Способ измерения среднего значения периодических сигналов Советский патент 1987 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к технике электроизмерений и может быть использовано в приборах для измерения интегральных характеристик сигналов.

Цель изобретения - повьшение точности измерения путем учета некратности частоты выборок мгновенных значений сигнала и частоты сигнала.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для осуществления способа измерения среднего значения периодических сигналов; на фиг. 2 - функциональная схема вычислительного блока, входящего в состав устройства.

Способ измерения среднего значения периодических сигналов заключается в том, что периодически измеряют мгновенные значения сигнала с периодом, меньшим периода сигнала, суммируют измеренные мгновенные значения и делят полученную сумму. Дополнительно измеряют интервал времени между последним измерением мгновенного значения и концом периода сигнала, вь1числяют отношение измеренного интервала времени к периоду измерения мгновенных значений сигнала, перед суммированием мгновенных значений умножают на полученное отношение последнее измеренное мгновенное значение сигнала, а сумму делят на сумму числа измерений мгновенных значений и отношения измеренного интервала времени к периоду измерения мгновенных значений, уменьшенную на единицу Для повышения точности перед суммированием мгновенных значений умножают первое и последнее мгновенное значение на отношение измеренного интервала времени к периоду измерений мгнове 1ных значений, увеличенное на единицу и делят пополам.

Устройство, реализующее предлагав емый способ, содержит дискретиза- тор I, сумматог 2, вычислительный блок 3, устройство 4 выделения периода, первый 5 и второй 6 одновибрато ры,, элемент И 7, генератор 8 тактово частоты, первый 9 и второй 10 счетчи ки., элемент- 11 задержки, первый 12 и второй 13 элементы ИЛИ, блок 14 запуска и элемент 15 задержки. Вход ус ройства через дискретизатор 1 и сумматор 2 соединен с первым входом вычислительного блока 3, а через устройство 4 выделения периода - со входом одновибраторов 5 и 6 и первым

0

входом элемента И 7. Выход генератора 8 тактовой частоты соединен со вторым входом элемента И 7, выход которого соединен со счетным входом счетчика 9. Выход переполнения счетчика 9 соединен со счетным входом счетчика 10, а. через элемент 11 задержки - с первым входом элемента ИЛИ 12 и с первым входом элемента ИЛИ 13. Выход блока I4 запуска соединен с управляющим входом устройства 4 выделения периода, входом установки в ноль счетчика 10, вторым входом элемента ИЛИ 12 и входом установки в ноль сумматора 2. Выход элемента ИЛИ 12 соединен со входом установки в ноль счетчика 9. Выход одновибрато- ра 5 соединен со вторым входом элемента ИЛИ 13, выход которого соединен с управляющим входом дискретизато- ра I и через элемент задержки 15 - с управляющим входом сумматора 2. Выход дискретизатора 1 соединен со вто5 рым входом вычислительного блока 3. Информационные выходы счетчиков 9 и 10 соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислительного блока 3. Выход одновибратора 6 соединен сС пятым входом вычислительного блока 3, выход которого является выходом устройства.

Вычислительный блок 3 содержит устройства 16-19 выборки и хранения (УВХ), сумматор 20, перемножитель 21,

5 инвертор, 22, масштабный элемент 23, сумматор 24 и делитель 25. Первый, второй, третий и четвертый входы вычислительного блока 3 соединены соответственно со входами устройств 16-19 выборки и хранения, управляющие входы которых соединены с пятым входом вычислительного блока 3. Выход устройства 16 выборки и хранения соединен с первьм входом сумматора 20. Выход устройства 17 выборки и хранения соединен с первым входом перемножителя 21 и через инвертор 22 - со вторым входом сумматора 20. Выход устройства 18 выборки и хранения через масштабный элемент 23 соединен со вторым входом перемножителя 21 и первым входом сумматора 24. Выход 18 устройства выборки и хранения соединен со вторым входом сумматора 24, выход которого соединен со входом делителя 25. Выход перемножителя 21 соединен с третьим входом сумматора 20, выход которого соединен со входом делимого де0

0

5

0

5

3129

лителя 25. Выход делителя 25 является выходом устройства.

