Устройство для измерения частоты и амплитуды гармонического сигнала Советский патент 1991 года по МПК G01R23/00 G01R19/04 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в приборах для измерения частоты и амплитуды гармонических сигналов.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерений, а также расширения нижнего предела по частоте.

На чертеже приведена структурная схе- ма предлагаемого устройства.

Устройство для измерения частоты и амплитуды гармонического сигнала содержит блок 1 дифференцирования, аналоговый

ключ 2, выпрямитель 3, преобразователь 4 напряжение-частота, элементы И 5,6, блок 7 деления, блок 8 индикации,блок 9 управления.

В устройстве для измерения частоты и амплитуды гармонического сигнала выход блока 1 дифференцирования соединен с первым входом аналогового ключа 2, а вход является входом устройства и подключен к второму входу аналогового ключа 2, выход которого подключен к входу выпрямителя 3 и входу блока 9 управления, первый выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа 2, выход выпрямителя 3

Јь

соединен с входом преобразователя 4 напряжение-частота, выход которого соединен с первыми входами элементов И 5, б, вторые входы которых соединены с вторым и третьим выходами блока 9 управления соответственно, причем выходы элементов И 5,6 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 7 деления, первый вход которого соединен с первым входом блока 8 индикации, второй вход которого подключен к выходу блока 7 деления.

Блок 9 управления содержит нуль-орган 10, элементы И 11, 12, триггеры 13-16, элемент ИЛИ 17, счетчик 18 импульсов, кнопку Пуск 19, формирователь 20 импульса, элементы 21, 22 задержки.

В блоке 9 управления вход нуль-органа 10 является входом блока 9 управления, а выход соединен с первыми входами элементов И 11, 12, вторые входы которых соединены соответственно с выходами триггеров 15, 16, причем выход триггера 15 является первым выходом блока 9 управления, второй выход последнего подключен к выходу триггера 13, к входу сброса триггера 15, вход установки которого соединен с выходом элемента 21 задержки, вход которого соединен с выходом формирователя 20 импульса, вход которого соединен с первым выводом кнопки Пуск 19, второй вывод которой подключен к запускающему потенциалу, причем выход триггера 13 соединен также с входом элемента 22 задержки, выход которого подключен к входу установки триггера 16, вход сброса которого соединен с выходом триггера 14 и является третьим выходом блока 9 управления, причем входы сброса триггеров 13 и 14 соединены с выходом счетчика 18 импульсов, управляющий вход которого соединен с шиной предустановки, а вход счетчика 18 импульса соединен с выходом элемента ИЛИ 17, первый вход которого соединен с выходом элемента И 11 и с входом установки триггера 13, причем вход установки триггера 14 соединен с выходом элемента И 12 и подключен к второму входу элемента ИЛИ 17.

Устройство для измерения частоты и амплитуды гармонического сигнала работает следующим образом.

Процесс измерений начинается нажатием кнопки Пуск 19, что вызывает появление на выходе формирователя 20 короткого импульса, устанавливающего в исходное состояние блоки 7,8, триггеры 13-16, также происходит предустановка счетчика 18. куда записывается дополнительный код числа (п-1), где п - число периодов измерений.

Аналоговый ключ 2 установлен в состояние, при котором его выход подключен по первому входу к выходу блока 1 дифференцирования. Элементы И 5, 6, 11, 12 закрыты.

С задержкой, задаваемой элементом 21

задержки и необходимой для установки схемы в исходное состояние, импульс с формирователя 20 поступает на вход установки триггера 15, переключая его в единичное

состояние и открывая элемент И 11, Аналоговый ключ 2 при этом остается в исходном состоянии.

Пусть входной гармонический сигнал устройства

U(t)UmSfn yt,(1)

где Um - амплитуда;

(О - круговая частота, у 2 я n /Т; f, Т - циклическая частота и период сигнала U(t).

