Цифровой вольтметр Советский патент 1992 года по МПК G01R19/25 

wЈ

Использование: измерение переменного и постоянного напряжений. Сущность изобретения: вольтметр содержит последовательно соединенные входной делитель 1 напряжения, второй делитель 2 напряжения, блок 3 ключей, согласующий усилитель 4, усилитель 5 и пьезоэлектрический дефлектор 6, оптически сопряженный через объектив 7 и щелевую диафрагму 8 с излучающим светодиодом 9, а также содержит квантующую линейку 10 световодов, входные торцы которых оптически сопряжены с дефлектором 6, блок 11 фотоприемников, последовательно соединенные первый дешифратор 12, шифратор 13 и второй дешифратор 14, последовательно соединенные генератор 15 тактовых импульсов, ключ 16 и блок 17 индикации. 2 ил.

Фиг f

Bj/cmpoucmSo

p St/Cff f Ol(Vt/

СЛ Ol

to о

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике, может быть использовано для измерений постоянного и переменного напряжений.

Известны цифровые вольтметры (В7- 35), содержащие входное устройство в составе делителя напряжения, преобразователя переменного напряжения низкой частоты в напряжение постоянного тока, преобразователя силы постоянного и переменного тока в напряжение постоянного тока, устройство автоматического выбора предела измерения, АЦП в составе источ- ни ка опорного напряжения, интегратора, нуль-органа, четырех ключей, генератора тактовых импульсов, делителя частоты и блока управления интегратором, устройство индикации.

При помощи преобразователей измеряемые величины преобразуются в нормализованные напряжения постоянного тока к шкале±1 В. Это нормализованное напряжение преобразуется АЦП в код, который индицируется на цифровом табло. В основу действия прибора положен метод аналого- цифрового преобразования с двухтактным интегрированием.

Недостатки этих вольтметров: большая погрешность при измерении (не лучше 0,15%) и необходимость в преобразователе переменного напряжения в напряжение постоянного тока перед измерением, снижающее точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее универсальный осциллограф.со всеми принадлежащими ему блоками, оптический блок марштабирования параметров исследуемых процессов, кодирующий преобразователь и цифровой индикатор, соединенные последовательно световодными волоконными кабелями. Оптический блок состоит из входного квантующего блока, представленного набором торцов оптических линий связи, и трансформатора пространственного оптического сигнала. Кодирующий преобразователь включает линейку точечных фотоприемников, четыре группы элементов ИЛИ, элемент ИЛИ, селекторы сигналов и формирует оптический единично-десятичный код. Цифровой индикатор состоит из К световодных элементов индикации, соединителей, кс мутационных световодов, не- разъемИЪ)х соединителей и сегментных световодов.

Недостатки - большая погрешность измерений, определяемая осциллбграфом как входным блоком, которая не лучше 3 %, низкая разрешающая способность, которая не превышает 1 мВ, нельзя измерять сигналы

менее 1 мВ. Измеряется сигнал только одной полярности - при отклонении луча вверх, только визуальный съем измерений. Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение области применения.

Достижения цели дает следующие положительные эффекты: повышение точности измерений переменного напряжения с 5 раз

0 (при частоте до 20 кГц) до 10 раз (при частоте свыше 20 кГц) и постоянного напряжения в 10 раз в диапазоне с 0,4 В до 1000 В в сравнении с универсальным цифровым вотьтметром В7-34А; расширение области

5 применения за счет измерения напряжений обоих полярностей, причем величина коэффициента гармоник в измеряемом сигнале не влияет на точность измерений.

Цель достигается тем, что в цифровой

0 вольтметр, содержащий входной делитель напряжения, вход которого является первым входом вольтметра, квантующую линейку световодов, выходы которой оптически сопряжены с фотоприемниками

5 блока фотоприемников, и блок индикации, введены последовательно соединенные второй делитель напряжения, блок ключей, усилитель и пьезоэлектрический дефлектор, последовательно соединенные первый де0 шифратор, шифратор и второй дешифратор, а также генератор тактовых импульсов, ключ, светодиод, щелевая диафрагма, обь- ектив, выход генератора тактовых импульсов соединен с управляющим входом ключа

5 и со входом светодиода, оптический выход которого сопряжен через щелевую диафрагму и объектив с отражающей поверхностью пьезоэлектрического дефлектора, которая оптически сопряжена с входными торцами

0 световодов квантующей линейки световодов, выходы блока фотоприемников соответственно соединены с первой группой входов первого дешифратора, вторая группа входов которого соединена с соответст5 вующими выходами второго дешифратора и с управляющими входами блока ключей, выходы шифратора являются выходами вольтметра и соединены со входами блока индикации, два знаковых выхода блока фо0 топриемников соединены соответственно с первым и вторым входами ключа, выход которого является знаковым выходом вольтметра и соединен с соответствующим входом блока индикации, выход входного

5 делителя напряжения соединен с первым входом второго делителя напряжения, второй вход которого соединен с вторым входом вольтметра,

На фиг. 1 представлен цифровой вольтметр, являющийся прибором прямого преобразования: на фиг. 2 - плоскость входных зрачков квантующей линейки световодов.

