Стохастический вольтметр Советский патент 1980 года по МПК H03K13/03 

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения среднего, средиевыпрямлеиного (среднего по модулю) значений напряжений стохастическим способом.

Известно устройство, содержащее датчик, выход которого подключен к входу измерительного преобразователя, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход - к выходу синхронизатора, третий вход - к выходу генератора опорного напряжения, а выход - к первому входу двухканального счетчика, второй вход которого подключен к входу источника тактовой (оиорной) частоты 1. Это устройство непосредственно предназначено для измерения средних значеиий исследуемого напряжения.

Однако оно имеет постоянное разрешение (чувствительность) по уровню, и, следовательно, измерение значений нанряжения, изменяющегося в широком дииамическом диапазоне, с его помощью не целесообразно.

Наиболее близким по техническому решению к предложеииому является устройство, содержащее генератор тактовых импульсов, преобразователь напряжение - вероятность, два счетчика, блок деления, цифровое отсчетное устройство, вход которого подключей к выходу блока деления, первый и второй входы которого подключены к выходам первого и второго счетчиков соответственно, вход первого счетчика подключен к выходу преобразователя напряжение - вероятность, первый вход которого является входом устройства в целом, и подключен к входу генератора тактовых импульсов, выход которого подключен ко второму входу иреобразователя иaиpялieпиe - вероятность и входу второго счетчика 2. В этом устройстве преобразователь напряжение - вероятность выполнен в виде трех отдельных блоков: нзмернтельного устройства сравнения, усилителя и генератора равномерно распределенных случайных величин, а генератор тактовых импульсов входит в блок генератора равномерно распределенных случайных импульсов.

20 Недостатком этого устройства является непостоянство относительной ошибки измерения мгновенных значений входного сигнала, что, естественно, приводит к уменьшению частоты средьпх значений входного

25 сигнала.

Цель изобретения - повышение точности преобразовання и вычислення среднего и средневыпрямленного (среднего по модулю) значеннй напряжения.

30 Поставленная цель достигается тем, что

в устройство, содержащее последовательно включенные фop 5нpoвaтeль, умножитель частоты, счетчик числа нспытаний, счетчик числа отсчетов, блок элементов И, выходы которого являются выходами устройства в целом, а информационные входы-подключены к выходам реверсивного счетчика, преобразователь наиряжение - вероятность, управляющий вход которого подключен к выходу умножителя частоты, дооолнительно введены ряд усилителей, ряд компараторов, блок сравнения с нулем, коммутатор, шифратор, блок формирования кода порядка, регистр порядка, дешифратор, ключ, двухполупериодный выпрямитель, причем вход последнего подключен к входу формирователя и первому входу блока сравнения с нулем, второй вход которого подключен к земле и вывод через ключ - к унравляющему входу реверсивного счетчика, информационные входы которого подключены к выходам дещифратора, информационным входом подключенного к выходу преобразователя напряжение - вероятность и управляющици входами - к выходам регистра порядка, входы которого подключены к выходам блока формирования кода порядка, выходами подключенного к уиравляющим входам коммутатора и к выходам шифратора, управляющий вход которого подключен к выходу счетчика чрюла испытаний, и информационные входы - к выходам комнараторов коммутаторов, первые входы которых объединены н подключены к источнику опорного напряжения, вторые входы - к выходам усилителей, входы последних объединены и подключены к выходу двухполупериодного выпрямителя, а выходы усилителей подключены также к информационным входам коммутатора, выход которого подключен к информационному входу преобразователя папряжение - вероятность.

На чертеже представлепа структурная схема стохастнческого вольтметра.

Устройство содержит двухполупериодный выпрямитель 1, схему 2 сравнения с нулем, формирователь 3, ряд усилителей 4, ключ 5, умножитель частоты б, ряд схем сравнения 7, счетчик числа испытаний 8, шифратор 9, коммутатор 10, схему формирователя кода порядка И, регистр порядка 12, счетчик числа отсчетов 13, преобразователь напряжеиие - вероятность 14, дешифратор 15, реверсивный счетчик 16 и блок элементов И 17.

Входной динамический диапазон во-льтметра можно определить как интервал изменения входиой величипы, в пределах которого измерение происходит с относительной ощпбкой б, не превышающей допустимую бдоп. Из определения относительной ошибки для известных устройств (б)

1- , причем величииа б ограннчена

-н

сверху величиной

,.,. (,)макс it/

k AiaKC --- ,(i)

где и - рез)льтат измерения нелнчины Uti - истинное значение измеряемой величины;

Дс/ - шаг квантования по уповн о. Анализ выражения (1) говорит о том, что выполнение последнего условия можно обеспечить только лпшь изменением (уменьшеннем) величины , т. е.

If

( -- /

Количественным показателем момента смены значения ДО может служить выполneiH-ie УСЛОВИЯ

()ма,л

(2)

При аппаратурной реалнзацин onncajfnoго алгоритма проще пользоваться соотношепнем

(3)

...,, -. До .

Un-f

В общем случае Бе.чичина К зависит от /я

и

(4)

о-оп- /

В предлагаемом устройстве указанный алгорнтм реализуется с номондью набора уснлнтелей с коэффициентом передачи /d-e , Смакс), набора идентичных компараторов, осуществляющих сравнение значений Ux-Ki с ЕО, блока сравнения Ux с нулевым значением, который определяет знак входного сигнала.

В предлагаемом устройстве производится нормализация операидов иутем псиользования уснлителей с коэффициентом передачи, кратными основанию системы счисления. Последнее означает, что мантисса чнсла всегда будет не менее l/q и соответственно относительная ногрешпость будет незначительной. Таким образом, исиользоваппе в предлагаемом устройстве представления пнформацни в форме с плавающей запятой (порядок п мантисса) позволяет повысить точность (методическую и иаструмептальную) преобразовання входных величин. Но ирп такой форме представления информации предполагается кспользованпе сложного арифметнческо10 ycтpoйcгJзa, которое позволило бы производить перед су.ммировапием (вычитанием) трудоемкую операцию выравнивання норядков. В предложенно.м устройстве эта трудность преодолена введением дешнфратора, который в завнсимостн от величины кода порядка подключает к выходу преобразователя напряжение - вероятность соответствующий вход реверсивного счетчика, что Н3 меняет вес элементарного приращения результата.

Функционирование устройства в режиме измерения среднего по модулю происходит следующим образом.

В исходном состоянии все счетчики 8, 13, 16 и регистр порядка 12 установлены в нулевое положение. Ключ 5 разомкнут. При подаче на вход устройство исследуемого сигнала Ux формирователь 3 вырабатывает определенные сигналы в моменты прохождения Ux через нулевое значение, выделяя нри этом иериод исследуемого сигнала. Сигналы с формирователя 3 поступают на умножитель частоты 6, который вырабатывает V тактовых имнульсов, частота которых онределяется нериодом Ux- Одновременно входной сигнал поступает на вход блока 2 сравнения с нулем, который формнрует сигнал, соответствуюпи,пй коду знака нзмеряемого мгновенно значення входного сигнала , а также на вход двухполупернодного выпрямителя 1, который реализует функцию 1(х) (х), т. е. на выходе вынрямнтеля 1 формируется сигнал, равный абсолютному значению входного сигнала.

Таким образом, сигнал одного знака (только положнтельный или только отрицательный) постунает на входы уснлптелей 4, коэффициенты передачи которых кратны основанию системы счисления. Расиоложены усилители в иорядке возрастаиия коэффициеитов нередачп Kj от /(,i;ai до /Слгакс. Компараторы 7 осуществляют сравнение величнн Ux-Kj с опорным напряжением

лмакс

о

(с1 - ос1;ование системы счпq

сления, далее для однозначности полагают, что (7 2). При этом на выходах некоторых из компараторов 7, иа входах которых Ux-Kj,Eu, формируется сигнал нулевого уровня, а па остальных - единичного (т. е. 00...011...1). Граннца (переход пз нуля в еднницу) зиачений выходных сигналов однозначно определяет требуемый коэффнциент передачп Ki. Таким образом, с приходом первого тактового импульса шифратор 9 (па осиовании анализа выходных сигиалов комиараторов 7) определяет необходнмый коэффициент Kij передачи, величииа которого онределяется условием нолучеиия нормализованного . При этом посредством коммутатора 10 к входу преобразователя напряженне - вероятность 14 подключается напряжение, равное произведению UxKij. Величина коэффициента передачи выбранного усилителя нреобразуется в код норлд;,:: MjiiODtiino: о 311ачен :я 6v; с помощью блока И. Сформированный код иорядка заносится в регистр порядка 12. Начиная со второго и до п-го такта, нреобразозатель 14 формирует вероятностный код велнчниы U-xi Kij, который иоступает на ннформацпонный вход дешнфратора 15. Последний в завпсимостн от велнчины кода иорядка разрешает нрохожденне «с.тучайных импульсов на соответствующий вход

