Цифровой интегрирующий вольтметр Советский патент 1993 года по МПК G01R19/25 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в цифровых приборах времяимпульсного типа.

Цель изобретения - уменьшение аддитивной составляющей погрешности вольтметра.

На фиг. 1 приведена функциональная схема заявляемого цифрового интегрирующего вольтметра; на фиг. 2 - временные диаграммы и эпюры нулевой зоны шкалы, поясняющие его работу: на фиг. 3 - схема аналога и временные диаграммы.

Цифровой интегрирующий вольтметр (см. фиг. 1) содержит входную клемму 1 измеряемого напряжения U, резистивный блок 2, ключи 3,4, интегратор 5 на операционном усилителе 6 и конденсаторе 7 обратной связи, токозадающий резистор 8, источник 9 опорного напряжения, нуль-орган 10, счетчики 11,12 и счетчик 13 Джонсона, генератор 14 тактовых импульсов, триггеры 15,16,17, элементы И 18,19, клемму 20 Пуск, мультиплексор 21, элемент ИЛИ 22 и клемму 23 Установка 0. Входная клемма 1 измеряемого напряжения через резистивный блок 2 и ключ 3, а источник 9 опорного напряжения через ключ 4 и токозадающий резистор 8 подключены ко входу интегратора 5. Выход интегратора 5 соединен со входом нуль-органа 10, а выход нуль- органа - со сбросовым входом триггера 16, установочный вход которого подключен к выходу переполнения счетчика 11 и.сбросовому входу триггера 15. Установочный вход триггера 15 соединен с клеммой 20 Пуск и счетным входом триггера 17. Выход триггера 15 подключен к управляющему входу ключа 3 и первым входам элемента И 18 и элемента ИЛИ 22. Второй вход элемента 18 И соединен с выходом генератора 14 тактовых импульсов и входом счетчика 13. Пер- в.ый, второй и третий выходы счетчика 13 подключены соответственно к первому и второму, третьему, четвертому информационным входам мультиплексора 21. Первый

(Л

ч ю

управляющий вход мультиплексора 21 соединен с выходом триггера 17, а второй - с клеммой 23 Установка 0. Выход мультиплексора 21 подключен к второму входу элемента 19 И, первый вход которого соединен с выходом триггера 16, входом исто чника 9 опорного напряжения и вторым входом элемента ИЛИ 22. Выходы элемента ИЛИ 22, И 18, 19 подключены соответственно к управляющему .входу ключа 4, входам счетчиков 11, 12.

В качестве ключей 3, 4 использованы микросхемы К590КН5, в качестве операционного усилителя б - К544УД1А, в качестве нуль-органа 10 - К521САЗ, в качестве счетчиков 11, 12, 13 - соответственно К564ИЕ9, К564ИЕ14 и К564ИЕ19, в качестве триггеров 15, 16, 17 - К564ТМ2. Источник 9 опорного напряжения построен по схеме управляемого источника биполярного опорного напряжения (см. авторское свидетельство СССР № 1339530, кл. G 05 F 1/625). Генератор 14 построен по схеме генератора тактовых импульсов.- .:

Работа цифрового интегрирующего вольтметра поясняется фиг. 2, на которой изображено: 2а - напряжение на выходе интегратора при измерении положительного (I), нулевого (II) и отрицательного (III) напряжений, 26 - эпюра нулевой зоны шкалы вольтметра в режиме измерения напряжения, 2в, г эпюры нулевой зоны шкалы вольтметра в режиме установки нуля для двух последовательностей счетных импульсов с запаздыванием и опережением по фазе.

Цифровой интегрирующий вольтметр работает по методу двухтактного интегрирования со смещенным нулем. .