Вольтметр содержит последовательно соединенные входной делитель 1 напряжения, второй делитель 2 напряжения, блок 3 ключей, согласующий усилитель 4, усилитель 5 и пьезоэлектрический дефлектор 6, оптически сопряженный через объектив 7 и щелевую диафрагму 8 со светодиодом 9, также содержит квантующую линейку 10 световодов, сопряженную с дефлектором б, а выходы ее оптически сопряжены с фотоприемниками блока 11 фотоприемников, последовательно соединенные блок 12 первого дешифратора, блок 13 шифратора и блок 14 второго дешифратора, и последовательно соединенные генератор 15 тактовых импульсов, ключ 16 и блок 17 индикации.

Входной делитель 1 осуществляет масштабирование при измерении напряжения постоянного тока и напряжения переменного тока в полосе частот 20 Гц-20 кГц на пределах измерений 10, 100, 1000 В. Он имеет входные зажимы со значениями 1,10, 100, 1000 В и делитель напряжения типа ДНМ со значениями коэффициентов деления 1, 10, 100, 1000 общим сопротивлением 10 МОм. Измеряемая величина преобразуется им в величину не более 1 В. Для измерения напряжения в полосе частот от 20 кГц до 1 МГц измеряемый сигнал подается на второй вход делитель 2 напряжения, представляющий собой восьми ступенчатый делитель напряжения частот- нокомпенсированный до частоты 1 Мгц, коэффициент передачи которого изменяется сигналом со второго дешифратора 14 при помощи размыкающих ключей блока 3, подключающих выход отдельных ступеней ко входу согласующего усилителя 4, являющегося эмиттерным повторителем. Блок 3 состоит из восьми размыкающих ключей, из которых один находится в открытом состоянии, остальные в закрытом. Ключи открываются сигналом с дешифратора 14 и изменяют коэффициент передачи делителя 2, подключая выход соответствующей ступени делителя 2 ко входу согласующего усилителя 3. Сигнал, усиленный усилителем 5, преобразуется в двоичный код дефлектором 6 и квантующей линейкой 10 световодов. Преобразование выполняется разверткой луча от светодиода 9 дефлектором 6 по плоскости входных зрачков линейки 10. Световой сигнал преобразуется одним из фотоприемников блока 11 в электрический сигнал, который поступает на вход первого дешифратора 12. С выхода дешифратора 12 сигнал поступает на соответствующий вход шифратора 13, который и формирует на своих выходах двоичный код, соответствующий мгновенному значению измеряемого сигнала. Непосредственно в АЦП вольтметра входят усилитель 5, дефлектор 6, светодиод 9,

квантующая линейка 10 световодов, блок фотоприемкиков 11, первый дешифратор 12 и шифратор 13. Для расширения предела измерения предназначены второй дешифратор 14, блок ключей 3 и второй делитель

0 2. Генератор 15 тактовых импульсов определяет частоту измерений, ключ Сформирует знак минус при измерении сигнала отрицательной полярности, и блок 17 выполняет индикацию результатов измерений. Про5 цесс измерения один и тот же как для напряжения постоянного тока, так и для напряжения переменного тока. При измерении постоянного напряжения знак полярности будет один и тот же, при измерении

0 сигнала переменного напряжения знак полярности будет меняться с изменением полярности входного сигнала. Вольтметр не имеет преобразователя переменного напряжения в постоянное, тогда как все суще5 ствующие в настоящее время вольтметры для измерения переменного напряжения его имеют. Пьезоэлектрический дефлектор 6 является торцовым и состоит из биморф- ного пьезозлемента, на торце которого име0 ется зеркальный отражатель. Для сканирования используется обратный пьезоэлектрический эффект под воздействием электрического сигнала с усилителя 5, Световой луч на зеркальный отражатель прихо5 дит от источника светового излучения светодиода 9. Диафрагма 8 формирует луч в виде узкого прямоугольника с шириной 0,8 диаметра входного зрачка световода линейки 10 и длиной 2 мм для облегчения юсти0 ровки. Дефлектор 6 по сигналу усилителя 5 производит развертку луча по входным торцам световодов линейки 10. Квантующая линейка содержит 1024 х 2 штук световодов и два центральных (фиг. 2), обозначенных +

5 и -. Диаметр входного зрачка световода принят 10 мкм. Разрешающая способность квантования принята 10 мкВ, что при кодировании только линейкой 10 составляет диапазон кодируемого сигнала ±0,01024 В.

