Цифровой вольтметр с автоматическим выбором пределов измерения Советский патент 1992 года по МПК G01R19/25 G01R15/08 

®иг1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в цифровых измерительных приборах для повышения быстродействия автоматического выбора пределов измерения, в частности, при создании универсальных цифровых вольтметров интегрирующего типа.

В настоящее время в цифровых вольтметрах с автоматическим выбором пределов измерения (АВПИ) широко распространен метод двойного интегрирования, обладающий определенными преимуществами в условиях с повышенным уровнем помех. Наиболее частый случай - помеха с частотой питающей сети 50 ±Д Гц. Для получения минимальной погрешности период интегрирования следует выбирать кратным периоду помехи.

Если сигнал на входе интегратора представляется суммой полезного сигнала U-и помехи Um sin Wnt, то напряжение на выходе интегратора равно

Ти

Un

ивых-f /0 jfjL (1-cos WnTu)

где Wn Z27Tn, Tn - период помехи, т.е. если Tu равно или кратно периоду помехи Tn(, где ,2,3...), то помеха на выходе интегратора отсутствует.

Для получения максимального быстродействия число периода интегрирования должно быть минимально и , а при ± ДГц, мс.

Однако, для повышения помехоустойчивости в интегрирующих вольтметрах число периодов интегрирования п обычно выбирается равным (4-5), в связи с чем в широко распространенных цифровых вольтметрах, работающих по методу двойного интегрирования с автоматическим выбором пределов измерения, цикл измерения составляет примерно 300-400 мс. Принимая во внимание то что количество пределов цифровых вольтметров обычно достигает 5- 6, максимальное время выбора рабочего предела достигает 2-3 с.

Из вышеизложенного следует, что требования, налагаемые на измерительные приборы по помехоустойчивости, уменьшают быстродействие автоматического выбора пределов измерения.

Известен цифровой вольтметр с устройством АВПИ, содержащий пороговые элементы, первые входы которых подключены к входной клемме вольтметра, вторые входы - к соответствующим источникам пороговых напряжений, а выходы являются выходами устройства АВПИ.

Данное устройство относится к устройствам параллельного типа и обладает быстродействием. Время автоматического выбора пределов измерения данного устройства составляет единицы миллисекунд и определяется временем переключения пороговых элементов.

Недостатками данного устройства являются малая помехоустойчивость и высокие

0 требования к входному сопротивлению, устойчивости к перегрузкам пороговых элементов, а также большое количество прецизионных элементов.

Известен цифровой прибор с устройст5 вом для АВПИ, содержащий АЦП, регистр измерительной информации, выходы которого соединены с соответствующими входами дешифратора, регистр пределов, входы которого соединены с соответствующими

0 выходами дешифратора, а выходы являются выходами прибора, причем дешифратор выполнен на элементах ИЛИ, И и НЕ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является

5 цифровой вольтметр с автоматическим выбором пределов измерения, содержащий входной делитель и коммутатор, образующие масштабирующий блок, вход которого подключен к шине измеряемого сигнала, а

0 выход- к входу преобразователя напряжение-код, включающего в себя генератор синхроимпульсов, разрядные выходы преобразователя напряжения-код соединены с входами отсчетного блока, выходы которого

5 соединены с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых объединены, реверсивный счетчик, суммирующий и вычитающий входы которого соединены соответственно с выходами первого

0 и второго элементов И, а выходы через третий дешифратор соединены с управляющими входами масштабирующего блока.

Недостатком известного устройства яв5 ляется низкое быстродействие, обусловленное дополнительным временем выбора необходимого предела измерения путем последовательных циклов пробных измерений и переключений пределов. Время, тре0 буемое для перехода через N диапазонов измерения, равно (N+1)Tnp, где Тпр - время преобразования ПНК, причем время преобразования ПНК является одинаковым независимо от того, идет ли процесс измерения

5 на выбранном диапазоне, либо происходит процесс автоматического выбора пределов измерения.

Целью изобретения является повышение быстродействия измерения путем уменьшения времени преобразования ПНК в процессе выбора рабочего предела измерения, оставляя время преобразования медленным при соответствии измеряемой величины выбранному пределу измерения. Возникающее при этом увеличение погрешности преобразования ПНК не существенно, так как для правильного выбора предела измерения обычно бывает достаточно 5- 10% точности.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой вольтметр с автоматическим выбором пределов измерения, содержащий маштабирующий блок, вход которого подключен к шине измеряемого сигнала, а выход - к входу преобразователя напряжение-код, включающего в себя генератор синхроимпульсов, разрядные выходы преобразователя напряжение-код соединены с входами от- счетного блока, выходы которого подключены к входам первого и второго дешифраторов, выходы которых соединены с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых объединены, реверсивный счетчик, суммирующий и вычитающий, входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, а выходы через третий дешифратор соединены с управляющими входами масштабирующего блока, дополнительно введен элемент ИЛИ, а генератор синхроимпульсов преобразователя напряжение-код выполнен регулируемым по частоте, первый и второй входы элемента ИЛИ соединены соответственно с выходами первого и второго дешифраторов, а выход- с управляющим входом генератора синхроимпульсов преобразователя напряжение-код, выход Конец преобразования преобразователя напряжение-код подключен к вторым входам первого и второго элементов И.

Сущность изобретения заключается в том, что в зависимости от уровня входного сигнала, а следовательно, и сигналов на выходе дешифраторов 4 и 5, изменяются параметры времязадающей цепи генератора синхроимпульсов и тем самым его частота. Это в свою очередь приводит к изменению времени преобразования ПНК в зависимости от величины Ux.

Структурна) схема устройства изображена на фиг.1;на фиг.2 - его работа пояс;ня- ется временной диаграммой.

Устройство содержит масштабирующий блок 1, преобразователь напряжение- код 2, отсчетный блок 3, дешифраторы 4, 5, 6, элементы И 7,8, реверсивный счетчик 9, элемент ИЛИ 10.

Масштабирующее устройство 1 подключено к шине измеряемого сигнала, а его выход соединен с входом преобразователя 2. Первый выход Конец измерения преобразователя 2 соединен с первыми входами первого и второго элементов И 7 и 8, а вторые выходы - с входами отсчетного блока 3. Выходы отсчетного блока 3 подключены к

входам первого и второго дешифраторов 4, 5, Выход первого дешифратора 4 соединен с вторым входом первого элемента И 7 и с одним из входов элемента ИЛИ 10.

Выход второго дешифратора 5 подклю0 чен к второму входу элемента 8И и к второму входу элемента ИЛИ 10. Выходы элементов И 7,8 соединены соответственно с суммирующим и вычитающими входами реверсивного счетчика 9, выход которого соединен

5 через третий дешифратор 6 с управляющим входом масштабирующего блока 1. Выход элемента ИЛИ 10 связан с управляющим входом преобразователя 2.

В частном случае преобразователь 2

0 может быть выполнен следующим образом. Преобразователь 2 содержит ключ 11, резисторы RI и R2, инверторы 12, 13 и АЦП 14. В качестве элемента, регулирующего время преобразования, использован PC генера5 тор, частота которого определяется величиной резисторов RI и Ra. К управляющему входу преобразователя 2 подсоединен ключ

11,который подключает параллельно резистору RI резистор R2. Резисторы RI и Ra

0 подсоединяются параллельно инвертору

12,выход которого соединен с входом инвертора 13. К первому входу АЦП подключен выход масштабирующего блока 1, к второму выходу АЦП подключен выход инвертора 13.

5 Первый выход АЦП Конец измерения соединен с первыми входами первого и второго элементов И 7 и 8, а вторые выходы - с входами отсчетного блока 3.

Устройство работает следующим обра0 зом.

Пусть на вход вольтметра с устройством для автоматического выбора пределов измерения подается входная величина Ux, соответствующая установленному пределу

5 измерения масштабирующего блока 1. С выхода масштабирующего блока 1 сигнал поступает на вход АЦП 14 и после аналого-цифрового преобразования результат измерения в цифровом виде появляется

0 на выходе отсчетного блока 3. Так как измеряемая величина Ux соответствует выбранному пределу измерения, то в момент времени t0 на выходах дешифраторов 4 и 5, определяющих сигналы Много и Мало

5 соответственно, а также на выходе схемы ИЛИ появятся сигналы О.

Сигналы О с выходов дешифраторов 4, 5 поступают на входы элементов И 7,8, запрещая прохождение сигнала Конец измерения с выхода АЦП - на входы реверсивного счетчика 9. Состояние реверсивного счетчика, а следовательно, и выходной код дешифратора 6, поступающий на управляющий вход масштабирующего блока, не изменится. Предел измерения останется прежним.

Одновременно сигнал О на выходе схемы ИЛИ 10 удерживает ключ 11 в разомкнутом состоянии, в результате чего время преобразования ПНК 2 выбирается номинальным медленным и определяется из

выражения ,

где fc - частота генератора синхроимпульсов, выполненного на инверторах 12, 13, определяемая параметрами времязадаю- щей цепи Pi, С;

N - емкость счетчика АЦП.

В этом случае в соответствии с фиг.2 время преобразования равно ti-t0.

Пусть в момент времени tz измеряемая величина Ux превысит верхний уровень рабочего диапазона UB. При этом на выходе масштабирующего блока 1 появится аналоговый сигнал, превышающий динамический диапазон измерения аналого-цифрового преобразователя 14 ПНК2. После аналого- цифрового преобразования (тз) на выходе отсчетного блока появится цифровая информация о превышении измеряемой величины выбранного предела измерения. При этом на выходе дешифратора 4 и элемента ИЛИ 10 появится сигнал 1. Сигнал 1 с выхода дешифратора 4 разрешит поступление сигнала Конец измерения через элемент И 7 на суммирующий вход реверсивного счетчика 9. В результате этого реверсивный счетчик увеличит свое состояние на единицу, а дешифратор 6 выберет соответственно в масштабирующем блоке 1 следующий в порядке возрастания предел измерения.

Одновременно сигнал 1 на выходе элемента ИЛИ 10 замкнет ключ 11 и параллельно резистору RI подключится резистор R2.

Частота генератора синхроимульсов, определяемая в данном случае величиной параллельно включенных резисторов RI, R2 и конденсатора С, увеличится. Соответственно уменьшится время преобразования ПНК2(14-гз).

На фиг.2 изображен случай, когда измеряемая величина 11Х превышает верхний уровень выбираемых пределов в течение нескольких циклов измерения (моменты времени t3-ty). В течение этого времени циклы измерения являются быстрыми, что уменьшает время выбора рабочего предела измерения.

В момент времени t после ряда последовательных переключений пределов измерения в сторону увеличения входная величина Ux будет соответствовать выбранному пределу измерения. В результате, после цикла измерения (те) на выходах дешифраторов 4,5 и схемы ИЛИ 10 появятся

0 сигналы О, в результате чего ключ 11 разомкнется и время преобразования ПНК2 снова станет медленным (tg-ts).

В случае, если измеряемая величина Ux меньше нижнего уровня рабочего предела

5 UH после аналого-цифрового преобразования, результат измерения в цифровом виде с выхода отсчетного блока установит на выходе дешифратора 5 и элемента ИЛИ 10 сигнал 1. Сигнал 1 с выхода дешифрато0 ра 5 разрешит поступление сигнала Конец измерения через элемент И 7 на вычитающий вход реверсивного счетчика 9. В результате этого реверсивный счетчик уменьшит свое состояние на единицу, а де5 шифратор 6 выберет соответственно в масштабирующем устройстве 1 следующий в порядке уменьшения предел измерения.

Одновременно сигнал 1 на выходе элемента ИЛИ 10 замкнет ключ 11, парал0 лельно резистору RI подключится резистор R2 и время преобразования ПНК 2 снова уменьшится.

Применение данного устройства в воль- 1 тметре, имеющем 6 диапазонов измерения,

5 позволяет сократить максимальное время выбора диапазона с 2,4 с до 0,48 с. Формула изобретения Цифровой вольтметр с автоматическим выбором пределов измерения, содержащий

0 масштабирующий блок, вход которого подключен к шине измеряемого сигнала, а выход - к входу преобразователя напряжение-код, включающего в сеоя генератор синхроимпульсов, разрядные выходы

5 преобразователя напряжение-код соединены с входами отсчетного блока, выходы которого подключены к входам первого и второго дешифраторов, выходы которых соединены с первыми входами первого и вто0 рого элементов И, вторые входы которых объединены, реверсивный счетчик, суммирующий и вычитающий входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, а выходы через тре5 тий дешифратор соединены с управляющими входами масштабирующего блока, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия измерения, в него введен элемент ИЛИ, а генератор синхроимпульсов преобразователя напряжение-код выполнен

регулируемым по частоте, первый и второй входы элемента ИЛИ соединены соответственно с выходами первого и второго дешифраторов, а выход - с управляющим входом генератора синхроимпульсов преобразова-

теля напряжение-код, выход Конец преобразования преобразователя напряжение- код подключен к вторым входам первого и второго элементов И.

Использование: в измерительных приборах, а именно в универсальных цифровых вольтметрах интегрирующего типа. Сущность изобретения: выполнение генератора синхроимпульсов, входящего в преобразователь напряжение-код (ПН К) 2, неведение в устройство элемента ИЛИ 10, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами дешифраторов 4,5, а выход - с управляющим частотой входом генератора синхроимпульсов ПНК. В зависимости от уровня входного сигнала, а сле- довательно, и сигналов на выходе дешифраторов 4 и 5 изменяются параметры времязадающей цепи генератора синхроимпульсов и тем самым его частота. Это в свою очередь приводит к изменению времени преобразования ПНК в зависимости от величины U )( . Вольтметр содержит масштабирующий блок 1, преобразователь напряжение-код (ПНК) 2, отсчетный блок 3, дешифраторы 4, 5, 6, элементы И 7,8 реверсивный счетчик 9, элемент ИЛИ 10. 1 ил. (Л С

К- Vi-4 ь ЬЛь

Фиг 2

Ь