Двухтактный измеритель энергии одиночных импульсов Советский патент 1992 года по МПК G01R11/00 

Ю

СП hO О

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано, например, в радиопромышленности для измерения энергии одиночных импульсов.

Известен джоульметр, содержащий входную цепь, термопреобразователь, усилитель постоянного тока, детектор, отсчет- ный блок, формирователь импулъсов запуска, блок установки в исходное состояние, логический элемент ИЛИ, одновибра- тор, аналоговый ключ,- квадратор, интегратор, компаратор, триггер и реле. Принцип работы джоульметра основан на двойном преобразовании электрической энергии импульса в тепловую энергию, выделенную на подогревателе, которая затем преобразуется в термо-ЭДСтермопары 1.

Недостатком джоульметра является низкая точность измерений, так как термопреобразователь подвержен влиянию температуры окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство измерения энергии одиночного импульса, содержащее .входную цепь, квадратор, первый и второй ключи, интегратор, масштабный усилитель, блок управления, в который входят компаратор, инвертор, первый и вто- рой триггеры и устройство неравнозначности, а также блок измерения и индикации, состоящий из аналого-цифрового, преобразователя и блока регистрации. Устройство работает по принципу интегрирования квадратичной функции от входного одиночного импульса за время, равное его длительности 2.

В известном устройстве основными источниками мультипликативной погрешно- сти являются интегратор и квадратор. В случае использования, например, интегратора на прецизионном О.У статическая отно- сительная мультипликативная погрешность, обусловленная конечным значением коэффициента усиления ОУ, неточностью элементов операционной системы (погрешности резистора и конденсатора), а также временной и температурной нестабильностью элементов интегратора (резистора и конденсатора),, для наиболее худшего случая, когда предел измерения входного сигнала минимален, а длительность входного импульса максимальна, составляет порядка 0,9%. Погрешность квадратора, собранного на аналоговом перемножителе, 0,1%. Остальные блоки, входящие в измеритель, имеют погрешность около 0,01%. Следовательно, известное устройство имеет низкую точность. Кроме того, его схема сложна, так

как содержит отдельный аналого-цифровой преобразователь.

Целью изобретения является повышение статической точности и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в двухтактном измерителе энергии одиночных импульсов, содержащем входную цепь, квадратор, интегратор, первый и второй ключи, источник опорного напряжения, первый.и второй компараторы, триггер, генератор импульсов, третий ключ, цифровой счетчик м блок регистрации, инверсный выход первого компаратора соединен с вторым входом триггера, а прямой его выход- с входом Сброс цифрового счетчика и с вторым входом первого ключа.

На фиг. 1 представлена структурная схема двухтактного измерителя энергии одиночных импульсов; на фиг. 2 .- временные диаграммы ег работы; на фиг. 3 - характеристика работы двухтактного измерителя энергии одиночных импульсов.

Двухтактный измеритель энергии одиночных импульсов содержит входную цепь 1, первый ключ 2, квадратор 3, интегратор4, первый компаратор 5, источник 6 опорного напряжения, второй ключ 7, второй компаратор 8, триггер 9, генератор 10 импульсов, третий ключ .11, цифровой счетчик 12 и блок 13 регистрации.

Рассмотрим статическое состояние отдельных блоков.

В исходном состоянии первый ключ 2 разомкнут, интегратор 4 сброшен, т.е. напряжение на его выходе равно нулю. Триггер 9 сброшен, его неинвертирующий выход находится всостоянии О. При этом второй 7 и третий 11 ключи находятся в разомкнутом состоянии. Цифровой счетчик 12 и блок 13 регистрации.фиксируют нулевые значения энергии. На прямых выходах первого 5 и второго 8 компараторов - сигнал О. На инверсном выходе первого компаратора 5 - сигнал О, так как этот компаратор выдает положительные импульсы установки триггера 9 в 1 только в момент перехода первого компаратора 5 из состояния 1 в нулевое, т.е. в. момент окончания измеряемого им-. пульса. Для этой цели первый компаратор 5 с потенциальными выходами на инверсном выходе должен иметь дифференцирующую цепь.

Двухтактный измеритель энергии одиночных импульсов работает следующим образом.

Одиночный импульс на входной цепи 1 поступает одновременно на входы разомкнутого первого ключа 2 и первого компаратора 5. С приходом одиночного ммпульса

первый компаратор 5 формирует на своем выходе прямоугольный импульс, длительность которого равна длительности входного импульса. Передним фронтом импульса с выхода первого компаратора 5 замыкается первый ключ 2, через который проходит измеряемый импульс на вход квадратора 3; Одновременно сбрасывается цифровой счетчик 12. Импульс, преобразовавшийся в квадраторе3 в импульсе квадратичной фун- кцией по отношению к исходной его форме, поступает на вход интегратора 4.

Начинается первый такт работы двухтактного измерителя энергии одиночных импульсов, в котором производится интег- рирование квадратичной функции одиночного импульса за время, равное его длительности. В момент окончания воздействия одиночного импульса во входной цепи 1 первый компаратор 5 задним фронтом своего выходного импульса размыкает первый ключ 2 и перебрасывает триггер 9, который сигналом логической 1 со своего выхода замыкает второй 7 и третий 11 ключи.

Начинается второй такт работы двухтактного измерителя энергии одиночных импульсов, в котором на вход квадратора 3 через открытый второй ключ 7 поступает опорное напряжение U0 с источника 6 опор- ного напряжения. В этом такте интегратор интегрирует инвертированное значение квадрата опорного напряжения до момента равенства выходного напряжения интегра тора 4 нулю. В течение этого времени циф- ровой счетчик 12 производит подсчет числа импульсов, поступающих на его входе гене- . ратора 10 импульсов через открытый третий ключ 11, и производится регистрация измеренного значения энергии в блоке 13 реги- страции .

В момент равенства нулю выходного напряжения интегратора 4 срабатывает второй компаратор 8, перебрасывающий триггер 9 в исходное состояние. После этого сигналом логического О с выхода триггера 9 размыкаются второй 7 и третий 11 ключи,

Таким образом, устройство подготовлено к приходу следующего одиночного импульса и очередному измерению его энергии.

Энергия одиночного импульса, полученного, например, разрядом заряженного конденсатора на сопротивлении во входной цепи 1, пропорциональна площади кривой мощности и определяется выражением

1

ЮГ

Hu

dt.

5 10

16 2025

30 35 40

45

50

55 гдеР - сопротивление нагрузки конденсатора;

UBX мгновенное значение входного напряжения;

т- постоянная времени, определяемая сопротивлением R и емкостью С входной цепи.

Через время, равное 10 т, практически произойдет полный разряд конденсатора, Реально интервал интегрирования зависит от длительности измеряемых импульсов.

Для двухтактового измерителя энергии одиночных импульсов имеет место следующее соотношение для выходного напряжения интегратора Ui при интегрировании в первом такте (фиг. 3):

I I ЦвХ .Ср tin,г)} .

и, ()

где Uex.cp - усредненное значение входного напряжения за время длительности импульса;

tin - время интегрирования в первом такте, равное длительности входного одиночного импульса;

R - сопротивление нагрузки во входной цепи.

, При интегрировании во втором такте инвертированного значения квадрата опорного напряжения

Ui Uo-t2n.(3)

где Uo - опорное напряжение;

12и время интегрирования во втором такте.

Сравнивая правые части полученных выражений (2) и (3), получают интервал времени интегрирования во втором такте Т2и, несущий информацию об энергии измеряемого одиночного импульса:

12и -Ц:.(4)

R U5

Число импульсов, подсчитанное цифровым счетчиком 12 за время второго такта интегрирования, может быть определено по формуле

NX f 12и,(5)

где f,- частота генератора 10 импульсов. Отсюда „

Nx-f UBX-cPtiH K U§

г Uax.cp

tin

(6)

RR .

где К - коэффициент пропорциональности, т.е. число импульсов, подсчитанное цифровым счетчиком 12, пропорционально энергии одиночного импульса.

Конструктивно блоки предлагаемого устройства могут быть выполнены на известной элементной базе.

В качестве квадратора 3 можно имполь- зовать аналоговый перемножитель 525ПСЗ, первый 2, второй 7 и третий 11 ключи могут

быть выполнены на микросхеме серии К590КН, интегратор 4 - на прецизионном ОУ К140УД17. Компараторы 5 и 8 могут быть реализованы на микросхеме К554САЗ. В качестве генератора 10 импульсов можно применить кварцевый генератор.

Следовательно, по сравнению с известным предлагаемое устройство проще, так как не содержит отдельного аналого-цифрового преобразователя, а остальные узлы не сложны.

Кроме того, предлагаемое устройство при одинаковых с известным точностных характеристиках отдельных узлов - квадратора, интегратора - позволяет получить более высокую точность, так как в известном устройстве общая погрешность определяется суммой погрешностей отдельных узлов, а в предлагаемом устройстве погрешности интегратора и квадратора компенсированы. Это обеспечивается за счет того, что в первом такте интегрирования суммарная мультипликативная погрешность этих узлов входит с одним знаком, а во втором такте - с обратным знаком. Суммарная статическая мультипликативная погрешность интегратора и квадратора в предложенном измерителе энергии может быть снижена на порядок и составит не более 0,1%. Кроме того, вместо аналого-цифрового преобразователя, имеющего погрешность, например, для К572ПВ2 порядка 0,01%, в предлагаемом устройстве используется цифровое устройство, позволяющее получить более высокую точность.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Двухтактный измеритель энергии одиночных импульсов, содержащий квадратор, интегратор, первый и второй ключи, триггер, блок регистрации и последовательно

включенные входную цепь и первый компаратор, отличающийся тем, что, с целью повышения статической точности, в него введены источник опорного напряжения, второй компаратор, последовательно соединенные генератор импульсов, третий ключ и цифровой счетчик, выход которого соединен с входом блока регистрации, причем входная цепь выходом соединена с входом первого ключа, выход которого

соединен с последовательно включенными квадратором, интегратором, вторым компаратором, выход которого соединен с пер вым входом триггера, входы управления второго и третьего ключей соединены с выт

ходом триггера, прямой выход первого компаратора - с входом управления первого ключа и входом сброса цифрового счетчика, а инверсный выход первого компаратора - с вторым входом триггера, второй ключ соединен входом с источником опорного напряжения, а выходом - с входом квадратора.

Wqop. СЧ-%

Интефи{ю6инц& lltf

- t

Фиг. 2

I

Интегрцробание -U

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в радиопромышленности. Цель изобретения - повышение статической точности. Для этого в измеритель введены источник 6 опорного напряжения, второй компараторе, генератор 10 импульсов, третий ключ 11, цифровой счетчик 12с соответствующими связями. Измеритель также содержит входную цепь 1, первый ключ 2, квадратор 3, интегратор 4, первый компаратор 5, второй ключ 7, триггер 9 и блок 13 регистрации. Измеритель энергии работает по принципу двухтактного интегрирования. В первом такте производится интегрирование квадратичной функции одиночного импульса за время, равное его длительности; во втором такте - интегрирование инвертированного значения квадрата опорного напряжения до момента равенства выходного напряжения интегратора 4 нулю. 3 ил. Ё