Работа схемы в режиме измерения напряжения. С поступлением сигнала Пуск опрокидывается триггер 15, который своим выходом непосредственно и через элемент ИЛИ 22 замыкает соответственно ключи 3, 4, а также открывает элемент И 18, разрешая прохождение тактовых импульсов гене-, ратора 14 на счетчик 11. На вход интегратора 5 поступает измеряемое напряжение U и опорное напряжение U0 со знаком минус в качестве смещающего. Частота тактовых импульсов генератора 14 и емкость счетчика 11 выбраны из условия равенства времени полного заполнения счетчика 11 первому такту интегрирования. Пусковой перепаде выхода счетчика 11 возвращает в исходное состояние триггер 15 и опрокидывает триггер 16. Триггер 15 своим выходом размыкает ключи 3, 4 и закрывает элемент И 18. прекращая тем самым прохождение тактовых импульсов генератора на вход счетчика 11. Опрокидывание триггера 16 приводит к изменению полярности источника опорного напряжения Do, замыканию через элемент ИЛИ 22 ключа 4 и открыванию элемента И 19. На вход интегратора подключается опорное напряжение положительной полярности. Начинается второй такт - разряд интегратора. В это время на вход счетчика. 12 через мультиплексор 21 поступают счетные импульсы с

первого быхода счетчика 13 Джонсона. Последовательность этих импульсов образована из последовательности тактового генератора, поделенной счетчиком Джонсона в п раз. В режиме измерения напряжения

5 открыт первый или второй вход мультиплексора в зависимости от состояния триггера 17, атак как оба эти входа закорочены, то на счетчик 12 поступает один и тот же сигнал. Разряд интегратора продолжается до до0 стижения выходным напряжением интегратора исходного уровня. Этот момент фиксируется нуль-органом ТО, который своим выходным сигналом возвращает триггер 16 в исходное состояние. Возврат триггера

5 16 приводит .к размыканию ключа 4, переключению полярности источника опорного напряжения и закрыванию элемента 19 И для прохождения счетных импульсов на счетчик 12. Число, записанное в счетчике,

0 пропорционально измеряемому напряжению. Счетчик 12 является реверсивным счетчиком, находящимся в режиме вычитания от момента начала счета до достижения своего нулевого состояния и в режиме сло5 жения после перехода через нулевое состояние. Емкость счетчика выбрана из условия совпадения момента возврата выходного напряжения интегратора в исходное состояние при нулевом измеряемом напряжении

0 с переходом счетчика в нулевое состояние. Тогда, при измерении положительных напряжений (см. фиг. 2) возврат интегратора в исходное состояние наступает до перехода счетчика в нулевое состояние, а при измере5 нии отрицательных напряжений - после .этого перехода.

Работа схемы в режиме установки нуля. В этом режиме схема работает аналогично режиму измерения напряжения со следую0 щими особенностями. Поступление сигнала Установка нуля на клемму 23 приводит к тому, что мультиплексор 21 открыт по третьему или четвертому входу в зависимости от состояния триггера 1.7, который меняет свое

5 состояние с приходом каждого сигнала Пуск, Третий и четвертый входы мультиплексора 21 подключены соответственно к второму и третьему выходам счетчика 13 Джонсона. Особенностью счетчика Джонсона является равенство частот сигналов на

