Цифровой вольтметр Советский патент 1987 года по МПК G01R19/25 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах контроля и управления промьгашенными технологическими процессами для измерения среднего, средневыпрямленного и среднеквадратичного (действующего) значений периодического напряжения в диапазоне инфранизких частот.

Целью изобретения является упрощение вольтметра.

На фиг. 1 представлена схема цифрового вольтметра; на фиг. 2 - схеЦифровой вольтметр (фиг. жит блок 1

20

25

ма аналого-цифрового преобразователя; 15 гистр 12. Первый вход сдвигового регистра 12 соединен с перв)м выходом, а выход - с первым входом сумматора 11. Второй вход сдвигового регистра 12 является управляющим входом, вто- рой вход сумматор 11 - информационным .входом, а его второй выход - информационным выходом накапливагощего сумматора 9.

Ар1алого-дифровой преобразователь 2 (фиг. 2) содержит компаратор 13, коммутатор 14, регистр 15 последовательного приближения и цифроаналого- |вьм преобразователь 16. Выход компаратора 13 соединен с первым входом коммутатора 14, выход которого соединен с первым входом регистра 15 последовательного приближения, первый выход которого является первым выходом аналого-цифрового преобразователя 2. Второй выход регистра 15 через цифроаналоговый преобразователь соединен с вторым входом компаратора 13. Первый вход компаратора 13 является информационным входом аналого-цифрового преобразователя 2. Второй вход регистра 15 последовательного приближения является вторым входом аналого-цифрового преобразователя 2. Второй и третий входы комна фиг. 3 - схема блока управления.

1) содервходных усилителей, аналого-цифровой преобразователь 2, блок 3 определения периода, формирователь 4 частоты, блок 5 управления, генератор 6 импульсов, умножитель 7, счетчик 8 объема выборки, накапливающий сумматор 9 и выходной регистр 10.

Вход блода 1 входных усилителей является входом вольтметра. Первый выход блока 1 входных усилителей соединен с первым информационным входом аналого-цифрового преобразователя 2, а второй выход - с входом блока 3 определения периода. Первый вход формирователя 4 частоты соединен с первым выходом блока 3 определения периода, а второй вход - с первым тактовым выходом генератора 6 импульсов. Первый вход запуска блока 5 управления соединен с выходом формирователя 4 частоты, а второй вход - с вторым выходом блока 3 определения периода. Третий вход и первый управляющий выход блока 5 управления соединены соответственно с первым выходом (Останов цикла) и вторым вхо30

35

40

дом (Пуск) аналого-цифрового преоб- с мутатора 14 являются соответственно

разователя 2, второй выход - с управляющим входом умножителя 7, третий выход - с управляющим входом накапливающего сумматора 9, четвертый выход - с управляющим входом выходного регистра 10, а четвертый вход - с вторым тактовым выходом генератора 6 импульсов. Информационный выход аналого-цифрового преобразователя 2 соединен с информационным (вторым) входом умножителя 7, информационный выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора 9. Третий вход аналого-цифрового

50

55

третьим и четвертым входами аналого- цифрового преобразователя 2. Второй выход регистра 15 последовательного приближения является инфсфмационным выходом аналого-цифрового преобразователя 2.

Умножитель 7 выполнен в виде постоянного запоминающего устройства с дополнительным управляющим входом для переключения режимов измерения путем коммутации различных участков памяти.

Блок 5 управления (фиг. 3) содержит семь триггеров 17 - 23, одновибпреобразователя 2 соединен с информационным выходом накапливающего сумматора 9, четвертый вход - с вторым управляющим выходом блока 5 управления, информационный выход - с вторым входом выходного регистра 10, выход которого является информационным выходом вольтметра. Пятый вход и пятый управляющий выход блока 5 управления соединены соответственно с выходом и входом счетчика 8 объема В)1борки.

Накапливающий сумматор 9 (фиг. 1) содержит сумматор 11 и сдвиговый ре0

5

третьим и четвертым входами аналого- цифрового преобразователя 2. Второй выход регистра 15 последовательного приближения является инфсфмационным выходом аналого-цифрового преобразователя 2.

Умножитель 7 выполнен в виде постоянного запоминающего устройства с дополнительным управляющим входом для переключения режимов измерения путем коммутации различных участков памяти.