0 Кодирование входного сигнала с участием второго дешифратора 14, блока 3 и делителя 2 расширяется до 17-разрядного кода, и диапазон кодируемого сигнала на входе второго делителя 2 составляет от-1,3107 В до

5 +1,3107 В (0.00001 В х 217). Первые 1024 световода в линейке 10 предназначены для кодирования в 10-разрядный код сигнала положительной полярности, вторые 1024 световода предназначены для кодирования в 10-разрядный код сигнала отрицательной

полярности. Каждый выходной торец световода линейки 10 оптически сопряжен с фотоприемником блока 11. В качестве фотоприемников применены лавинные фотодиоды ЛФД с постоянной времени срабатывания с, изготовленные методом микроэлектронной технологии на выходных торцах световодов. Выходы фотоприемников подключены к соответствующим входным шинам первого дешифратора 12. Дешифратор 12 представлен двухкаскадным дешифратором. Старшие разряды (сигналы с выходов дешифратора 14) подаются на первый каскад. Выходы дешифратора 12 подключены к соответствующим входам шифратора 13. Шифратор 13 является двухступенчатым и преобразует каждый сигнал с фотоприемника в двоичный код, соответствующий мгновенному значению измеряемого сигнала. При возбуждении шины одного из входов на выходе шифратора образуется определенный код. Шифратор формирует 131070 двоичных чисел от 00000000000000000 до 10000000000000000. Задержка сигнала в шифраторе, выполненного на ИС серии 155 не превысит 0,08 мкс. Дешифратор 14 представляет линейный дешифратор, имеет 17 входов и восемь выходов. При поступлении с шифратора 13 кодов 0,210,211, 2 , 215, 2 на входы дешифратора 14с соответствующего его выхода сигнал включает свой ключ в блоке 3, оставляя Остальные ключи разомкнутыми, При первичном включении вольтметра или при отсутствии сигнала на входы дешифратора 14 поступает код из одних нулей, и сигнал с первого выхода дешифратора открывает первый ключ, который подключает к согласующему усилителю 4 первую ступень делителя 2 напряжения, чем определяет его коэффициент передачи, равный 1. При величине измеряемого сигнала от 0 до 210 коэффициент передачи составляет 1,0; при величине измеряемого сигнала от 2 до 211 коэффициент передачи составляет 0,5: при кодах 211 до 212 он 0,25; при кодах от 2 до 2 -0,125; при кодах от 213 до 214-0,0625; при кодах от 214 до 215- 0,03125; при кодах от 215 до 216 - 0,015625; при кодах свыше 216 - 0.0078125. Источником излучения взят импульсный светодиод ИК-диапазона АЛ402А, длительность импульса излучения его 50 не. При периоде следования импульсов 100 не частота излучения составляет 10 МГц, что с запасом удовлетворяет частоту 2 МГц, задаваемую генератором 15. Ключ 16 формирует сигнал отрицательной полярности измеряемого сигнала. Постоянное присутствие в кодах знака минус означает отрицательную

полярность постоянного напряжения, следование кодов со знаками от + до - означает, что идет измерение переменного напряжения. Блок 17 индикации высвечивает результат измерения. С выхода шифратора 13 коды в темпе измерений, т.е. в реальном масштабе времени, выдаются на внешнее устройство регистрации или в систему управления, Частота измерений задается частотой следования тактовых импульсов генератора 15 на вход светодио- да 9 и может быть от 2 МГц и ниже.

Вольтметр работает следующим образом.

Сигнал, подлежащий измерению, частотой от 0 до 20 кГц подается на вход делителя 1, после масштабирования поступает на вход делителя 2 и через соответствующий ключ блока 3 и согласующий усилитель 4 на вход усилителя 5. Входной сигнал частотой свыше 20 кГц подается на второй вход второго делителя 2, а с него тем же путем на вход усилителя 5. Усиленный сигнал поступает на дефлектор б, отклоняющий луч светодиода 9 в соответствующий зрачок квантующей линейки 10. Сканирующее пятно имеет форму прямоугольника шириной 8 мкм и длиной 2 мм. Угловое отклонение луча дефлектором 6 от нейтрального положения

±15°. Расстояние от отражающей поверхности дефлектора до входной плоскости линейки 10 составляет:

в

а 0.01 мм „ „

п Of оОО,Ј MM ,

tg 15°°-268

где а - величина размаха развертки луча по одной половине линейки, 15° - максимальный угол отклонения луча дефлектором 6 от нейтрального положения.