Для реализации вычислений вычислительный блок 3 должен содержать пятое устройство выборки хранения (не показано), информационный вход которого должен быть подключен к выходу дискре тизатора 1, а управляющий вход - к выходу одновибратора 5,

Сущность способа измерения среднего значения периодических сигналов заключается в следующем.

Начиная от начала периода сигнала измеряют его мгновенные значения V. с периодом Т. Последнее мгновенное значение измеряют через интервал времени &Т Т после измерения предпоО

следнего мгновенного значения V . Измеряют интервал лТ. При этом площадь, ограниченная кривой изменения

h-1

сигнала во времени, равна ZZ V Т +

1:О

+ , а период Т сигнала выражается следующим образом:

Т (тг-1)Т„ + &Т„. Среднее значение периодического сигнала равно

gUiT. ,

V

: (n-J)

(&, ,

i 1 &T

(I)

где di --- - отношение измеренного

о

интервала времени к периоду измерени мгновенных значений сигнала.

Более точно среднее значение сигнала определяется из выражения

и -1- /г V 4- ii V + cp „,+ . (2- V; + 2

12

-9- V)

Для анализа погрешности способа можно рассмотреть усреднение синусоидального сигнала, равное

Ug, (t) (2irft),

где V и f - амплитуда и частота из- 50 меряемого напряжения.

Для удобства дальнейшего анализа выражения (I) и (2) представим соответственно в следующем виде:

V.,. -:j;- Z V. + (-})Vj (4)

V -i- f Г V + V

n-l + dLfTT

,.-:lvj(5)

Измерения (выборки) мгновенных значений измеряемого сигнала производятся, начиная с момента времени , через интервалы времени Т 1/f, где f - частота выборок. Среднее значение синусоидального напряжения (3) за период равно нулю. Поэтому при подстановке (3) в выражения (4) и (5) получим значения абсолютных погрею- ностей измерения, отношение которых к V дает соответствующие приведенные погрешности

Vn b n:sinl2Jt(i-l) f/f.

+ (d-1) sinUi«(n-l) f-

(6)

S -i- 5 n-H-ol

(li: (i-l) §- + L J

+ - sin 2Г.(п-1) (7)

Сумму синусов в выражениях (6) и (7) можно представить в следующем вие:

i::sin 2B(i-i) f-

iisL(nii)l f sinlD u k)

(I)

sin (71 |-)

я

k

35

п - 1 +d..

(8)

40

Используя полученные выражения,упростим выражения (6) и (7)

sin(«r §-)sin(dL-1)71 f-

45

--(

- I- sin (f

+ (l-cJL)sin(2ild. §-)

о J

Г sin 0.5т1-) sin(d.-l)1t 7-1 fc f ..

(9)

Д

sin (« |-)

- n

(3)

из- 50

+ -2 sin (23Td|-)

(10)

Частота „ выборок выбирается больше частоты измеряемого сигнала,

так, чтобы выполнялось неравенство -- 1. В зтом случае выражения (9)

о

И (10) можно упростить. в результате получим

S,-.i(l-ci)Tr (f-)S (П)

О

б,йЛ-0 f- (|-)

(12)

Максимальные значения погрешностей

имеют место при с(- 1/2 для выраже/2НИН (11) и при dL - для выражения

(12)

S И -с Г (7 )

JMOKC

4 Ч„

S А f-v

Va.C , 12 4j

(13)

(14)

При измерении косинусоидального напряжения U (t) (2Ift), проводя аналогичный расчет, получим соответственно значения погрешностей

С« 2,7 (|-) (15)

f 8 к1,Э(|-)

SMttKC f

(16)

При измерении синусоидального напряжения с произвольной фазой V Ц, (t) V,,sin(27rft+4 ) погрешность

равна

cos Ч +& sin у

IMOlM

s s.

