпульсов п зависит только от

входных напряжении на входах третьей 22 и второй 21 клемм.

Цифровой измеритель во втором и третьем режимах работает аналогично первому режиму. Разница тодько в выборе коэффициента пропорциональHocTi-i, которьй устанавливается вторым переключателем 15.

Цифровой измеритель во втором и третьем режимах работает следующим образом.

На первую клемму 20 подается напряжение, соответствующее меньшей величине отношения - делителю, на третью клемму 22 подается напряжение, соответствующее большей величине отношения - делимому. Цервый переключатель 14 устанавливается в положение, при котором коммутируется первый вход 14.1 его с выходом. При этом выход первого интегратора 5 соединяется через первый переключатель 14 с первым входом 3.1 третьего элемента 3 сравнения. Осуществляется сброс измерителя по клемме 23. Триггер 9 устанавливается в нулевое состояние и отключает сигнал от источника 8 опорного напряжения ключом 7. Сбрасываются первый 5 и второй 6 интеграторы. После снятия сигнала Сброс цифровой измеритель производит измерение отношения в логарифмическом масштабе в неперах или децибелах в зависимости от масштаба который устанавливается вторым переключателем 15, через четвертый элемент 4 сравнения в триггер 9 записывается единица.

Второй интегратор 6 интегрирует входной сигнал, поступающий от источника 8 опорного напряжения через второй переключатель 15. Как только напряжение на выходе первого интегратора 5 достигает уровня, соответствующего значению входного напряжения первой KneMNbi 20, на выходе первого элемента 1 сравнения появляется положительный сигнал, который сохраняется до конца измерения (В1, фиг. 3) Сигнал с выхода второго элемента 2 сравнения (В2, фиг. 3) переходит из единичного состояния в нулевое, когда напряжение на выходе первого интегратора 5 достигает значения, равного входному сигналу первого на входе третьей клеммы 22.

За время открытого состояния элемента 11 совпадения для прохождения

импульсов от третьего элемента 3 сравнения на счетчик 12 импульсов поступает серия импульсов. Их формирование осуществляется сравнением выходных сигналов от двух интеграторов 5 и 6. Длительность и амплитуда этих и myльcoв с выхода второго интегратора 6 изменяются во времени, т.е. постепенно возрастают. На диаграмме (фиг. 3) показан вид изменения этих и тульсов (В5, В6). Количество импульсов, зафиксированное в счетчике 12 импульсов, пропорциональное UB.

и.,, и,;,,,

р п .jf,xi соответствующие входные напряжения на входах цифрового измерителя, на третьей 22 и первой 20 клеммах.

На диаграмме (фиг. 3) показаны серии импульсов, которые формируются вторым интегратором 6.

Скорости интегрирования первого 5 и второго 6 интеграторов принимаем пропорциональными входным напряжениям этих интеграторов V, и V соответственно.

Если принять значение , то

Uf,bi RC

Т

ранее выведенную формулу V

можно упростить ,,у и V(.w 1-V, это. значит, что и. - выходное напряжение интегратора - прямо пропорционально времени интегрирования и скорости интегрирования.

Рассмотрим за три отрезка времени выходное напряжение первого 5 и второго 6 интеграторов, и определим коэффициент увеличения времени интегрирования или длительности импульса на выходе второго интегратора 6. В первый момент времени на выходе первого интегратора 5 напряжение U, входное напряжение первой клеммы 20. На выходе второго интегратора 6 напряжение равно нулю. Выходные напряжения интеграторов 5 и 6 сравниваются через время C-j . Тогда на их выходах имеются напряжения

V,

rVi

и

+ 1

р,

2

t-

V, -V.

Таким образом, напряжения на выходах интеграторов 5 и 6 через время Т после начала - BXI У; и- v 6Ъ(). ИНТ 1 V, - V, На фиг. 3 f 5 , об е. I г1 начены только передним фронтом треугольных импульсов, задний фр не учитывается, так как в это вре первый интегратор 5 не интегриру (горизонтальные участки на возра тающей диаграмме, В5 - выход перв интегратора). Горизонтальные уча действительно значительно меньше чем возрастающие участки. На следующем интервале за вре 2 напряжения на выходах интегра ров 5 и 6 Uav , V2 бых.инт.г 2 2 (V Y )г Для третьей точки совпадения пряжений двух интеграторов 5 и 6 лучают + f.-V. T,.V. вы«-имт.i Y -Vi) откуда UBrt У; (Уг -У ) (Уг-У, ) Находим коэффициент изменени Я тервалов f , Uax.i l (Уг-Уд) , . 1 2 У, -У (У, -У, Г Ubxi-y li llLlXlli Уг , Таким образом, коэффициент ув чения импульсов по длительности выходе второго интегратора 6. пос ный и соответствует V. Это означает, что длительност

с г

геометимпульсов

1 г

LJ ,..., и

рическая прогрессия, у которой извес 1п(1+

- 1)

-Уг 4210 тен первичный член геометрической прогрессии Т SLJ vr-v, Сумма всех членов геометрической прогрессии - это время интегрирования первого интегратора 5 от начала при напряжении до U . Сумма членов геометрической прогрессии - это время интегрирования второго интегратора 6, которое определяется как разность времени интегрирования. JLcTi - п ч . 1Г м b-t.i -p..i пг 1 Из формулы cyMNbi членов геометрической прогрессии находим Ч - a.() S. - Г где ,-T Л ( и,,,, ); а Г, U-L. V, -V, n - количество импульсов, зафиксированное в счетчике 12 импульсов. Откуда получаем подставляя известные значения в формулы суммы -- .-.-Л( V вх.г вх. 1 ) (V -V ) ) -1 Ч V, 1 . , откуда Так как У., значительно больше чем У(. , то можно рассматривать эти логарифмы для приближенных формул логарифмирования 1п( 1 + 01) + (X Igd+oO i ± 0,4343о( Откуда ЫиЬ, -ЫК Vz-V/ т.е. логарифм отношения прямо пропорционален количеству импульсов п зафиксированных в счетчике 12 импульсов,у Коэффициент - может быть выб ран любой и чем он меньше, тем боль ше п и соответственно выше точность Кроме того, при помощи коэффициента получается натуральный или десятичный логарифм. Формула изобретени Цифровой измеритель отношения дву напряжений постоянного тока, содержа щий первый элемент сравнения, первый интегратор, источник опорного напряжения, ключ, элемент совпадения счетчик, элемент ИЛИ, первую и вторую входные клеммы, два переключателя, причем выход элемента совпадения соединен со счетным входом счетчика, выход первого интегратора соединен с первым входом первого элемента сравнения, первый контакт первого переключателя соединен с второй входной клеммой, о т л и чающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможноетей, в него введены четыре резистора, второй интегратор, триггер, второй, третий и четвертый элементы сравнения, дешифратор с индикатором клемма Сброс и третья входная клем ма, причем первая входная клемма сое 4212 дннена с вторым входом первого элемента сравнения, выход которого соединен с первым входом элемента совпадения, второй вход которого соединен с вькодом второго элемента сравнения а третий вход с выходом третьего элемента сравнения и первым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом Сброс триггера, установочный вход которого соединен с выходом четвертого элемента сравнения, инверсный выход - с первым входом втовторого интегратора, а прямой выход с управляющим входом ключа, сигнальный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, другой выход которого соединен с общей шиной, через первый резистор с вторым входом первого интегратора и через последовательно соединенные первый, второй, третий и четвертый резисторы - с выходом ключа, первый и второй выводы третьего резистора соединены соответственно с первым и вторым контактами второго переключателя, подвижный контакт которого соединен с вторым входом второго интегратора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов сравнения, вторые входы которых соединены соответственно с подвижным контактом первого переключателя и общей шиной, второй контакт первого переключателя соединен с выходом первого интегратора и первым входом второго элемента сравнения, второй вход которого соединен с третьей входной клеммой, входная клемма Сброс соединена с вторым входом первого интегратора, вторым входом элемента ИЛИ и вторым входом счетчика, выход которого соединен с входом дешифратора с индикатором.

Изобретение гфедназначено для измерения отношения двух напряжений постоянного тока, в которые могут быть преобразованы любые электрические и неэлектрические сигналы, а также обеспечивает измерение отношения напряжения в безразмерных единицах, Б неперах и дещ1белах с вьщачей значений этого отношения в цифровой форме. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения отношения двух на-, пряже} ий как в обычных безразмерных единицах, так и логарифмических: неперах и-децибелах. В устройство введены резисторы, интегратор 6, триггер 9, элементы 2, 3, 4 сравнения, дешифратор 13 с ивдикатором, клемма 23 Сброс, входная клемма 22. Кроме того,устройство содержит элемент 1 сравнения, интегратор 5, источник 8 опорного напряжения, ключ 7, элемент 11 совпадения, счетчик 12, элемент ИЛИ 10, входные клемм. 20, 21, два переключателя 14, 15. Введение сл новых элементов позволяет повысить точность измерения, расширить диапазон измерения, 3 ил.