Способ измерения амплитудного значения электрического сигнала Советский патент 1988 года по МПК G01R19/04 

Изобретение относится к электроизмерительной технике.

Цель изобретения - повьшение точности измерения.

На фиг, приведена временная диэ грамма, поясняющая данный способ; на фиг. 2 - блок-схема устройства для его реализации.

Способ заключается в следующем.

Допустим, что измерению подлежит амплитудное значение Um электрического сигнала (фиг.1)

u(t) (nt-tf),

где Q - 2 м7Т - круговая частота СР - начальный фазовый

сдвигi

Т - период сигнала, Вначале формируют и устанавливают с заданной точностью пары опорных уровней ,; , где i 1,2,,.,,П

Определяют моменты времени t,; и t ,; перехода исследуемого сигнала соответственно через положительные и отрицательные значения опорных уровней УОП; и -Uon; в положительном и отрицательном направлениях.

Моменты времени t,; определяются в положительный полупериод исследуемого сигнала из равенства

Временные интервалы u.t,; измеряют, Результаты измерений N,; получают путем квантования этих временньк ин- - тервалов с частотой квантования f

N

1

t.i fKe10

Результаты измерений запоминают. Потом от моментов времени tyj отсчитыч вают1. . временные интервалы

йЧ; Ч;

л.

11

длительность которых в два раза меньше длительности временных интервалов ut,; , т.е. utj,- ut,; /2,

Временные интервалы At,;; Формируют путем отсчитьюания значений кодов N,; от моментов времени с частотой 2f..,

utj; 0,251

Таким образом, формируются харак- теристические моменты времени отстоящие от на четверть периода исследуемого сигнала.

В моменты времени измеряют и запоминают мгновенные значения исследуемого сигнала

-и,; (Qt,; + 1Г/4)

-и COSQt,;.

(2)

Как видно из выражений (1) и (2), амплитуды выборок и исследуемого сигнала являются функциями синус и косинус моментов времени t,;. Совместно со значениями опорных

Изобретение служит для повышения точности измерения амплитудного значения электрического сигнала. Устройство, реализующее способ, содержит компараторы 1 и 2, формирователь 3 опорных уровней, триггеры 4-7, нуль-орган 8, генератор 9 тактовых импульсов, элементы И-НЕ 10-12, реверсивный счетчик 13 импульсов, блок 14 инверторов, одно- вибратор 15, формирователь 16 импульсов сброса, аналого-цифровой преобразователь 17, регистр 18 числа, арифметический блок 19, отсчет иг.2 но-регистрирующий блок 20. Формируют положительные (ПОУ),отрицательные (ОУ) i-e опорные уровни и определяют моменты времени td перехода исследуемого сигнала (С) через i-e ПОУ в положительном направлении и моменты времени t, перехода С через i-e ОУ в отрицательном направлении. Значения i-x ОУ используют как результаты измерений мгновенных значений исследуемого С в первые характеристические моменты времени . После этого измеряют временные интервалы &t,; t,; - tgj и определяют характеристические моменты времени как моменты окончания временных интервалов ut,;/2, отсчитываемых от характеристических моментов времени t,; . Способ предусматривает возможность дополнительно усреднять среднеквадратические значения пар результатов измерений мгновенных значений с тем, чтобы иметь возможность судить об искомом амплитудном значении по получ енному результату усреднения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. с (Л 4 4 Од ГС

(i)

Моменты времени t определяются в отрицательный полупериод исследуемого сигнала из равенства

- on; Un.sin(Qt,; - ir/2 -Ц)

-Uj; -и,,- , откуда

t,; - arcsin Т Cf

Ч;

Затем вьзделяют временные интервалы

ut,; t,, - 0,5Т,; , .

равные полупериоду исследуемого сигнала ,

40 ,

уровней -Vgn , мгновенные значения

сигнала используют для вычисления среднеквадратичных значений:

Ucp.K5.i л|(-иоп; ) (-U,; )

i

-,|(-U sinQt,i )(-U cosQt,; f.

Как видно из этого выражения, среднеквадратические значения амплитуд выборок - и , равноот- стоящих между собой на четверть периода, равны искомому амплитудному значению исследуемого сигнала.

Пары модулей опорных уровней ,;

и и„

в пределе могут отличаться

между собой на различимую по измерительному прибору величину, при которой интервалы времени ( - ) между иамеряемьЫи мгновенными значениями

исследуемых сигналов превьппают время измерения амплитуд выборок.

В отрицательный полупериод исследуемого сигнала могут быть получены результаты п измерений его амплитудного значения.