макс1 мохе

Де. &i«u...

тей, рассчитываемые по формулам {i4), (15), (16) и (17) соответственно.

(17) - значения погрешнос12969536

Предлагаемый способ Может быть использован для измерения не только среднего значения периодических сигналов, но и других интегральных ха5 рактеристик периодических сигналов. При этом в выражения (1) и (2) вместо мгновенных значений измеряемого сигнала следует подставить их абсолютное значение при измерении средневы 0 прямленного напряжения, квадрат мгновенных значений при измерении действующего значения напряжения (результат будет пропорционален квадрату действующего значения напряжения) и произ 5 ведение мгновенных значений тока и напряжения при измерении активной мощности.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим об20 разом.

От блока 14 запуска поступает короткий импульс, который обнуляет счетчик 10, а через элемент ИЛИ 12 - счет- 25 чик 9, запускает устройство 4 вьщеле- ния периода и обнуляет сумматор 2. Устройство 4 вьщеления периода формирует на своем выходе сигнал высокого уровня на время, равное периоду исШксимальный выигрьш в точности 30 следуемого сигнала. По положительному

фронту сигнала с выхода устройства 4

измерения достигается при расчете искомого среднего значения по формуле (2). При расчете по формуле (2) по2

грешность будет меньше в --(f/f) раз для синусоидального напряжения

и 1,3 () раз для косинусоидального напряжения. На практике частота выборок устанавливается не менее чем в десять раз больше максимальной частоты измеряемого сигнала, поэтому предлагаемый способ обеспечивает по- вьш1ение точности измерения синусои35

40

выделения периода открывается элемент И 7 и запускается; одновибратор 5, который через элемент ИЛИ 13 запускает дискретизатор I, который произвр- дит первую выборку мгновенного значения измеряемого сигнала. Через открытый элемент И 7 на счетный вход счетчика 9 от генератора 8 тактовой частоты начинают поступать импульсы высокой частоты. После каждого переполнения счетчика 9 происходит его сброс в ноль через элемент 11 задержки и элемент ИЛИ 12 (время задержки

дального сигнала более чем в 300 раз с выбирается больше времени выборки в

и косинусоидального сигнала более чем в 100 раз.

При измерении среднего значения сигналов произвольной формы предлагаемый способ также обеспечивает повышение точности измерения. Исключение составляют только сигналы прямоугольной формы, для которых единственным путем повьщ1ения точности измерения является увеличение отношения f /f, т.е. при заданном диапазоне частот измеряемого сигнала увеличение частоты выборок.

50

дискретизаторе 1), прибавление едини цы к содержимому счетчика О и запус дискретизатора 1 через элемент ИЛИ В результате этого в счетчике 10 накапливается число, равное числу выборок, а дискретизатор I осуществляе выборки мгновенных значений измеряемого сигнала, которые через время задержки, определяемое элементом 15 55 задержки и достаточное для завершения переходного процесса в дискретизаторе 1, суммируются в сумматоре 2 По окончании периода измеряемого сиг нала закрывается элемент И 7 и запу

5

0

выделения периода открывается элемент И 7 и запускается; одновибратор 5, который через элемент ИЛИ 13 запускает дискретизатор I, который произвр- дит первую выборку мгновенного значения измеряемого сигнала. Через открытый элемент И 7 на счетный вход счетчика 9 от генератора 8 тактовой частоты начинают поступать импульсы высокой частоты. После каждого переполнения счетчика 9 происходит его сброс в ноль через элемент 11 задержки и элемент ИЛИ 12 (время задержки