его выходах и сдвиг фазы, определяемый периодом сигнала на его входе. Т.о. в режиме установки нуля на вход счетчика 12 попеременно поступают последовательности счетных импульсов, сдвинутых по фазе относительно друг друга. На фиг. 2в, г представлены эпюры нулевой зоны шкалы вольтметра для двух последовательностей счетных импульсов. Оцифрованные точки обозначают моменты поступления на счетчик 12 счетных импульсов. Сравнивая между собой эпюры 26, в, г, можно заметить, что счетные импульсы на фиг. 2в отстают на (0,5n-1)q/n, а на фиг. 2г опережают на (0,5п- 1)q/n по фазе импульсы, поступающие на счетчик 12 в режиме измерения напряжения (фиг. 26). Если второй такт интегрирования заканчивается в интервале +2 - +1, вольтметр индуцирует показание +2, если в ин- тервале-М -0, то-И, если в интервале 0 --1, то 0, если в интервале -1 - -2, то -1... Погрешность квантования определяется ступенью квантования q. Если в процессе установки нуля совместить окончание второго такта интегрирования с серединой интервала 0 - -1 (фиг. 26), то погрешность квантования принимает минимальное значение, равное ± 0,5q. Практически установка нуля выглядит следующим образом. При закороченном входе вольтметра и периодическом поступлении сигнала Пуск регулировкой операционного усилителя добиваются стабильных нулевых показаний вольтметра. Это говорит о том, что окончание второго такта интегрирования попадает в интервал О (фиг. 2в) - -1 (фиг. 2г). В противном же случае при окончании второго такта интегрирования до точки 0 (фиг. 2в) вольтметр попеременно индицирует 0/+ 1. Если же окончание второго такта наступает после точки -1 (фиг. 2г), то вольтметр индицирует попеременные 0/-1. Ширина нулевой зоны О (фиг. 2в) - -1 (фиг. 2г) определяется коэффициентом деления п счетчика Джонсона. При п, равном 10, ширина нулевой зоны составляет 0,2q. При этом погрешность квантования не превышает 0,6q. Соответственно снижается и аддитивная составляющая погрешности, в пределе стремящаяся к этому значению.

Заявляемая схема цифрового интегрирующего вольтметра выгодно отличается от прототипа. В прототипе гарантированное минимальное значение аддитивной составляющей погрешности составляет+q. В заявляемом же вольтметре это значение

снижено до ± (0,5-И /n)q, где п - коэффициент деления счетчика Джонсона.

Повышение точности измерения напряжения, представляющего собой информативный параметр объекта контроля, приводит к повышению безопасности проведения работ на контролируемом объекте, а также повышает конкурентоспособность вольтметров на мировом рынке.

Формула изобретения

Цифровой интегрирующий вольтметр, содержащий интегратор, к входу которого подключены входная клемма измеряемого напряжения через последовательно соединенные резистивный блок и первый ключ и источник опорного напряжения - через последовательно соединенные второй ключ и токозадающий резистор, выход интегратора соединен с входом нуль-органа, выход

которого соединен со сбросовым входом первого триггера, установочный вход первого триггера соединен с выходом переполнения первого счетчика и сбросовым входом второго триггера, установочный вход которого соединен с клеммой Пуск, выход - с управляющим входом первого ключа и первым входом первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, выход первого

триггера соединен с первым входом второго элемента И, выход которого подключен к входу второго счетчика, выход первого элемента И соединен с входом первого счетчика, отличающийся тем, что, с целью

уменьшения аддитивной составляющей погрешности вольтметра, в него введены третий триггер, счетчик Джонсона, мультиплексор, элемент ИЛИ и клемма Установка 0, при этом вход третьего триггера

соединен с клеммой Пуск, выход - с первым управляющим входом мультиплексора, второй управляющий вход которого подключен к клемме Установка 0, вход счетчика Джонсона соединен с выходом

генератора тактовых импульсов, первый, второй и третий выходы счетчика Джонсона соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым информационными входами мультиплексора, выход

которого соединен с вторым входом второго элемента И, первый вход элемента ИЛИ соединен с выходом второго триггера, второй - с выходом первого триггера и входом источника опорного напряжения, а выход элемента ИЛИ соединен с управляющим входом второго ключа.

и

К

Использование: для измерения напряжения цифровыми приборами времяимпульсного типа. Сущность изобретения: уменьшение аддитивнрй составляющей погрешности вольтметра. Устройство содержит входную клемму, резистивный блок, дв а ключа, интегратор на операционном усилителе с конденсатором в обратной связи, то- козадающий резистор, источник опорного напряжения, нуль-орган, два счетчика, счетчик Джонсона, генератор тактовых импульсов, три триггера, два элемента И, клемму Пуск, мультиплексор, элемент ИЛИ, клемму Установка нуля. 3 ил.

+г

Ч Ч Ч

о Фие.З

-r-t