При наличии в исследуемом сигнале шумов и помех результат каждого из п измерений получают с погрешностью, обусловленной действием этих шумов и помех. Для уменьшения влияни шумов, помех и наводок на точность имерения полученные среднеквадратиче- ские значения дополнительно усредняют. Причем усреднения проводят в течение интервалов времени At; бО,25Т

При периодическом характере помех время усреднения выбирают кратным периоду помехи или наводки.

Вьтолнение этого условия уменьшает действие периодических помех и наводок на результат измерения амплитудного значения сигнала.

Устройство для измерения амплитуд ного значения электрического сигнала реализующее предлагаемый способ при , содержит два компаратора 1 и 2, формирователь 3 опорных уровней, четыре триггера 4-7, нуль-орган 8, генератор 9 тактовых импульсов,три логических элемента И-НЕ 10-12, ре- .версивный счетчик 13 импульсов, блок 14 инверторов, одновибратор 15, формирователь 16 импульсов сброса, аналого-цифровой преобразователь 17, регистр 18 числа, арифметический блок 19 и отсчетно-регистрирующий блок 20.

Первые входы компараторов 1 и 2 соединены с парафазными аналоговыми выходами формирователя 3 опорных уровней. Вторые входы компараторов 1 и 2, один из входов нуль-органа 8, синхронизирующий вход генератора 9 и вход преобразователя 17 соединены с входной клеммой устройства. Выход компаратора 1 подключен к входу установки единицы триггера 4, вход установки нуля которого соединен с выходом компаратора 2, к которому подключен и вход установки единицы триггера 5. Выход триггера 5 соединен с первым входом элемента И-НЕ 11 второй и третий входы которого соединены соответственно с инверсным выходом триггера 4 и выходом генератора 9, к которому подключен и счетный вход триггера 6. Выход триггера

10

0

5

0

0

6 соединен с одним из входов элемента И-НЕ 10, второй вход которого подключен к прямому выходу триггера 4, а выход:.; - к суммирующему входу счетчика 13, вычитающий вход которого подключен к выходу элемента И- НЕ 11, а выходы переполнения через блок 14 соединены с п-1 входами элемента И-НЕ 12, п-й вход которого подключен к инверсному выходу триггера 7. Выход элемента И-НЕ 12 подключен к входу установки нуля триггера 5 и управляющему входу регистра 18, 15 информационные входы которого соединены с выходами преобразователя 17, а выходы подключены к одним из входов арифметического блока 19. Вторые входы блока 9 соединены с цифровым выходом формирователя 3, а выходы арифметического блока 19 подключены к отсчетно-регистрирующему блоку 20. Второй вход нуль-органа 8 соединен с земляной шиной, а его выход подключен через цепочку последовательно соединенных триггера 7, одновибра- тора 15 и формирователя 16 импульсов сброса к входу установки нуля реверсивного счетчика 13 импульсов

Устройство работает следз щим образом.

На первые входы компараторов i и 2 поступают опорные уровни U и

-иOft с парафазных аналоговых выходов формирователя 3. На вторые входы ком - параторов 1 и 2 поступает исследуемый электрический сигнал, который -одновременно поступает на один из входов нуль-органа 8, на второй вход которого поступает нулевой потенциал. В результате на выходе нуль-

органа 8 в моменты времени t

00

10

t:

-io

формируется последователь

ность коротких импульсов, которая поступает на счетнЬгй вход триггера 7. Последний формирует сигнал типа

меандр, знаки полупериодов которого совпадают со знаками полупериодов

исследуемого сигнала. Передним фронтом сигнала типа меандр запускается одновибратор 15, который формирует импульс длительностью , достаточной для надежной установки в нуль счетчика 13. Предварительно этот импульс усиливается по мощности формирователем 16. Таким образом, устройство подготавливается к процессу измерения.

В момент времени t перехода ис- следуемого сигнала u(t) через опорный уровень UQP на выходе компаратора формируется короткий импульс, который переводит триггер 4 в состояние I. В результате на суммирующий вход счетчика , 13 с выхода триггера 6 через элемент И-НЕ 10 поступает периодическая последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования Последние формируются путем деления на два частоты тактовых импульсов генератора 9 с помощью триггера 6. Суммирование счетных импульсов в счетчике 3 начинается с момента времени , .

Одновременно сигнал с инверсного выхода триггера 4, соответствующий О запрещает прохождение счетных импульсов через элемент И-НЕ 11 на вычитающий вход счетчика 13,

В момент времени t , .равенство мгновенного значения электрического сигнала u(t) значению опорного уровня Ugp, на выходе компаратора 2 появляется короткий импульс, устанавливающий триггер 4 в нуль, а триггер 5 - в единицу, В результате поступление счетных импульсов на суммирующий вход счетчика 13 прек раща- ется, а на его вьмитающий вход начинают поступать импульсы с выхода элемента И-НЕ 11 с частотой следования fv .