реверсивного счетчг.ка 16. Прнчем коды регистра порядка 12 п номера разрядов счетчика 16, на которые поступают «случайные сигналы, совпадают. После окончания п-го такта ((.г-1) - число нспытаний, необходнмое для достижеиия заданной статистической точностн) в счетчика 16 оказывается сформированный нозиционный код величины L/xi. Последний нз каждой серии но п имиульсов переполняет счетчнк числа испытаннй 8. Спгнал нереполнення фпкснруется в счетчике числа отсчетов 13 п постунает на вход шифратора 9 для анализа выходных сигиалов компараторов 7. По этому сигналу шифратор выбирает (при иеобходнмости) новый уснлитель с требуемым коэффициентом иередачи для следующего мгновенного значения Lxi+t. Затем в регистр иорядка заносится код выбра1нюго коэффициента нередачи (1-}-1)-го значення входной величины, и в течение следующих п тактов формнруется вероятностный код мантиссы

.vi+l Ki+lj.

По нриходу последнего из этой серии имнульсов заканчивается формнрование частичной суммы Uxi-rUxi+i- Далее работа устройства происходила аналогнчно до т-го нереполнення счетчика 8 (т - число отсчетов на заданном интервале нли периоде измеряемой величииы L/x) При т-ом нереиолненпн счетчика 8 ироисходит цереполнение счетчика 13. Этот сигнал переполнения поступает иа уиравляющнй вход блока схем И Г/, иа выходе которого формируется (передается из счетчика 16) код |t7|cp входного сигнала. Режим измереппя среднего Ucp отличается от описанного выше только тем, что ключ 5 замыкает цень: выход блока 2 сравнения с нулем - управляющпй вход реверспвного счетчика 16, по которой передается информацня о знаке Uxi- Сигналы, ноступающне на управляющий вход счетчпка 16, определяют режнм его работы - сложенне пли вычитание. Таким образом, по истечении .V тактов () со счетчика 16 считывается код алгебранческой суммы (с учетом знака) мгновенных значений входной велпчнны U.

Операция нормирования, т. е. деления на Л полученного результата отсутствует, так как N выбнрается нз условия Л .

В этом случае жестко фиксированное положение запятой в выходиом коде определяет значе1 ие измеряемых параметров.

Таким образом, введение дополнительных б.юков н функциональных связей позволяет повысить т.очность измереь;ия требуемых величин млн, в 3aBncHN OCTH от предъявленных требованнй, увеличить быстродействие либо расширить дииамический диапазон нредставления входных сигналов нрн нрежней точностн вычислений. Все это расширяет круг задач, решаемых иодобнымн устройствами.

Формула изобретения

Стохастический вольтметр, содержащий последовательно включенные формирователь, умножитель частоты, счетчик числа испытаний, счетчик числа отсчетов, блок элементов И, выходы которого являются выходами устройства в целом, а информационные входы подключены к выходам реверсивного счетчика, преобразователь напряжение - вероятность, управляющий вход которого подключен к выходу умножителя частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он дополнительно содержит ряд усилителей, ряд компараторов, блок сравнения с нулем, коммутатор, шифратор, блок формирования кода порядка, регистр порядка, дешифратор, ключ, двухполупериодный выпрямитель, причем вход последнего подключен к входу формирователя и первому входу блока сравнения с нулем, второй вход которого подключен к земле и вывод через ключ - к управляющему входу реверсивного счетчика, информационные входы которого подключены к выходам дешифратора, информационным входом подключенного к выходу преобразователя напряжение - вероятность и управляющими входами - к выходам регистра порядка, входы которого подключены к выходам блока формирования кода порядка, входами подключенного к управляющим входам коммутатора и к выходам шифратора, управляющий вход которого подключен к выходу счетчика числа испытаний и информационные входы - к выходам компараторов, первые входы которых объединены и подключены к источнику опорного напряжения, вторые входы - к выходам усилителей, входы последних объединены и подключены к выходу двухполупериодного выпрямителя, а выходы усилителей подключены также к информационным входам коммутатора, выход которого подключен к информационному входу преобразователя напряжение - вероятность.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Тумфарт. Использование вероятностных принципов в новых измерительных приборах. «Электроника, ЛЬ 15, 1975, с. 33-34.

2.Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы Киев, «Вища щкола, 1973, с. 534 (прототип).