Напряжение U(t) через блок 1 дифференцирования и аналоговый ключ 2 поступает в блок 9 управления на нуль-орган 10. а через выпрямитель 3 - на преобразователь 4 напряжение - частота.

На выходе блока 1 дифференцирования образуется напряжение

u (t)ftAJm slnwt,

на выходе выпрямителя 3 - модуль этого напряжения

lU (t) I sinew I.

Преобразователем 4 напряжение-частота это напряжение преобразуется в пропорциональную частоту следования импульсов

f(t)KnH4 lu (t) Кпнч«ы IUm slnon I,

(2)

где Кпнч - коэффициент передачи (или преобразования) преобразователя 4 напряжение-частота.

Импульсы с выхода преобразователя 4 напряжение-частота поступают на первые входы элементов И 5, 6, которые закрыты по второму входу.

Первый же импульс, образовавшийся

на выходе нуль-органа 10 после переключения триггера 15 в единичное состояние, проходит через элемент И 11, переключает в единичное состояние триггер 13 и через элемент ИЛИ 17 поступает в счетчик 18 импульсов. Триггер 13 открывает элемент И 5 Триггер 15 и элемент 22 задержки этот перепад потенциала на выходе триггера 13 не воспринимают.

Импульсы с преобразователя 4 напряжение-частота поступают через элемент И 5 на входы блока 7 деления и блока 8 индикации, где они подсчитываются (интегрируются) соответствующими счетчиками импульсов. Этот процесс продолжается, пока на счетчик 18 импульсов не поступит(п+1) импульсов с выхода нуль-органа 10, что соответствует п периодам Т входного сигнала U(t). Импульсом переноса счетчика 18 импульсов сбрасывается триггер 13, а также восстанавливается исходное состояние счетчика 18 импульсов. Сигналом с выхода триггера 13 закрывается элемент И 5, устанавливается в исходное нулевое состояние триггер 15, и запускается элемент 22 задержки.

За время открытого состояния элемента И 5 на блок 7 деления и блок 8 индикации поступит число импульсов, определяемое выражением

(t)dt.

(3)

Поставляя в это выражение соотношение (2), находим

Ni n Кпнч (oUm f I sintwt I dt

о П

2 n Кпнч Dm / sin on d ( )

о 4 П КПНЧ Um .

(4)

Это число импульсов пропорционально амплитуде Um сигнала и используется для ее отсчета в блоке 8 индикации. Сигналом триггера 15 закрывается элемент И 11 и переключается аналоговый ключ 2 так, что на его выход проходит напряжение U(t),

С задержкой, определяемой элементом 2 задержки и необходимой для завершения переходных процессов после коммутации аналогового ключа 2, выходным сигналом элемента 22 задержки триггер 16 устанавливается в единичное состояние и открывает элемент И 12. Первый же импульс, поступающий с выхода нуль-органа 10 через элемент И 12, переключает триггер 14 в единичное состояние и через элемент ИЛИ 17 поступает в счетчик 18 импульсов. Триггер 14 открывает элемент И б, и через него импульсы с выхода преобразователя 4 напряжение-частота подаются на вход блока 7 деления.

Частота импульсов на выходе преобразователя 4 напряжение-частота в этом режиме

f(t)KriH4 lU(t)l , откуда с учетом выражения (1) имеем f (t)-Кпнч-Um Isinrotl.(5)

Аналогично предыдущему режиму элемент И 6 будет открыт в течение п периодов входного сигнала, которое задается тем же

счетчиком 18 импульсов, подсчитывающим импульсы с выхода нуль-органа 10 С поступлением (п+1) импульсов счетчик 18 импульсов вырабатывает импульс сброса

триггера 14. Сигналом с выхода триггера 14 закрывается элемент И 6 и сбрасывается триггер 16, закрывая элемент И 12

За время открытого состояния элемента 6 с выхода преобразователя 4 напряжение0 частота на вход блока 7 деления поступит число импульсов, которое получим из выражения (3) после подстановки в него соотношения (5)

N2 п Кпнч Um / I sin a) t I dt

о

2 П КПНЧ Um .. ( -- J sin un d (wt )

0)

и

0 4 n Кпнч Um

0)

(6)

На выходе блока 7 деления образуется количество импульсов

Ni

Nf Kg Kg CO Kf f ,(7)

где Kg - коэффициент передачи блока 7 деления;

Kf - коэффициент передачи устройства

по частоте, 2 п

Число импульсов Nf поступает в блок 8 индикации по его второму входу.

Этим процесс измерений завершается. В блоке 8 индикации будут записаны коды амплитуды NI и частоты Nf.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения частоты и

амплитуды гармонического сигнала, содержащее блок дифференцирования, вход которого является входом устройства, и блок индикации, отличающееся тем, что, с

целью повышения точности и быстродействия измерений, а также расширения нижнего предела по частоте, в него введены последовательно соединенные аналоговый ключ, выпрямитель и преобразователь напряжение-частота, а также два элемента И, блок деления,блок управления, причем первый и второй входы аналогового ключа соединены соответственно с выходом и входом блока дифференцирования, а управляющий

вход соединен с первым выходом блока управления, вход которого соединен с выходом аналогового ключа, выход преобразователя напряжение-частота соединен с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к второму и третьему выходам блока управления, выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с первым и вторым входами блока деления, причем первые входы блока деления и блока индикации соединены, а второй вход блока индикации соединен с выходом блока деления.

2. Блок управления по п.1, содержащий нуль-орган, третий и четвертый элементы И, четыре триггера, элемент ИЛИ, счетчик импульсов, кнопку Пуск, формирователь импульса, два элемента задержки, причем вход нуль-органа является входом блока управления, а выход соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго триггеров, причем выход первого триггера является первым выходом блока управления, второй выход последнего подключен к выходу третьего триггера, к входу сброса первого триггера, вход установки которого

соединен с выходом первого элемента задержки, вход которого соединен с выходом формирователя импульса, вход которого соединен с первым выводом кнопки Пуск,

второй вывод которой подключен к запускающему потенциалу, причем выход третьего триггера также соединен с входом второго элемента задержки, выход которого подключен к входу установки второго триггера,

вход сброса которого соьединен с выходом четвертого триггера и является третьим выходом блока управления, причем входы сброса третьего и четвертого триггеров соединены с выходом счетчика импульсов, управняющий вход которого соединен с шиной предустановки, а вход счетчика импульсов соединен с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом третьего элемента И и с входом установки

третьего триггера, причем вход установки четвертого триггера соединен с выходом четвертого элемента И и подключен к второму входу элемента ИЛИ.

Изобретение может быть использовано в приборах для измерения частоты и амплитуды гармонических сигналов. Цель изобретения - повышение точности и быстродействия измерений, а также расширение нижнего предела по частоте. Для этого в устройство введены аналоговый ключ 2, выпрямитель 3, преобразователь 4 напряжение-частота, элементы И 5,6, блок 7 деления, блок 9 управления, который содержит нуль-орган 10, элементы И 11, 12, триггеры 13-16 элемент ИЛИ 17, счетчик 18 импульсов, кнопку Пуск 19, формирователь 20 импульса, элементы 21, 22 задержки. Устройство также содержит блок 1 дифференцирования и блок 8 индикации. Сущность изобретения заключается в том. что в устройстве входное напряжение И(т) один раз после дифференцирования, а другой раз непосредственно преобразуется по модулю в пропорциональную частоту следования импульсов, которые в обои случаях подсчитываются за время, кратное периоду сигнала U(t). Отношение этих двух чисел является кодом частоты, а первый пакет импульсов пропорционален амплитуде или средне- квадратическому значению напряжения. Это достигается путем обработки входного сигнала U(t) в блоке дифференцирования, выпрямителе, преобразователе напряжение-частота. В блоке деления получаются результирующие коды, которые поступают в блок индикации. Работа устройства управляется блоком управления. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.