Цифровой вольтметр эффективных значений Советский патент 1978 года по МПК H03K13/02 

Изобретение относится к области цифровой электроизмерительной техники.

Известен вольтметр эффективных значений на основе интегрирующих преобразователей напряженияс квадратической характеристикой преобразования, содержащий преобразователь напряжение-код, счетчик, генератор опорного напряжения, ключи и цифровое отсчетное устройство 1. Его недостатками является низкая точность, определяемая метрологическими характеристиками интегрирующих преобразователей и низкое быстродействие, обусловленное тем, что процесс измерения состоит из нескольких циклов.

Известен также цифровой вольтметр эффективных значений, содержащий входной переключатель, преобразователь напряжения в частоту, блок управления, ключи, генератор опорной частоты, преобразователь код-частота, реверсивный счетчик, счетчик, преобразователь код-напряжение и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Один из сигнальных входов переключателя связан с входной клеммой прибора, а другой - с выходом преобразователя код-напряжение; выход переключателя подключен к входу преобразователя напряжения в частоту, выход которого соединен с сигнальными входами одного из ключей и одного из преобразователей код-частота; управляющий вход этого ключа связан с управляющим входом другого ключа и подключен к выходу блока управления, два других выхода которого соединены с управляющим входом переключателя и с входом сброса счетчика соответственно; выход первого ключа соединен с управляющим входом первого преобразователя код-частота, сигнальный вход второго ключа связан с сигнальным входом первого преобразователя код-частота и с

выходом генератора опорной частоты; выход этого ключа подключен к управляющему входу второго преобразователя код-частота, а выходы обоих преобразователей код-частота соединены с разноименными входами реверсивного счетчика, выход которого, в свою очередь, связан с входом счетчика; кодовые входы последнего соединены с управляющими входами преобразователя код-напряжение и цифрового отсчетного устройства 2. Точность такого прибора ограничивается наличием аналогового переключателя в цепи входного сигнала, метрологическими характеристиками преобразователя код-напряжение, а также погрешностью дискретности, которая

не может быть обеспечена достаточно малой в силу того, что создание высокочастотных преобразователей напряжение - частота с квадратичной характеристикой, обладающих достаточно высокими метрологическими показателями, является сложной технической задачей. Кроме того, это устройство обладает низким быстродействием, так как процесс измерения состоит .«3 двух циклов. Целью изобретения -является повышение точности.и. .быстродействия устройства. Указанная цель дЬстига:ется тем, что в цифровой вольтметр эффективных значений, содержащий первый и второй ключи, первый и второй преобразователи код-частота, реверсивный счетчик, счетчик, цифровое отсчетное устройство и генератор опорной частоты, причем выход первого ключа связан с управляющим входом первого преобразователя код- частота, выход которого соединен с входом суммирования реверсивного счетчика, сигнальный вход второго ключа подключен к выходу генератора опорной частоты, а вход цифрового отсчетного устройства подсоединен к выходу первого счетчика, согласно изобретению введены преобразователь напряжения в интервал времени, третий, четвертый и пятый ключи, элементы совпадения кодов, триггер, второй счетчик и делитель частоты, причем выход преобразователя напряжения в интервал времени соединен с управляющими входами первого и второго ключей, а вход квантования - с выходом первого преобразователя код-частота; сигнальный вход первого преобразователя код-частота соединен с выходом первого ключа; вход делителя частоты подключен к выходу генератора опорной частоты, его первый выход .соединен с тактирующим входом преобразователя напряжения в интервал времени и с входом сброса первого преобразователя код-частота, второй выход-с сигнальным входом первого ключа и управляющим входом второго преобразователя код-частота, а третий выход подключен к входу сброса второго преобразователя код- частоты, к входу сброса второго счетчика, к первому раздельному входу триггера, а также к входу сброса первого счетчика; сигнальный вход второго преобразователя код-частота подключен к выходу генератора опорной частоты; управляющие входы элементов совпадени%ко ов подсоединены к параллельным выходам реверсивного счетчика и второго счетчика, а их выход подключен к второму раздельному входу , триггера, причем выход последнего подключен к управляющим входам третьего, четвертого и пятого ключей, сигнальный входы которых соединены соответственно с выходом второго преобразователя код-частота, первого преобразователя кодчастота и генератора опорной частоты; выходы третьего, четвертого и пятого ключей подключены соответственно к входам вычитания реверсивного счетчика, второго счетчика и первого счетчика. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого вольтметра; на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие процесс получения информации о значении входного сигнала. Вольтметр содержит преобразователь 1 напряжения в интервал времени, первый ключ 2,второй ключ 3, первый преобразователь 4 код-частота, второй преобразователь 5 код- частота, третий ключ 6, четвертый ключ 7, реверсивный счетчик 8, элемент 9 совпадения кодов, счетчик 10, триггер 11, пятый ключ 12, цифровое отсчетное устройство 13, счетчик 14, генератор 15 опорной частоты и делитель 16 частоты. Измеряемое напряжение подается на вход 17 преобразователя 1, выход которого связан с управляющими входами ключей 2 и 3,а вход квантования - с выходом преобразователя 4. Выход ключа 2 соединен с управляющим входом, а выход ключа 3 - с сигнальным входом преобразователя 4. Разноименные входы счетчика 8 подсоединены к выходу преобразователя 4 и к выходу ключа 6, сигнальный вход которого соединен с выходом преобразователя 5. Выход генератора 15 связан с сигнальными входами ключей 3 и 12,с сигнальным входом преобразователя 5 и с входом делителя 16, первый выход которого соединен с тактирующим входом преобразователя 1 и с входом сброса преобразователя 4,второй выход - с сигнальным входом ключа 2 и с управляющим входом преобразователя 5, а третий выход подключен к входам сброса преобразователя 5, счетчика 10 и к одному из раздельных входов триггера 11, а также к входу сброса счетчика 14. Выход счетчика 14 подсоединен к входу устройства 13,а вход-к входу ключа 12. Управляющие входы элемента 9 подсоединены к параллельным выходам счетчиков 8 и 10, а его выход подключен к второму раздельному входу триггера И, выход которого подсоединен к управляющим входам ключей 6, 7 и 12. Вход счетчика 10 связан с выходом ключа 7, сигнальный вход которого подключен к выходу преобразователя 4. Процесс преобразования напряжения в интервал времени описывается системой уравненийi/o-f/лТ - X Т 1 1 -1 t Т, + Т.,Т- const, где т - постоянная времени интегратора; Т - время преобразования преобразователя 1, т. е. длительность элементарного цикла преобразования цифрового вольтметра; TI и - информативные интервалы времени;UQ - образцовое напряжение преобразователя 1; Ux - входное напряжение. Рещение этой системы дает функцию преобразования вида Т - - Т На время Ti на выходе преобразователя 1 появляется сигнал, разрешающий прохождение импульсов через ключи 2 и 3. В преобразователь 4 за это время поступает количество импульсов, равное

A n TrT-f..

о

где Ux (t) - мгновенное значение входного сигнала;

fi - частота следования импульсов на -втором выходе делителя 16.

Частота на выходе преобразователя 4 равна

f f fl

f ,. /о - и,

ГДР/VQI-емкость счетчиков преобразователя 4;

5 - постоянный коэффициент деления делителя 16 по второму выходу;

fn - частота генератора 6 опорной части.

Тогда за время Т элементарного цикла преобразования на выходе преобразователя 4 появляется число импульсов, равное

fS WlM.

Л„ Г,Т,

ul,i-s

в конце элементарного цикла преобразования импульс тактовой частоты ft сбрасывает управляющий счетчик преобразователя 4 в ноль, после чего он готов к новому циклу преобразования. Длительность элементарного преобразования Т значительно меньше периода Т: исследуемого сигнала, поэтому в течение одного цикла преобразования напряжение и (t можно полагать неизменным. В результате суммирования за время преобразования Тп (для минимизации погрешности от некратности Г„ целому числу периодов Ux(t), Тп должно в несколько десятков раз превышать время периода входного переменного напряжения), определяемое периодом следования ИМПУЛЬСОВ с третьего выхода делителя частоты 16, и дальнейшей цифровой обработки полученной суммы получается результат, линейно связанный с эффективным значением входного напряжения. Накопление методической погрешности в цифровом вольтметре устраняется путем квантования, заключающегося в синхронизации выходных импульсов преобразователя 1 длительностью TI со счетными (квантующими) импз льсами на выходе преобразователя 4.

Вышеописанный процесс иллюстрируется временными диаграммами, представленными на биг. 2, где 18 - импульсы тактовой частоты fj на первом выходе делителя частоты 16;

f - -L19

ИМПУЛЬСЫ частоты Г„

(п - постоянный коэффициент) на третьем выходе делителя 16, задающей время преобразования; 20 - импульсы на выходе преобразователя 4; 21-импульсы на выходе преобразователя 5; 22 - значения кодов в реверсивном счетчике 8 (пунктирная линия) и в счетчике 10 (сплошная линия); 23 - импульсы на выходе элемента 9; 24 - сигнал на выходе триггера П.

Пачки импульсов с преобразователя 4 непрерывно поступают на вход суммирования реверсивного счетчика 8. В момент времени ft, когда импульс частоты fr перебрасывает триггер 11, тем самым открывая ключи б и 7, на вход счетчика 10 начинают поступать пачки импульсов , а на вход вычитания реверсивного счетчика 8 поступают ИМПУЛЬСЫ линейно изменяющейся частоты с преобразователя 5:

ffi /0

f - iii. - liLf -

f,f,

r 1° -

M,oS

N02Л оо

где f - текушее значение времени;

5

дГр, - емкость счетчиков преобразователя 5;

уЗ

/Ci L -постоянный коэффициент.

В реззльтате этого значение кода в счетчике 10 возрастает, а текущее значение кода в

0 реверсивном счетчике 8 убывает. В момент времени fz коды в реверсивном счетчике 8 и в счетчике 10 становятся равными и на выходе элемента 9 совпадения кодов появляется импульс, который, вызывая срабатывание

5 триггера 11, закрывает ключи 6 и 7. После этого код в счетчике 10 перестает изменяться и остается постоянным до конца цикла преобразования Тп, а код в реверсивном счетчике 8 увеличивается за счет суммирования пачек импульсов , продолжающих поступать на его вход суммирования. В момент времени t. приходит им.иулъс частоты /т„, который сбрасывает в ноль счетчики 10 и 14 и преобразователь 5 и вызывает срабатывание триггера

5 11. Далее начинается следующий цикл преобразования.

Процесс изменения кода в реверсивном счетчике 8 за время Тп одного цикла преобра0 зования описывается системой уравнений

гт т

..fN,,

Т„ + Т,„ Т„ СОП81

45

п,

f ,fdi N,,+ У

f KUl (О df КТ„ - г Ul (f} dt

50

ктА.

55 Откуда

7„(,ф ЛАф.

На время Тп открывается для прохождения импульсов опорной частоты fo ключ 12, и в счетчике 14 записывается число, пропорциональное эффективному значению входного напряжения Ux (t), которое фиксируется и обрабатывается устройством 13. В конце времени Г„1 счетчик 14 сбрасывается импульсом /т„ , после чего он готов к следующему циклу измерения. Таким образом, быстродействие предлага1аКИМ иииали, JDi: f . емого вольтметра обусловлено временем Г„ v mwi-j uw.iJ. J одного цикла преобразования вместо двух циклов в известном устройстве. Для исключения переходного процесса, возникающего в подобного рода системах при скачкообразном изменении входного сигнала, и заключающегося в регулировании информативного времени Т„ь служит счетчик 14, который обеспечивает изменение кода встречное развертке кода в реверсивном счетчике 8. ObCUllVC ptD p -riiJHk lYl ч iiiix --. Погрещность дискретности в устройстве определяется значением выходной частоты гене ,- о . , ,-,-г, ратора 15 опорной частоты, которая может быть на несколько порядков больще максимально достижимой выходной частоты преобразователя напряжения в частоту. Формула изобретения Цифровой вольтметр эффективных значений, содержащий первый и второй ключи. первый Т торой преобразователи код - частота, реверсивный счетчик, первый счетчик, цифровое отсчетное устройство и генератор опорной частоты, причем выход первого ключа свя:ан с управляющим входом -первого преобразователя код-частота, выход которого соединен с входом суммирования реверсивного счетч1:ка, сигнальный вход второго ключа подсоединен к выходу генера тора опорной частоты, вход цифрового отсчетного устройства подсоединен к выходу первого счетчика, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности и быстродействия, в него введены преобразователь напряжения в интервал времени, третий, четвертый и пяа ИШСрСаЛ Dp., ,ii.,i, т-,, , . ..,. -. ... тый КЛЮЧИ, элементы совпадения кодов, тригrep, второй счетчик и делитель частоты, причем выход преобразователя напряжения в нтервал времени соединен с управляющими входами первого и второго ключей, а вход квантования - с выходом первого преобразователя код-частота, сигнальный вход пер-«- ---г.„„«nllTJOTJ вого преобразователя код-частота соединен с выходом второго ключа, вход делителя час ,, т,тт. -ovnn ГТ.РПМТР.ГТЯ ЦЯПтоты подключен к выходу генератора опорной частоты, а его первый выход соединен с тактирующим входом преобразователя напряжения в интервал времени и с входом сброса первого преобразователя код-частота, второй выход соединен с сигнальным входом первого ключа и управляющим входом второго преобразователя код-частота, третий выход 1 ключей к входу сброса второго преобразователя код-частота, к входу сброса второго ,,,т„тгтг Л тт ТГ ТТаГЛОПЛ ЛГ ПаЭЛР ГГТ-.РПМЛ ВХОДУ счетчика и к первому раздельному триггера, а также к входу сброса первого счетчика, сигнальный вход второго преобразователя код-частота подключен к выходу генератора опорной частоты, управляющие входы элементов совпадения кодов подсоединены к параллельным выходам реверсивного счетчика и второго счетчика, а их выход подключей к второму раздельному входу триггера, причем выход последнего подключен к управляющ,им входам третьего четвертого и пятого ключей, сигнальные входы которых соединены соответственно с выходами второго преобразователя код-частота, первого преобразователя код-частота и генератора опорной частоты, при этом выходы третьего, четвертого и пятого ключей подключены соответственно к входам вычитания реверсивного счетчика, второго счетчика и первого счетчика. Источники информации, принятые во внимание при экснертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 367389, --f,.„.. Q7, кл. л U1K , 1У1-. м- 2. Авторское свидетельство СССР № 4У4/и1, кл. G 01R 13/02, 1973. 1 rrn(, Тп2(ГнгЫ) Tn() (Tri.n tiJ)