Цифровой интегрирующий вольтметр Советский патент 1987 года по МПК G01R19/25 

Ияобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения среднего значения дифференциальной составляющей двух напряжений произвольной формы, а также их суммы.

Цель изобретения - повьшение точности измерения дифференциальной составляющей путем обеспечения независимости результата измерения от значения фазового сдвига между входными сигналами и обеспечения независимости коррекции, амплитудных характеристик каналов от формы входных сигналов.

На фиг.1 приведена схема вольтметра; на фиг.2 - схема блока управления аттенюатором; на фиг.З - схема тактового генератора; на фиг.4 - временные диаграммы работы вольтметра; на фиг.З - временные диаграммы работы тактового генератора и блока управления аттенюатором. , Вольтметр содержит .управляемой аттенюатор 1, первый и второй согласующие усилители 2 и 3, первый 4 и второй 5 ключи, блок 6 управления аттенюатором, тактовый генератор 7, генератор 8 пилообразного напряжения, первый 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 блоки сравнения, элемент ИЛИ 13, опорный генератор 14, третий 15, четвертый 16 и пятый 17 ключи, первый 18, второй 19 и третий 20 интеграторы, пятый блок 21 сравнения, отсчетное устройство 22, шестой ключ 23, инвертор 24, первый 25 и второй 26 выпрямители, ам- плитудньй детектор 27 полосовой усилитель 28, фаз.рвый детектор 29, седьмой ключ 30, первую 31 и вторую 32 дифференцирукидие цепи.

Блок 6 управления аттенюатором содержит регистр 33 сдвига, входом соединенный с первым входом блока 6 управления аттенюатором, и п триг- герных ячеек 34.1-34.П, каждая из которых первым входом подключена к соответствующему разрядному выходу регистра 33, вторыми входами к второму входу блока 6 управления аттенюатором, а выходами - к выходу блока 6 управления аттенюатором.

Тактовый генератор 7 содержит нуль-орган 35, счетчик 36, дешифратор 37 и формирователь 38 команд. Вход Нуль-органа 35 является входом TaKToiaoro генератора 7, выход нульоргана 35 тюдключен к входу счетчика 36, разрядные выходы которого подключ-ены к входам дешифратора 37, выходы которого подключены к входам формирователя 38 команд, выходы которого являются первым 39, вторым 40, третьим-1 41, четвертым 42 и пятым 43 выходами тактового генератора 7.

Первый ключ 4 сигнальным входом соединен с шиной первого входного сигнала, и шина второго сигнала че- . рез второй ключ 5 подключена к выходу Первого ключа 4. Управляющий

вход аттенюатора 1 соединен с выходом блока 6 управления аттенюатором, первым входом соединенного с первым выходом 39 тактового генаратора 7. Генератор 8 пилообразного напряжения

выходом соединен с первыми входами первого 9, второго 10 и третьего 11 блоков сравнения, а входом - с вторым выходом 40 тактового генератора 7. Опорньгй генератор 14 соединен с

сигнальными входами четвертого 16 и пятого 17 ключей, - выходами подключенных соответственно к входам первого 18 и второго 19 интеграторов, а также к первому и второму.

входам третьего интегратора 20, третьим входом подключенного к выходу пятого блока 21 сравнения, входами соединенного с выходами первого 18 и второго 19 интеграторов. Выход

третьего интегратора 20 подключен к первому входу отсчетного устройства 22. Второй вход первого блока 9 сравнения подключен к выходу инвертора 24. Управляющие входы первого 4 и второго 5 ключей соединены соответственно с третьим 41 и четвертым 42 выходами тактового генератора 7. Управляюац1й вход шестого ключа 23 подключен к пятому выхоДУ 3 тактового генератора 7. Вход первого выпрямителя 25 соединен с выходом аттенюатора 1 и первым сигнальным входом шестого ключа 23. Вход второго выпрямителя 26 соеди-.

нен с вторым сигнальным входом

шестого ключа 23 и с выходом второ- го согласующего усилителя 3, вход которого подключен к выходу второго ключа 5. Выход шестого ключа 23 через амплитудный детектор 27 и полосовой усилитель 28 подключен к первому входу фазового детектора 29, второй вход которого соединен с управляющим входом шестого ключа 23

а его выход - с входом инвертора 24 и вторым входом второго блока 10 сравнения. Выходы первого 25 и второго 26 выпрямителей подключены соответственно к второму входу третьего бпока I 1 сравнения и- к первому входу четвертого блока 12 сравнения выходами соединенных с управляющими входами третьего 15 и седьмого 30 ключей соответственно. Выходы первого 9 и второго 10 блоков сравнения подключены к управляющим входам четвертого 16 и пятого 17 ключей. Второй вход блока 6 управления аттенюатором соединен с выходом пятого блока 21 сравнения. Выходы третьего 15 и седьмого 30 ключей соединены с входами первой 31 и второй 32 диф- ференци-рующих цепей соответственно, а их выходы соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ 13, выходом соединенного с м вторым входом отсчетного устройства. 22, Сигнальные входы третьего 15 и седьмого 30 ключей соединены с выходом эталонного генератора 14. Сигнальный вход тактового генератора 7 подключен к выходу первого согласующего усилителя 2 ,и сигнальному входу аттенюатора 1, а второй вход четвертого блока 12 сравнения - к выходу генератора 8 пилообразного напряжения.

Цифровой интегрирующий вольтметр может работать в режиме автоматической коррекции неидентичности ампли- тудных характеристик каналов, а также в режиме измерения суммы и дифференциальной составляющей входных напряжений.

Управление указанными режимами осуществляется тактовым генератором 7 по заданной, циклограмме подачей соответствующей комбинации напряжений на управляющие входы ключей 4,

5и 23, а также на вход блока 6 управления аттенюатором.

На фиг.З наличие положительного напряжение на соответствующих выходах 39-43 обеспечивает открытое состояние ключей 4 и 5, образование связи между выходом ключа 23 и выходом аттенюатора 1, формирование генератором 8 пилообразного напряжения, линейно нарастающего напряжения, а также сдвиг информации, записанной в регистре 33 сдвига блока

6управления аттенюатором на одном разряде.

При нулевом уровне напряжений ча соответствующих выходах 39-43 такто- вогр генератора 7 ключи 4 и 5 закрыты, выход ключа 23 связан с выходом f согласующего усилителя 3, генератор В пилообразного напряжение находится в заторможенном режиме, на выходе блока 6 управления аттенюатором со-- храняется введенная в него информа- 0 ция в исходном состоянии либо в предыдущем цикле.

Первые гармоники сигналов, поступающих на вход устройства, имеют вид

и, (t) Y,, sinOt,(1)

5 UjCt)- ,81п(ос+ф), (2) где Yj и Yj - амплитудные значения

сигналов U(t) и U (t) ; t - круговая частота;

Ц) - относительный фазовый 0сдвиг межд у сигналами.

В режиме коррекции амплитудной неидентичности каналов сигнал (1) через согласующий усилитель 2, аттенюатор 1 поступает на первый вход клю- 5 ча 23 и через ключ 4-, согласующий усилитель 3 - на его второй вход. Напряжения, образующиеся на выходе аттенюатора 1 и согласующего усилителя 3 (фиг.4, а, 5 ), 0 и; (t) KjYiSinuX; (3) U(t) K Y sintOt (4) подключаются поочередно к входу ам- плитудного детектора 27 ключом 23, управляемым прямоугольным напряже- 5 нием.

Uj(t) Yjsign sinQt (5) тактового; генератора 7 (фиг. 5,э ). В выражениях (3) - (5) К,,- Hai- чальное значение коэффициента пере- 0 дачи тракта вход устройства - выход аттенюатора 1; К - коэффициент передачи тракта вход устройства - выход согласующего усилителя 3 и коэффициенты передачи ключей 4 и 5 пола- 5 гаем равными единице.

Коэффициенты передачи К, и Кл и начальное соотношение между Н1-1ми выбираются исходя из условия обеспечения линейного режима каскадов и 0 возможной амплитудной неидентичности каналов.

При работе ключа 23 с частотой ffi на амплитудный детектор 27 воздействует напряжение, представляющее 5 собой амлитудно-модулированное напряжение с прямоугольно огибающей (фиг. 4,0 ). Амплитудный детектор 27 и полосовой усилитель 28, настроенный на частоту -выделяют

первую гармонику огибающей ампли- тудио-модулированного сигнала (фиг. 4, и).

U(t) (Ki-Kj)8iniJt, (6 где К„ - коэффициент передачи тракт амплитудный детектор 27 - полосовой усилитель 28; Q ZTTF - круговая частота. Если коэффициенты передачи фазового детектора 29 и инвертора 24 принять равными единице, то постоянные составлякище пульсирующего напряжения на выходах фазового детектора 29 и инвертора 24 будут иметь соответственно вид (фиг.4,Q)

tKjY CKi-Kj) .(7) Ue TKjYi(Ki-Kj). (8) Полярность выходных напряжений (7), (8) .определяется соотношением между К и Kj.

Постоянные составляющие пульсирующих напряжений на выходах выпря 25 и 26 при единичных коэффициентах передачи определяются сооветственно выражениями

, KjYj .

(9) (10)

Напряжения (7 ) и (8 поступают на первые входы блоков 10 и 9 сравне ния, а напряжения (9) и (1,0) - на первые входы блоков II и 12 сравнени

В режиме коррекции и измерения цикл измерения задается тактовым генератором 7.

Переменное напряжение с выхода усилителя 2 поступает на вход нуль- органа 35, на выходе которого образуются импульсы, соответствующие моментам перехода напряжения через нулевой уровень. Указанные импульсы суммируются в счетчике 36, разрядные выходы которого подключены к входам дешифратора 37 в соответствии с заданной программой работы вольтметра. Моменты появления импульсов на выходах формирователя 38 и их длительности определяются моментами перепадов напряжений на вы- ходах дешифратора 37 (фиг.5 Л -ч

При подаче на вход генератора 8 пилообразного напряжения импульса запуска (фиг.5,6, фиг.4, ж) на его выходе образуется опорное пилообразное напряжение Uj, (фиг.4,с: ), поступающее на вторые входы блоков 9- 12 сравнения. На вьпсодах блоков 9-12 сравнения формируются прямоугольные

j fO

53926

импульсы, соответствующие временным интервалам, когда пульсирующие напряжения на выходах фазового детектора 29, инвертора 24 и выпрямителей 25 и 26 больше опорного пилообразного напряжения (фиг.4, , J , - л ) . Прямоугольные импульсы с выходов блоков 9 и 10 сравнения открывают ключи 16 и 17, ас выходов блоков 11 и 12 (фиг. 4,к. Л.) открывают ключи 15 и 30. При этом выход опорного генератора 14 на время, . равное суммарной длительности импульсов, через ключи 15 и 30 (фиг,4,м,н), 15 дифференцирукицие цепи 31 и 32, а

также элемент ИЛИ 13 (фиг . 4., О ) подключается к первому входу отсчетного устройства 22, которое зафиксирует суммарное значение входных сигналов, и через ключи 16 и 17 - к входам интеграторов 18 и 19, а также к первому либо второму входам интегратора 20. Ключ 30 инвертирует импульсы эталонного генератора, а дифференци20

я.

25 рующие цепи 31 и 32 дифференцируют импульсы, поступающие с ключей 15 и 30, на выходе дифференцирующих цепей 31 и 32 образуются короткие импульсы, что позволяет зафиксировать 30 отсчетным устройством сумму входного сигнала. В результате при Kj Kg интеграторы 18 и 20 зафиксируют число

NI N. KyKyYi (), (11) 35 где Ку - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты Q , частоты опорного генератора 14 и длительности цикла измерения.

При на выходах интеграторов 19 и 20 .получим соответственно цифровые отсчеты

N2 KyK3Yj(K2-K,), (12) N (Ki-Kj). (13) Знак цифрового отсчета интегратора 20 определяется состоянием блока 21 сравнения в зависимости от кодов, введенных в интеграторы 18 и 19.

Одновременно в отсчетное устройство 22 вводится число

N+ K yY.XKi-Kg), (14) где Ку - коэффициент пропорциональности, зависящий от частот входных

сигналов, эталонного генератора и Дпительности цикла измерения. Числа (11), (13) и (14), введенные в отсчетное устройство 22, могут быть , использованы для оценки относитель,ной амплитудной неидентичности каналов до коррекции

.

N,

(15)

Перед началом первого цикла с так тового генератора 7 через первый вход 39 блока 6 управления аттенюатором на вход регистра 33 сдвига поступает импульс (фиг.5,0.), устанавливающий на первом его выходе единичную информацию (фиг.5, Н), Указанная информация записывается в триггере старшего разряда триггер- ной ячейки 34.п и поступает на первый вход схемы И, входящей в состав этой ячейки, выходом подключенной к входу старшего разряда управляемо - го аттенюатора 1. В зависимости от знака разности N,-N3, подаваемого по окончанию первого цикла с выхода блока 21 сравнения через второй вход блока 6 управления аттенюатором на второй вход триггерной ячейки 34.и (фиг.)., последняя либо остается в единичном или переходит в нулевое состояние, в последнем случае старший разряд аттенюатора 1 отключается.

Перед началом второго и последующих циклов импульсы с выхода так- тового генератора осуществляют сдвиг в регистре 33 единичной информации . на один разряд, прикладывая последовательно ее к первым входам триггер- ных ячеек 34,(п-1)-34.п блока 6 уп- равления аттенюатором.

Поскольку для коррекции используется лишь знак амплитудной неиден- тичности каналов, а не ее абсолютное значение, точность коррекции не зави сит от формы входных сигналов.

Преобразование уровня входного сигнала U (t) в коды N., N, N , N во втором и последующих циклах происходит описанным образом. По окон- чании каждого цикла на выходе блока 21 сравнения появляется информация о знаке разности , используемая для установки каждой из .триггерных ячеек 34.(п-1)-34.1 в нулевое или в единичное состояние, воздействующая на коэффициент передачи К. .5, е - Л). Количество циклов, необходимых для коррекции, соответствует числу разрядов п управляемого атте- нюатора 1. После каждого цикла измерения отсчетным устройством 22 может быть произведена оценка коррекции относительной амплитудной неидентичности каналов в соответствии с (15) Точность коррекции определяется чувствительностью тракта вход амплитудного детектора 27 - выход блока 21 сравнения, формирующего его амплитудной неидентичности каналов, и весом мпадще,го разряда.

Для выполнения измерения ключ 4 переводится в закрытое состояние, а ключ 5 - в открытое-состояние (фиг.5 Ь, Ь), блок 6 управления аттенюатором хранит код коррекции, сформированный в предыдущем режиме.

Сигналы (1) и (2), поступающие на вход устройства через согласующий усилитель 2 и аттенюатор 1, а также через ключ 5 и согласующий усилитель 3 соответственно поступят на сигнальные входы ключа 23 и на входы выпрямителей 25 и 26. Если счи -д тать, что после коррекции , то на выходе полосового усилителя 28 выделяется первая гармоника амп- литудно-модулированного сигнала

U(t) К Kj(Y,-Y2)sinfft, (16J интегратор 20 зафиксирует число, пропорциональное разности входных сигналов (дифференциальной составляющей) , знак ко торого определяется соотношением между Yj и Y - N (Yj-Y2), (J7) a на первый вход отсчетного устр ой- ства 22 с выхода элемента ИЛИ 13 поступает число импульсов, пропорциональное сумме входных сигналой N+ KK(Yi+Y2) (18) Числа (17) и (18), введенные в отсчетное устройство 22, могут быть использованы для управления системами автсматического регулирования, в которых регулирующим параметром является отношение разности сигналов к их сумме, а также для определения значений каждого из входных сигналов

N- - N.

N- + NH(19) (20)

Результаты измерения являются преобразованием усредненных за цикл измерения мгновенных значений входных сигналов и их дифференциальной составляющей.

Формула изобретения

1. Цифровой интегрирующий вольтметр, содержащий управляемый аттенюатор, первый ключ, сигнальным входом соединенный с первой входной шиной, вторую входную шину, через второй ключ соединенную с выходом первого ключа, генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого блоков сравнения, а вход - с вторым выходом тактового генератора, элемент ИЛИ, тре- тий, четвертый, пятый, шестой и седьмой ключи, опорный генератор, соединенный с сигнальными входами четвертого, пятого, третьего и седьмого ключей, первый и второ й интеграторы входы которых соединены с первым и вторым входами третьего интегратора, третий вход которого соединен с вы- ходом пятого блока сравнения, входы которого соединены с выходами перво- го и второго интеграторов, выход третьего интегратора соединен с первым . ВХ0ДОМ счетного блока, второй вход первого блока сравнения соединен с выходом инвертора, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с третьим и четвертым выходами тактового генератора, управляющий вход шестого ключа соединен с пятым выходом тактового гене- ратора, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены блок управления аттенюатором, два согласующих усилителя, два выпрямителя, амплитуд ный детектор, полосовой усилитель, фазовый детектор, две дифференцирующих цепи, вход первого выпрямителя соединен.с выходом аттенюатора и первым сигнальным входом шестого ключа, а вход второго выпрямителя - с вторым сигнальным входом шестого ключа и с выходам второго согласующего усилителя, .вход которого соеди- не|Н с выходсм второго ключа, выход шестого ключа через последовательно соединенные амплитудный детектор и полосовой усилитель соединен с первым входом фазового детектора, второй вход фазового детектора соедине с управляющим входом шестого Ключа, а его выход - с входом инвертора и вторим входом второго блока сравнет нйя, выходы первого и второго выпрямителей соединены соответственно с вторыми входами третьего и четвертого блоков сравнения, выходы которых соединены с управляющими входами третьего и седьмого ключей соответственно, выходы первого и второго :блоков сравнения соединены с управляющими входами четвертого и пятого ключей, первый вход блока управления аттенюатором соединен с первым выходом тактового генератора, второй вход - с выходом пятого блока сравнения, выходы третьего и седьмого ключей соединены с входами первой и второй дифференцирующих цепей соответственно, а их выходы соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с вторым входом счетного блока, сигнальный вход тактового генератора соединен с сигнальным входом аттенюатора и выходом первого согласующего усилителя, вход которого соединен с первой входной шиной, а управляющий вход аттенкйтора соединен с выходом блока управления аттенюатором, выходы четвертого и пятого ключей соединены с входами первого и второго интеграторов соответственно.

2. Вольтметр поп.1, отличающийся тем, что блок управления аттенюатором содержит регистр сдвига, вход которого соединен с первым входом блока управления аттенюатором, и п триггерных ячеек, каждая из. которых первым входом соединена с соответствующем разрядным выходом регистра, вторыми входами с вторым входом блока управления аттенюатором, а выходами - с выходом блока управления-аттенюатором.

39 0 т 142 5

А А А А

Вход

J5

Фиг.2

5 г Г

35

Фиг.З

I e«/o5J9 Режим коррекции

a

Режим измерения

Изобретение может быть исполь-: зовано для измерений среднего значения дифференциальной составляющей двух напряжений произвольной формы, а также их суммы. Целью является повьшение точности измерения дифференциальной составляющей. Устройство содержит управляемьм аттенюатор I, ключи 4, 5, 15, 16, 17 и 23, тактовый генератор 7, генератор 8 пило- образно-го напряжения, блоки 9-12 и 21 сравнения, элемент ИЛИ 13, опорный генератор 14, интеграторы 18-20, счетный блок 22 и инвертор 24. Введение блока 6 управления аттенюатором и его выполнение, а также со- гласзтощихся усилителей 2 и 3, выпрямителей .25 и 26, амплитудного детектора 27, полосового усилителя 28, фазового детектора 29 и дифференцирующих цепей 31 м 32 позволяет обеспечить независимость результатов измерения от значения фазового сдвига между входными сигналами и независимость коррекции амплитудных характеристик каналов от формы входных сигналов . 1 3. п. ф-лы, 5 ил. С ® со М1 к 00 сд Од со IS5

ЛААА7 7 А7Уе ,

ГПГПП П П П П n,t , .«Э

ппп п п

л л

я ИМ fill III II ,

Составитель А.Морозов Редактор С.Пекарь Техред И.Поповкч Корректор Е.Сирохман

«« -«.- «.„ - -. - - - --...„.„- - - „™.ч. -.

Заказ 7639/47 Тираж 730Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Ир, ,(к гм.-т, .

Фиг. 5