Световой импульс преобразуется фотоприемником блока 11 в электрический сигнал, который поступает на соответствующий вход первого дешифратора 12, направляющего его на соответствующий вход шифратора 13, который и формирует на выходе код мгновенного значения входного сигнала. В отсутствие сигнала дефлектор 6

в нейтральном положении, и сканирующее пятно находится на одном из торцов световодов или -. При появлении на входе сигнала сканирующее пятно (фиг. 2) перемещается дефлектором 6 в сторону соответствующей полярности сигнала. Код положительной полярности принят О, знак отрицательной полярности Т. С появлением на выходе шифратора 13 кода 210 дешифратор 14 преобразует код в сигнал на

втором выходе, который открывает второй ключ в блоке 3 и закрывает первый, подключая вторую ступень делителя 2. Вместе с тем сигнал со второго выхода дешифратора 14 поступает на соответствующий вход перво- го дешифратора 12. Соответственно двум сигналам на входе первого дешифратора 12 (с дешифратора 14 и с блока 11) появляется сигнал на его выходе, который определяет соответствующий код на выходе шифратора 13. При появлении на выходе шифратора 13 кода 211 дешифратор 14 формирует сигнал на третьем выходе, открывающий третий ключ в блоке 3. На выходе шифратора 13 могут появляться коды от 211 до 212. При дальнейшем увеличении амплитуды входного сигнала процесс повторяется. С уменьшением амплитуды сигнала следует обратный процесс. Длительность одного измерения в 210 код составляет 0,17 мкс, а в код 217 0,37 мкс (время срабатывания фотоприемника 0,01 мкс, дешифратора 12 - 0,08 мкс, шифратора 13 - 0.08 мкс). Быстродействие прибора 2,7 -106 изм/с. Скорость создания информации 34 Мбит/с, 2 МГц х 17 разрядов.

Погрешность вольтметра слагается из суммы погрешностей делителя 1 и 2, погрешности усилителя 5 и погрешности преобразования аналог-код. Погрешности делителей не превышают 0,0005% в каждом. Усилитель 5 представлен схемой операционных усилителей с напряжением шумов менее 5 мкВ. Погрешность АЦП составляет 0.5 дискретности линейки све- товодов 10, т.е. 5 мкВ. Относительная погрешность преобразования АЦП в % на верхнем значении каждой ступени делителя 2 представлена в таблице .

Таким образом, погрешность в диапазо- не от О В до 0,65536 В определяется погрешностью АЦП, а в диапазоне от 0,65536 до 1,31072 В - погрешностью обоих делителей, в сумме равной 0.001%.

Из потока измерений путем обработки полученных данных имеется возможность получить все характеристики измеряемого

сигнала: амплитудное значение сигнала, среднее значение, среднеквадратическое значение, коэффициент формы и коэффициент амплитуды.

Формула изобретения Цифровой вольтметр, содержащий входной делитель напряжения, вход которого является первым входом вольтметра, квантующую линейку световодов, выходы которой оптически сопряжены с фотоприемниками блока фотоприемников, и блок индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения области применения, введены последовательно соединенные второй делитель напряжения, блок ключей, усилитель и пьезоэлектрический дефлектор, последовательно соединенные первый дешифратор, шифратор и второй дешифратор, а тэкже генератор тактовых импульсов, ключ, свето- диод, щелевая диафрагма, объектив, выход генератора тактовых импульсов соединен с управляющим входом ключа и входом свето- диода, оптический выход которого сопряжен через щелевую диафрагму и объектив с отражающей поверхностью пьезоэлектрического дефлектора, которая оптически сопряжена с входными торцами световодов квантующей линейки световодов, выходы блока фотоприемников соответственно соединены с первой группой входов первого дешифратора, вторая группа входов которого соединена с соответствующими выходами второго дешифратора и с управляющими входами блока ключей, выходы шифратора являются выходами вольтметра и соединены с входами блока индикации, два знаковых выхода блока фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами ключа, выход которого является знаковым выходом вольтметра и соединен с соответствующим входом блока индикации, выход входного делителя напряжения соединен с первым входом второго делителя напряжения, второй вход которого соединен с вторым входом вольтметра.

/т3 2 / + / 2 3

ooo---ooo@®ooo-C0esno3o#d/ Cff0Hi/pФиг. 2