Блок 5 управления (фиг. 3) содержит семь триггеров 17 - 23, одновиб

ратор 2А, четыре элемента Н 25-28, один элемент ИЛИ 29 и счетчик 30. Пер вым входом блока 5 управления является второй вход триггера 18, вторым его входом - второй вход триггера 17, третьим его входом - вход одновибратора 24, четвертым его входом - второй вход триггера 21 и пятым его входом - вторые входы двух триггеров 19 и 2-3 и двух элементов И 27 и 28. Первым выходом блока 5 управления служит выход элемента И 2 а вторым выходом - выход триггера 20 Третий выход блока 5 управления сое- тавляют выходы элементов И 26 и ИЛИ 29 и триггера 23, четвертый выход выход элемента И 25 и пятый выход - выход элемента И 26. Выход триггера 17 соединен с третьим входом триггера 18. Выход триггера 18 соединен с третьим входом триггера 19. Выход триггера 19 соединен с первым входом элемента И 27. К выходу одновибратора 24 подключены первые входы трех триггеров 18, 19 и 20 и двух элцмен- тов И 25 и 26. Вторые входы элементо И 26 и 25 подключены к выходу триггера 22, второй вход которого соединен с выходом элемента И 26. Первые входы двух триггеров 17 и 22 и элемента И 28 подключены к выходу триггера 23. Выход элемента И 28 соедине |С первыми входами элемента ИЛИ 29 и счетчика 30. Второй вход элемента

ИЛИ 29 подключен к выходу элемента И 25. Выход триггера 21 подключен к третьему входу триггера 23 и второму входу счетчика 30. К выходу счетчика 30 подключены первые входы двух триг геров 21 и 23, второй вход триггера 20 и четвертые входы двух триггеров 18 и 19.

Цифровой вольтметр работает следующим образом.

Перед началом работы производят выбор измеряемого параметра сигнала (средневыпрямленное или среднеквадратичное значение напряжения) путем включения в работу определенной области памяти в постоянном запоминающем устройстве умножителя по его дополнительному входу. Предварительной начальной установки цифровой вольтметр не требует, так как в конце каждого периода измеряемого сигнала после выдачи очередного результата измерения прибор сам автоматически выходит в исходное состояние.

0

0

5

5

0

0

5

5

0

5

Измеряемое напряжение nonaic f мл вход блока 1 входных усилителем , в котором производят приведение напряжения к определенному уровню, требуемому для работы аналого-цифрового преобразователя 2, в зависимости от выбранного диапазона измерений. Блок 3 определения периода служит для преобразования входного периодического сигнала сложной формы в последовательность импульсов того же периода. Формирователь 4 частоты вырабатывает импульсы с частотой f N/T,, где N- o6beNf выборки, т.е. количество отсчетов мгновенных значений измеряемого напряжения за один период, Т, - период измеряемого напряжения.

Работу формирователя 4 частоты тактируют высокочастотным сигналом от генератора 6 импульсов. Сигналы с выходов блока 3 определения периода, фop п poвaтeля 4 частоты и генератора 6 импульсов являются стартовыми для блока 5 управления.

В начале очередного периода входного напряжения сигналом с выхода блока 3 определения периода, устанавливают триггер 17, сигнал с выхода которого разрешает установку триггера 18. Ближайшим во времени импульсом с выхода формирователя 4 частоты устанавливают триггер 18, сигнал с выхода которого разрешает установку триггера 19. Следующим во времени импульсом от генератора 6 импульсов устанавливают триггер 19, сигнал с выхода которого разрешает прохождение тактовых импульсов генератора 6 импульсов через элемент И 27 на аналого-цифровой преобразователь 2 для

пуска регистра 15 последовательного приближения. Происходит цикл выборки мгновенного значения измеряемого на-- пряжения аналого-цифровым преобразователем 2. При этом на вход регистра 15 последовательного приближения через коммутатор 14 подают выходные сигналы компаратора t3. По окончании цикла выборки регистр 15 последовательного приближения вырабатывает сигнал, который через одновибратор 24 сбрасывает триггеры 18 и 19. Кроме того, сигнал с выхода одновибратора 24 через элемент И 25 поступает на счетчик 8 объема выборки и далее через элемент ИЛИ 29, на накапливающий сумматор 9 как сигнал для накопления к предыдущей сумме очередного отсче

I a, Подача тактовых импульсов через элемент И 27 прекращается. Так как триггер 17 остался в установленном состоянии, то при появления с выхода формирователя 4 частоты очередного стартового импульса п аналого-цифровом преобразователе 2 произойдет очередной цикл выборки мгновенного значения напря-л.еяия, накапливающий сумматор 9 добавит к предьщущей сумме очередной отсчет, а счетчик 8 объема выборки изменит свое состояние на 1, После N-ro цикла выборки счетчик 8 объема выборки сбросится и одновременно выдаст сигнал конца выборки, по которому установится триггер 21, сиг на; с пыхода которого разрепигг установку триггера 23 и работу счетчика 30. Уклижайшим во времени импу:1ь- сом от генератора 6 импульсов установится триггер 23. Сигнал с выхода триггера 23 переведет сдвиговый ре- т истр 12 в режим сдвига и раз1эс1иит прохождение тактовых импульсов через олпме} т И 28 на счетный вход счетчика 30 п далее через элемент Ш1И 29 на тактовый вход сдвигового ротмистра 12. Тот же сигнал с выхода триггера 23 сбрасывает тригг еры 17 и 22. Сдви в сдвиговом регистре 12 накопленной суммы производится с целью нормиро- вачия, т.е. деления суммы на число выборок. Так как сдвиг вправо на оди разряд соответствует делени о на 2, то сдвиг, например, на 10 разрядов соответствует делению на 102А. Счетчик 30 подсчитывает количество тактов сдвига и по окончании последнего такта вырабатывает сигнал завершения режима сдвига. Этим сигналом сбрасываются триггеры 21 и 23 и устанавливаются триггеры 18, 19 и 20. Сигнало с выхода триггера 19 разрешается про

50

хождение тактовых импульсов на регистр, дают на выход накапливающего сумматора 15 последовательного приближения. Начинается цикл вычисления результата измерения. Сигналом с триггера 20 переводят коммутатор 14 в состояние, при котором на вход регистра 15 последовательного приближения передаются сигналы с выхода накапливающего сумматора 9. Цикл вычисления резуль- тата измерения завершается по сигналу с регистра 15 последовательного приближения, который через одновиб- ратор 24 сбрасывает триггеры 18, 19 и 20. Через элемент И 26 зтот сигнал загп1сывает результат измерения в вы55

9,минуя умножитель 7 или через него, но при этом часть объема памяти постоянного запоминающего устройства программируют как повторитель адрес при накоплении суммы и как инвертор адреса при вычислении результата измерений. Такое решение позволяет не изменять алгоритм работы блока 5 уп- ,равления при измерении различных параметров сигнала.

Предла1 аемый цифровой вольтметр, сохраняя все эксплуатационные характеристики известного прибора Ф7228, значительно проще его, так как вы0

15

20 75 зо

35

40

ходной регистр 10 и сбросывает накапливающий сумматор 9. По заднему фронту сигнал с выхода злемента И 26 ус танавливает триггер 22 и блок 5 управления переходит в режим ожидания следующего импульса запуска от блока 3 определения периода.

Фушчцию умножителя 7 в цифровом вольтметре вьлюлняет постоянное запоминающее устройство, часть объема памяти которого запрограммирована как таблица квадратов, когда в режиме измерения среднеквадратичного значения сигнала код на выходе его равен квадрату установленног о адреса. Адресом служит выходной код регистра 1 J 1осле;1.ор.ател1,ного приб чижения .

Извлеьц ние квадратного корня из

ПРОИОРМИРСЖЯННО СумМЫ ПРОИСХОДИТ

с.иедунпцим оПра зом.

По пторчму входу умножитель 7 пе- рек/почается на ту облас ть памяти, где запрограммир(1нана таблица квадратов в пнверсн1.1х кодах. Регистр 15 после- дователы(1го Г1р1- ближения по известному a. irijpirrNiy производит подбор такого числ; ., квадрат которого равен или 6jni3oK к числу, находящемуся в СДПИГС1ВОМ регистре 12. При этом сумматор 1 1 сравнивает число в сдвиговом регистре 12 и квадраты чисел с выхода регистра 15 последовательного приближения. Выходной сигнал переноса старшего разряда сумматора 11 характеризует результат сравнения и подается при извлечении квадратного корня через коммутатор 14 па первый инфор- мационн)1й вход рет истра 15 последо- вательпог о приближения.

При измерении средневыпрямленного значения напряжения отсчеты мгновенных значений напряжения с выхода регистра 1 5 последовательного приближения пере

дают на выход накапливающего сумматора

9,минуя умножитель 7 или через него, но при этом часть объема памяти постоянного запоминающего устройства программируют как повторитель адреса при накоплении суммы и как инвертор адреса при вычислении результата измерений. Такое решение позволяет не изменять алгоритм работы блока 5 уп- ,равления при измерении различных параметров сигнала.

Предла1 аемый цифровой вольтметр, сохраняя все эксплуатационные характеристики известного прибора Ф7228, значительно проще его, так как выполней без сложных фуикцноналъ Ь1Х цифровых блоков перем 1ожителя, делителя и чзвлекатсля К1 адратного корня За счет сокращения аппаратурных затрат на реализацию данный цифровой вольтметр обладает большей надежностью, имеет значительно меньшие габариты, вес и потребляемую мощность, что попытает его потребитель- скую ценность.

Формула изобретения

1. Цифровой вольтметр, содержащий блок входных усилителей, вход которого является входом вольтметра, первый выход блока входных усилителей сое- дине с первым информационным входом аналого-цифрового преобразователя, а второй выход - с входом блока определения периода, формирователь частоты, первый вход которого соединен с первым выходом блока определения периода, а второй вход - с первым тактовым выходом генератора импульсов, вход запуска блока управления соединен с выходом формирователя частоты, второй вход - с вторым выходом

блока определения периода, третий вход блока управления соединен с выходом Останов цикла аналого-цифрового преобразователя, первый выход блока управления соединен с входом Пуск аналого-цифрового преобразователя, а второй выход - с управляющим входом умножителя, третий выход - с управляющим входом накапливающего сумматора, четвертый выход - с управляющим входом выходного регистра, второй тактовый выход генератора импульсов соединен с четвертым входом блока управления, второй выход аналого-цифрового преобразователя соединен с информационным входом умножителя, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход выходного регистра является выходом вольтметра, отличающийся тем, что, с целью упрощения, второй выход блока управления соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, второй информационный вход которого соединен с выходом накапливающего сум. ig

15

3377918

матера, второй выход аналого-цифрового преобразователя соединен с информационным входом выходного регистра, пятый вход и пятьп выход блока управления coeдиt eны с соответствующими входом и выходом счетчика объема выборки .

2. Вольтметр по п. 1, о т л и - ч а ю щ и и с я тем, что аналого- цифровой преобразователь содержит компаратор, цифроаналоговый преобразователь, регистр последовательного приближения и коммутатор, причем выход компаратора соединен с первым входом коммутатора, выход которого соединен с первым входом регистра последовательного приближения, первьп выход которого является BI IXOAOM Останов цикла аналого-цифрового преобразователя, а второй выход через цифроаналоговый преобразователь соединен с вторым входом компаратора, первый вход которого является первым инфор- 25 мационным входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход регистра последовательного приближения является пусковым входом аналого-цифрового преобразователя, второй и третий входы коммутатора являются вторым информационным и управляющим входами аналого-цифрового преобразователя, второй выход регистра последовательного приближения соединен с вторым выходом аналого-цифрового

20

30

35

преобразователя. I

3. Вольтметр по п. 1, о т л и0

5

0

чающиис я выполнен в виде

тем, что умножитель постоянного запоминающего устройства с дополнительным управляющим входом.

4. Вольтметр по п. 1, отличающийся тем, что накапливающий сумматор содержит сумматор, первые вход и выход которого соединены с соответствующими выходом и первым входом сдвигового регистра, причем вторые входы сдвигового регистра и сумматора являются соответственно управляющим и информационным входами накапливающего сумматора, а второй выход сумматора является информационным выходом накапливающего сумматора.

OmS

н5/г.5

фиг. 2

ofTj 5/т 5

К6л.9,Ю

Изобретение может быть использовано . системах контроля и управления .ромышленными технологическими процессами и позволяет упростить кон- стр кцию вольтметра. Вольтметр содержит блок 1 входных усилителей. аналого-цифровой преобразователь .2, блок 3 определения периода, формирователь 4 частоты, блок 5 управления, генератор 6 импульсов, умножитель 7, счетчик 8 объема выборки, накапливающий сумматор 9 и выходной регистр 10, Предложенное функциональное соединение элементов вольтметра исключает необходимость использования сложных блоков, таких как перемножитель, делитель и извлекатель квадратного корня. За счет этого устройство обладает большой надежностью, имеет значительно меньпше габариты, вес и потребляемую мощность. В описании приведены примеры реализации аналого- цифрового преобразователя 2, умножителя 7 и накапливающего сумматора 9. 3 3. п. ., 3 ил. (Л 00 СО Cf3U.i