щая тем самьпуг прохождение вьжодных импульсов генератора 9 на вычитающий вход счетчика 13 через элемент И-НЕ 1 1 . Одновременно выходной сигнал эле мента И-НЕ 12 поступает и на управляющий вход регистра 18, обеспечивая запись выходного кода числа N аналого-цифрового преобразователя I7

10 в регистр 18, Код числа N, -SU,, где S - коэффициент передачи преобразователя 17, пропорционален мгно венному значению -U исследуемого электрического сигнала в момент вре15 мени t, , отстоящий от t,j на интервал времени ,

Интервал времени ut, равен половине временного интервала йЬ| т.е. четверти периода исследуемого

20 сигнала,

В результате на входы арифметического блока 19 поступают коды чисел N,4 -SU,, и NO -SU,j,

С помощью арифметического блока

25 19 амплитудное значение электрического сигнала u(t) определяется в соответствии с выражением

N.

-лГ

NO N,,

30

35

За время ut

-- t

ot

на суммирующий вход счетчика 13 поступит N,, f, импульсов.

С момента времени t, из счетчика

Код числа Nf,, индицируется с помощью блока 20.

Формула изобретения

13 число считывается с удвоенной час- 40 отстоящие друг от друга на четверть тотой f. . В результате по истечении интервала времени

периода сигнала, и определяют искомое амплитудное значение как средне- квадратическое значение пар полученных результатов изм ерений мгновенных значений, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности предварительно формируют положительные и отрицательные i-e опорные уров HHl s где {. ,2,3,...,п, определяют моменты времени froj перехода исследуемого сигнала через i-e положитель ные опорные уровни в положительном направлении и моменты времени перехода исследуемого сигнала через gg i-e отрицательные опорные уровни в отрицательном направлении, йри этом значения i-x отрицательных опорных уровней используют как результаты измерений мгновенных значений иссле

г

- t

я

на всех его выходах переноса появляется потенциал, соответствующий лог.1. После инвертирования с помощью блЬка 14 инверторов этот сигнал поступает на п-1 входы элемента И-НЕ 12. На его п-м входе в отрицательный полупериод ригнала устанавливается разрещающий потенциал : соответствующий лог, 1, поступающий с инверсного выхода триггера 7. В результате на выходе элемента И-НЕ 12 появляется сигнал, соответствующий лог, О, Этот сигнал устанавливает триггер 5 в состояние лог. его, прямом выходе, запрещая тем самьпуг прохождение вьжодных импульсов генератора 9 на вычитающий вход счетчика 13 через элемент И-НЕ 1 1 . Одновременно выходной сигнал элемента И-НЕ 12 поступает и на управляющий вход регистра 18, обеспечивая запись выходного кода числа N аналого-цифрового преобразователя I7

в регистр 18, Код числа N, -SU,, где S - коэффициент передачи преобразователя 17, пропорционален мгновенному значению -U исследуемого электрического сигнала в момент времени t, , отстоящий от t,j на интервал времени ,

Интервал времени ut, равен половине временного интервала йЬ| т.е. четверти периода исследуемого

сигнала,

В результате на входы арифметического блока 19 поступают коды чисел N,4 -SU,, и NO -SU,j,

С помощью арифметического блока

19 амплитудное значение электрического сигнала u(t) определяется в соответствии с выражением

N.

-лГ

NO N,,

30

Код числа Nf,, индицируется с помощью блока 20.

Формула изобретения

отстоящие друг от друга на четверть

периода сигнала, и определяют искомое амплитудное значение как средне- квадратическое значение пар полученных результатов изм ерений мгновенных значений, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности, предварительно формируют положительные и отрицательные i-e опорные уров- HHl s где {. ,2,3,...,п, определяют моменты времени froj перехода исследуемого сигнала через i-e положительные опорные уровни в положительном направлении и моменты времени перехода исследуемого сигнала через i-e отрицательные опорные уровни в отрицательном направлении, йри этом значения i-x отрицательных опорных уровней используют как результаты измерений мгновенных значений иссле

7

дуемого сигнала в первыехарактеристические моменты времениt,; , измеряют временные интервалыit ,; t j - tg, и определяютвторые характеристические моментывремени t 2; как моменты окончания временных инЛ t,; тервалов it.

14

отсчитываеf oni

1441321

мых от характеристических моментов времени t,-, .

2. Способ по п. I, о т л и ч .а rani и и с я тем, что среднеквадрати- ческие значения пар результатов изг мерений мгновенных значений дополнительно усредняют и судят об искомом амплитудном значении по полученному результату усреднения.