выбирается больше времени выборки в

дискретизаторе 1), прибавление единицы к содержимому счетчика О и запуск дискретизатора 1 через элемент ИЛИ 13. В результате этого в счетчике 10 накапливается число, равное числу выборок, а дискретизатор I осуществляет выборки мгновенных значений измеряемого сигнала, которые через время задержки, определяемое элементом 15 задержки и достаточное для завершения переходного процесса в дискретизаторе 1, суммируются в сумматоре 2. По окончании периода измеряемого сигнала закрывается элемент И 7 и запускается одновибратор 6, выходной сигнал которого достаточный для завер- шения переходного процесса в элементах схемы поступает в вычислительный блок 3 и осуществляет запись соответ- ствующих сигналов в устройствах 15-19 выборки и хранения. При этом устройство 16 выборки и хранения запоминает сигнал, равный IlV. Устройст-

1 1

во 17 выборки и хранения запоминает I

последнее выбранное мгновенное значение измеряемого сигнала V . Устройство 18 выборки и хранения запомина- ет содержимое счетчика 9, являющееся цифровым эквивалентом дополнительного интервала времени между последней выборкой и коццом периода измеряемого сигнала. Устройство 19 выборки и хранения запоминает содержимое счетчи- ка 10, на единицу меньше числа выборок. Сигнал с выхода устройства 16 выборки и хранения поступает на первый вход сумматора 20, на второй вход которого поступает сигнал, равный V. Масштабный элемент 23 преобразует сигнал с выхода УВХ 18 в сигнал i , равный отношению дополнительного интервала времени к периоду выборок. Сигнал А поступает на второй вход перемножителя 21, на первый вход которого поступает сигнал V. В результате перемножения на третий вход сумматора 20 поступает сигнал diV и на его

n-t выходе формируется сигнал ЕГ - + .

После суммирования сигналов d и f -1

на сумматоре 24 и деления соответствующих сигналов в делителе 25 образуется сигнал, описываемый выражением (О.

Предлагаемый способ измерения среднего значения периодических сигналов (по сравнению с известными) позволяет учесть влияние некратности частоты выборок мгновенных значений сигна

ла и частоты сигнала, что обеспечивает повышение точности измерения.

Формула изобретения

1. Способ измерения среднего значения периодических сигналов, включающий периодические измерения мгновенных значений сигнала с периодом, меньшим периода сигнала, суммирование измеренных мгновенных значений и деление полученной суммы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют интервал времени между последним измерением мгновенного значения и концом периода сигнала и определяют . среднее значение сигнала U по соотношению

35

5

0

0

5

и

h-1

ПЛ (

« П-1+dL

1 I

где и. - одно из измеренных мгновенных значений. В;

и„ - последнее измеренное мгновенное значение. В;

п - число измерений мгновенных значений;

ct - отношение длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значений.

2. Способ по п. 1, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности, первое и последнее слагаемые суммы определяют по соотношениям

V, -i „,;

v --Ч U..

где V и V - соответственно первое и последнее слагаемые суммы;

0 - первое измеренное мгновенно е 3 начение.

/

вх.5

cfJuff.Z

вб/Х.

Изобретение относится к технике электроизмерений. Может быть использовано в приборах для измерения интегральных характеристик сигналов, Вх. Цель изобретения - повышение точности измерения. Предложенный способ заключается в следующем. Периодически измеряют мгновенные значения сигнала с периодом, меньшим периода сигнала. Суммируют измеренные мгновенные значения , Среднее значение определяется исходя из полученной суммы, количества измерений, а также величины интервала меяду последним измерением мгновенного значения и концом периода сигнала. Устройство для реализации предложенного способа содержит диск- ретизатор 1, сумматор 2, вычислительный блок 3, устройство 4 вьщеления периода, одновибраторы 5, 6, элемен И 7, генератор 8 тактовой частоты, счетчики 9, 10, элементы П, 15 задержки, элементы ИЛИ 12, 13, блок 14 запуска I з.п. ф-лы, 2 ил. а & (Л С ffeff(. СО О5 Г). СП СА: