Устройство для измерения действующего значения напряжения в диапазоне инфразвуковых частот Советский патент 1988 года по МПК G01R19/02 

со о а

00 00

;о

Изобретение относится к области электроизмерений и может быть использовано в вольтметрах инфранизких частот.

Цель изобретения - повышение точности путем повышения помехоустойчивости и снижения влияния дрейфа нуля

На фиг. 1 изображена структурная , схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясня- нлцие работу устройства.

Устройство содержит квадратор 1, выполненный в виде преобразователя квадрата мгновенного значения напря- жения в частоту, вход которого соединен с входной клеммой 2 и входом нуль-органа 3, выход которого соединен с первым входом пересчетного блока 4, сумматор 5, выход которого сое- динен с первым входом блока 6 деления, выход которого подключен к первому входу блока 7 извлечения квадратного корня, генератор 8 импульсов,вы

ход которого соединен с первым входом

первого элемента И 9, второй вход которого соединен с первым входом пересчетного блока 4, а выход - со счетчиком 10 импульсов. Устройство.также содержит блок 11. обнаружения экстре- мума, вход которого соединен с входной клеммой 2, а вькод - со вторым входом пересчетного блока 4. К выходу квадратора 1 через делитель 12 частоты на два подключен первый вход второго элемента И 13, второй вход которого подключен ко второму выходу пересчетного блока 4, а выход - к первому входу первого элемента ИЛИ 14 Первый вход третьего элемента И 15 соединен с выходом квадратора 1,второй вход соединен с третьим выходом , пересчетного блокач4, а выход - ко второму входу первого элемента ИЛИ 14 выход которого подключен к первому входу сумматора 5. Ко второму входу сумматора 5 подключен четвертый выход пересчетного блока 4. Первый вход четвертого элемента И 16 подключен к пятому выходу пересчетного блока 4, а его второй вход - к выходу генератора 8 импульсов. Первый вход пято- гй элемента И 17 соединен с шестым выходом пересчетного блока 4, а его второй вход - с вьгходом генератора 8 импульсов.

Первый вход реверсивного счетчика 18 подключен к четвертому выходу пересчетного блока 4, его второй вход

f 0

5

0 5 0 5 0 5

к выходу четвертого элемента И 16, третий вход - к выходу пятого элемента И 17, а выход - с третьим входом пересчетного блока 4. Вькод счетчика 10 импульсов подключен ко второму зходу блока 6 деления. Седьмой выход пересчетного блока 4 соединен с третьим входом блока 6 деления и вторым входом блока 7 извлечения квадратного корня.

Пересчетный блок 4 содержит мультивибратор 19, первый вькод которого соединен со входом первого одновиб- ратора 20 и первым входом первого элемента И 21, второй вькод мультивибратора 19 соединен с первым входом второго элемента И 22. Объединенные выводы первого 21 и второго 22 элементов И являются первым входом пересчетного блока 4. Выход первого элемента И 21 подключен- к первому входу первого триггера 23. Выход второго элемента И 22 подключен к первому входу первого элемента ИЛИ 24 и первому входу второго триггера 25. Выход первого одновибратора 20 является четвертым выходом пересчетного блока, а также соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ 24 и вторым входом второго триггера 25, третий вход которого является третьим входом пересчетного блока-4. Вькод первого элемента ИЛИ 24 подключен ко второму входу первого триггера 23 и первому входу третьего триггера 26.. Выход первого триггера 23 является первым вькодом пересчетного блока 4 и соединен с первым входом третьего элемента И 27 и первым входом четвертого элемента И 28,-второй вход которого является вторым входом пересчетного блока 4. Вькод третьего элемента И 27 является пятым выходом пересчетного блока 4 и соединен с первым входом второго элемента ИЛИ 29, вькод которого является вторым вькодом пересчетного блока 4. Вькод четвертого элемента И 28 соединен со вторым входом третьего триггера 26, первый вькод которого подключен ко второму входу третьего элемента И 27, а .его второй вькод является третьим вькодом пересчетного блока 4. Первый вькод второго триггера 25 подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ 29 и является шестым вькодом пересчетного блока 4. Второй вькод вто рого триггера 25 подключен к входу

10

второго одновибратора 30, выход которого является седьмым выходом пе- расчетного блока 4..

На временных диаграммах приняты следующие обозначения: U - измеряемое напряжение, f,, - частота на выходе квадратора 1; U , U , U., U Uj , Uj , и Ujg - напряжения на выходах нуль-органа 3, блока 11 обнаружения экстремума, мультивибратора 19, триггеров 23 и 26, элемента И 27, триггера 25 и элемента ИЛИ 29 соответственно, N - число импульсов- в реверсивном счетчике 18, t „i и t ,- 15 моменты выявления синфазных перехо- .дов измеряемого напряжения через нуль соответствующие началу и концу выделяемого периода измеряемого напряжения, - момент выявления максимального значения измеряемого напря- жения, t - момент окончания интегрирования, Т - период измеряемого напряжения, л Т. - погрешность определения периода измеряемого напряжения, ut - погрешность определения момента

перехода измеряемого напряжения через 1

максимум, t - время.

Устройство работает следующим образом, г

Цикл измерения задается мультивибратором 19. Началом цикла является момент возникновения высокого положительного потенциала (состояния логической единицы) на первом (верхнем на фиг. 1) выходе мультивибратора 19. Положительный период приводит к срабатыванию одновибратора 20, в результате чего на выходе последнего появляется короткий импульс, устанавлива- до лов на выходе триггера 23 и втором кщий все разряды сумматора 5 и счетчика 10 в состояние логического нуля (низкого потенциала), а разряды реверсивного счетчика 18 - в состояние логической единицы. Импульс одно- 45 нератора 8 импульсов поступают на вибратора 20 используется также для сумг ирующий вход реверсивного счет- быстрого приведения пересчетного бло- чика 18, вследствие чего промежуток ка в исходное состояние, при котором все три триггера 23-26 устанавливаются в состояние логического нуля по первому (прямому) выходу. Установка указанных триггеров в состояние логического нуля осуществляется импульсом одновибратора 20, воздействующим на второй вход триггера 25

нуль-органа 3 и блока 11 обнаружения экстремума. На выходе нуль-органа 3 в моменты перехода измеряемого напряжения через нуль (начала положительных полуволн на фиг. 2а) возникают короткие импульсы, а на выходе блока 11 обнаружения экстремума короткие импульсы возникают в моменты достижения измеряемым напряжением экстремального значения (максимума положительной полуволны на фиг.2а). Высокий потенциал на первом выходе мультивибратора 19 раз{)ешает прохождение выходньк импульсов нуль-органа 3 через элемент И 21 на первый вход триггера 23. В результате первый же выходной импульс нуль-органа 3, прошедший через элемент И 21 в момент

20 времени t , устанавливает триггер 23 в состояние логической единицы. Соответствующий этому состоянию высокий потенциал на выходе триггера 23 разрешает прохождение импульсов

25 через элемент И 9 с выхода генератора 8 импульсов на вход счетчика 10. Кроме этого, высокий потенциал на выходе триггера 23 разрешает прохождение импульсов через элемент

30 И 28 с выхода блока 11 обнаружения экстремума на первый вход триггера 26. Первый же выходной импульс блока 11 обнаружения экстремума, прошедший через элемент И 28 в момент

35 времени t л устанавливает триггер 26 в состояние логической единицы по первому выходу. До момента времени , т.е. в промежутке времени наличие высоких потенциа- юв

выходе триггера 26 приводит к наличию высокого потенциала на выходе элемента И 27, благодаря чему откры элемент И 16. Импульсы с выхода ге50

времени запоминается в реверсивном счетчике 18 в виде числа, соответствующего количеству импуль- . сов, поступивших на его суммирующий вход. С элемента И 27 высокий потенциал передается также на выход элемента ИЛИ 29, благодаря чему открыт 55 элемент И 13. В результате на протянепосредственно и через элемент ИЛИ 24 на вторые входы триггеров 23 и 26, Измеряемое напряжение U поступает одновременно на входы квадратора 1,

0

5

о лов на выходе триггера 23 и втором 5 нератора 8 импульсов поступают на сумг ирующий вход реверсивного счет- чика 18, вследствие чего промежуток

нуль-органа 3 и блока 11 обнаружения экстремума. На выходе нуль-органа 3 в моменты перехода измеряемого напряжения через нуль (начала положительных полуволн на фиг. 2а) возникают короткие импульсы, а на выходе блока 11 обнаружения экстремума короткие импульсы возникают в моменты достижения измеряемым напряжением экстремального значения (максимума положительной полуволны на фиг.2а). Высокий потенциал на первом выходе мультивибратора 19 раз{)ешает прохождение выходньк импульсов нуль-органа 3 через элемент И 21 на первый вход триггера 23. В результате первый же выходной импульс нуль-органа 3, прошедший через элемент И 21 в момент

0 времени t , устанавливает триггер 23 в состояние логической единицы. Соответствующий этому состоянию высокий потенциал на выходе триггера 23 разрешает прохождение импульсов

5 через элемент И 9 с выхода генератора 8 импульсов на вход счетчика 10. Кроме этого, высокий потенциал на выходе триггера 23 разрешает прохождение импульсов через элемент

0 И 28 с выхода блока 11 обнаружения экстремума на первый вход триггера 26. Первый же выходной импульс блока 11 обнаружения экстремума, прошедший через элемент И 28 в момент

5 времени t л устанавливает триггер 26 в состояние логической единицы по первому выходу. До момента времени , т.е. в промежутке времени наличие высоких потенциа- юв

выходе триггера 26 приводит к наличию высокого потенциала на выходе элемента И 27, благодаря чему открыт элемент И 16. Импульсы с выхода гелов на выходе триггера 23 и втором нератора 8 импульсов поступают на сумг ирующий вход реверсивного счет- чика 18, вследствие чего промежуток

времени запоминается в реверсивном счетчике 18 в виде числа, соответствующего количеству импуль- сов, поступивших на его суммирующий вход. С элемента И 27 высокий потенциал передается также на выход элемента ИЛИ 29, благодаря чему открыт элемент И 13. В результате на протяжении промежутка времени t „,-t , импульсы с выхода квадратора поступают через делитель 12 частоты на два, открытый элемент И 13 и элемент ИЛИ 14

на информационньй вход сумматор Элемент И 15 в это-время заперт ким потенциалом, снимаемым с пе выхода триггера 26.

За промежуток времени tj,-t вход сумматора 5 поступает числпульсов равное . V-V

N

и ijt

И1t,

и.

Mi иг

|-Sf,(.t)dt |-Ju ,(t)dt,

де N, ,

Ц1 U1

число импульсов, поступивших на вход сумматора 5 за промежуток времени t,, -t ,, , f(t) - мгновенная частота

на выходе кйадратора 1, S . - коэффициент преобразования (чувствительность) квадратора, Uy(t) - мгновенное значение измеряемого напряжения и.

х t - время.

Коэффициент -- в выражении

(1)

обозначает коэффициент передачи делителя 12 частоты на два.

В момент времени t на втором выходе триггера 26 устанавливается низкий потенциал. Низкий потенциал сохраняется также на втором выходе триггера 25. В результате на вьосодаз4 элементов И 27 и ИЛИ 29 устанавливаются низкие потенциалы, что приводит к запиранию элементов И 13 и 16. В реверсивном счетчике 18 к моменту времени t оказывается записанным число импульсов, пропорциональное временному интервалу ty,-ty.

В то же время высокий потенциал на первом выходе триггера 26 открывает элемент И 15, в результате чего выходные импульсы квадратора проходят на вход сумматора 5 через элемен И 15, минуя делитель 12 частотй на два. Такое состояние устройства сохраняется до опрокидывания мультивибратора 19. После опрокидывания мультивибратора 19 элемент И 21 запирается, а элемент И 22 открывается. В результате первый же импульс, прошедший в момент времени t с выхода нуль-органа 3 через элемент И 22 на первый вход триггера 25, устанавливает его первьй (прямой) выход в состояние логической единицы. Этот же импульс, пройдя дополнительно через элемент ИЛИ 24, воздействует на вторые входы триггеров 23 и 26, в

0

результате чего они устанавливаются в состояние логического нуля. Установка триггера 23 в состояние логического нуля приводит к запиранию элемента И 9. в результате чего прохождение импульсов на вход счетчика , 10 прекращается. Поскольку в течение цикла установка триггера 23 в состояние логической единицы (в момент t ) и его возврат в состояние логического нуля (в момент t) осуществляется с помощью импульсов нуль- органа 3, которые формируются по син15 фазным переходам измеряемого напряжения через ноль, то тем самым триггер 23 выделяет временной интервал ty, -t, равный целому числу периодов измеряемого напряжения. Чтобы

0 обеспечить выделение временного интервала , равного не менее одного периода, продолжительность импульса на первом выходе мультивибратора 19 выбирается больше пе25 риода нижней частоты измеряемого напряжения. Интервал ti,,-t, запоминается в счетчике 10 в виде числа импульсов, поступивших на его вход через элемент И 9 с выхода генера30 тора импульсов 8:

Nio(4,-t.,)fo-nT,

(2)

где N

5

п Т

0

число импульсов, записанных в счетчике 10 за интервал времени tj,,, частота генератора 8 импульсов,

1,2,3--. - целое число, период измеряемого напряжения.

Число N импульсов, поступающих на вход сумматора 5 за временной промежуток t, , определяется выражением5

N, X i f .(t)dt S U4t)dt(3) J

Как было указано вьше, в момент

триггер 26 устанав-пивается в со0

К1

стояние логического нуля, что привод дит к запиранию элемента И 15. Одновременно триггер 25 устанавливаемся в состояние логической единицы по первому (прямому) выходу, в результа- 5 те чего открываются элементы И 13 и И 17 и импульсы с выхода генератора В импульсов проходят на вычитающий вход реверсивного счетчика 18. Когда все разряды реверсивного счетчика

установятся в состояние логического нуля, последующий входной импульс в момент переводит все разряды в состояние логической единицы (фиг. j- 2к) . Возникаклций при этом положительный перепад напряжения на выходе последнего разряда реверсивного счетчика 18 подается на счетный вход триг- гера 25, вызывая его опрокидывание. ю В результате на первом выходе триггера 25 возникает состояние логического нуля, что приводит к запиранию элемента И 17 по второму входу и запрету прохождения импульсов на вычитающий 15 вход реверсивного счетчика 18. Низкие, потенциалы на обоих входах элемента ИЛИ 29 вызывают появление низкого потенциала на его выходе, чем обеспечивается запирание элемента И 13, Про-2о хождение импульсов с выхода квадратора 1 на вход сумматора 5 прекращается.

Поскольку на временном интервале импульсы квадратичного преобразователя (квадратора) 1 поступают 25 на вход сумматора 5 через делитель 12 частоты на два, то их количество N 4 . определяется выражением

kl-tk

ЧгПГГ S fi(t) u ,(t)dt(4)3o

ki

Суммарное количество N5 импульсов,

поступивших на вход сумматора 5 за цикл измерения равно

N,

-4 f V- И1 41 м-г

+ N,

и

- t

Поскольку обратный счет в реверсивном счетчике 18 осуществляется с той же частотой, что и прямой, то тем самым при обратном счете обеспечивается воспроизведение временного промежутка, фиксированного в реверсивном счетчике 18 при прямом счете. Следовательно, временной промежуток

t| -t равен временному промежутку Учитывая это, а также принимая во внимание выражения (1)-(4), выражение (5) можно представить следующим образом.

ui -tKi

5 )dt+S J )dt+|- -u (t)

- ui ,1.

-HI

Sn J u;((t)dt. (6)

0

B момент времени t на втором выходе триггера 25 устанавливается состояние логической единицы. Возникающий при этом положительный перепад запускает одновибратор 30. Короткий вькодной импульс о дновибратора 30 воздействует на вход записи блока 6 деления и вход установки в ноль блока 7 извлечения квадратного, корня Благодаря этому информация с сумматора 5 и счетчика 10 переносится в блок 6 деления, а блок 7 извлечени квадратного корня обнуляется. В результате выполнение операции деления на выходе блока 6 деления появляется число N, импульсов.

г. i

° с

где К, - коэффициент пропорциональности для блока 6 деления. Указанное число импульсов посту- пает на блок 7 извлечения квадратного корня. В результате выполнения операции извлечения квадратного корня в выходном счетчике блока 7 записывается число

252

4)3o

,

35

)

45

50

55

N,K:yN,KjKj- х-1 - u5((t)dt - (8) - о J

о

где К - коэффициент пропорциональности для блока 7 извлечения квадратного корня.

I S Обеспечение условия 1

о

позволяет получить рез-ультат на выходе блока 7 извлечения квадратного корня, численно равным действующему

значению измеряемого напряжения.

Заканчивается цикл измерения в момент перехода мультивибратора 19 в состояние логической единицы по первому выходу. Для нормальной работы устройства длительность на первом выходе мультивибратора 19 должна быть не менее одного периода, а продолжительность паузы между импульсами должна составлять около полутора периода нижней частоты измеряемого напряжения.

Повьшение точности в предлагаемом устройстве (по сравнению с известным) достигается благодаря тому, что интегрирование квадратично преобразованного напряжения производится в течение двух смещенных по фазе и перекрывающихся во времени интервалов t,,- t и , длительности которых равны между собой и кратны периоду, выделяемому из измеряемого напряжения по его синфазным переходам через ноль , (выражение (6) и фиг.26). Начала ийтервалов интегрирования задается в менты времени, соответствующие нулю и максимуму мгновенного значения измеряемого напряжения, в связи с чем погрешности измерения, вызванные неточностью выделения периода (горизонтально застрахованные участки на фиг, 26) на обоих интервалах интегрирования противоположны по знаку и максимально близки по модулю. В результате интегрирования по обоим интервалам указанные погрешности компенсируются, благодаря чему точность измерения напряжения значительно воз- растает..

МО

Формула изобретения

1. Устройство для измерения действующего значения напряжения в диапазоне инфразвуковых частот, содержащее квадратор, выполненный в виде преобразователя мгновенного значения напряжения в частоту, вход которого соединен с входной клеммой и входом нуль-органа, выход которого соединен с первым входом пересчетного блока, сумматор, выход которого соединен с первым входом блока деления, .выход которого подключен к первому входу блока извлечения квадратного корня, генератор импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом пересчетного блока, а выход - со счетчиком импульсов, отличающееся тем что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены блок обнаружения экстремума, вход которого соединен с входной клеммой, а выход с вторым входом пересчетного блока, делитель частоты на два, вход которого соединен с выходом квадратора,второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу делителя частоты на два,- второй вход - к второму выходу пересчетного блока, а выход - к первому входу первого элемента ИЛИ, третий элемент И, первьй вход которого соединен с выходом квадратора, второй вход - с третьим выходом и пересчетного блока, а выход - с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с четвертым выходом пере-

ю- 15

136688910

О- счетного блока, четвертый

, - 20

25

30

зь

40

45

50

55

элемент И, первый вход которого соединен с пятым выходом пересчетного блока, второй вход - с выходом генератора импульсов, пятый элемент И, первый вход которого соединен с шестым выходом пересчетного блока, а второй вход - с выходом генератора импульсов, реверсивный счетчик, первый вход которого соединен с четвертым выходом пересчетного блока и вторым входом счетчика импульсов, второй вход - с выходом четвертого элемента И, третий вход - с выходом пятого элемента И, а выход - с третьим входом пересчетного блока, выход счетчика импульсов подключен к второму входу блока деления, а седьмой выход пересчетного блока - к третьему входу блока деления и второму входу блока извлечения квадратного корня.

2. Устройство по п. 1, о т л и- чающееся тем, что пересчетный блок содержит мультивибратор, первьй, второй, третий четвертый элементы И, первьй и второй элементы liJTM, первьй, второй триггеры, первый и второй од- новибраторы, при этом первьй выход мультивибратора соединен с входом первого одновибратора и первым входом первого элемента И,- второй выход мультивибратора соединен с первым входом второго элемента И, обьединенные вторые входы первого и второго элементов И являются первым входом пересчетного блока, выход первого элемента подключен к первому входу первого триггера выход второго элемента И подключен к первому входу первого элемента ИЛИ и первому входу второго триггера, выход первого одновибратора является четвертым выходом пересчетного блока, а также соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и вторым входом второго триггера,третий вход которого является третьим входом пересчетного блока, выход первого элемента ИЛИ подключен к второму входу первого триггера и первому входу третьего триггера, выход первого триггера является первым выходом пересчетного блока и соединен с первым входом третьего элемента И, первым входом четвертого элемента И, второй вход которого является вторым входом пересчетного блока, выход третьего элемента И является пятым выходом пересчетного блока и соедииен с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого является вторым выходом пересчетного блока, выход четвертого элемента И соединен с вто рым входом третьего триггера, первый выход которого подключен к второму входу третьего элемента И, а второй выход является третьим выходом nejpe366889 2

счетного блока, первый выход второго триггера соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и является шес- с тын выходом пересчетного блока, а второй выход второго триггера подключен к входу второго одновибратора, выход которого является седьмым выходом пересчетного блока.

Изобретение служит для повьппе- ния точности измерения вольтметра ин- франизких частот. Устройство содержит квадратор 1, нуль-орган 3, пересчетный блок 4, сумматор 5, блок 6 деления, блок 7 извлечения квадратного корня, генератор 8 импульсов,, элемент И 9, счетчик 10 импульсов и элемент ИЛИ 14. Введение блока 11 обнаружения экстремума, элементов И 13, 15...17 и реверсивного счетчика 18 позволяет интегрирование квадра; тично преобразованного напряжения производить в- течение двух, смещенных по фазе и перекрывающихся по времени, интервалов. Длительности последних равны между собой и кратны периоду, вьщеляемому из измеряемого напряжения по его синфазным переходам через нуль. Начала интервалов интегрирования задается в моменты времени, . соответствующие нулю и максимуму мгновенного значения измеряемого напряжения. В связи с этим погрешности измерения, вызванные неточностью вьщеления периода на обоих интервалах интегрирования, противоположны по знаку и максимально близки по модулю, а следовательно, указанные погрешности компенсируются. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. о (О (Л

фиг. 2