Устройство для измерения максимального значения сигналов Советский патент 1980 года по МПК G01R19/04 

reHepaYppa ступенчатого напряжения, введены коммутатор аналогового сигнала, входной делитель, входными шинами .включенными между входом устройства и общей шиной, соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам коммутатора аналогового сигнала, логический элемент И, два логических элемента ИЛИ, группа триггеров, ключ эле- мент временной задержки, распределитель импульсов, декадньш делитель, группа ключевых элементов, шунтирующих старшие декады декадного делителя, входом включенного между общей шиной устройства и выходом генератора ступенчатого напряжения, группа дополнительных измерительных йОмпараторов, первые которых соединены параллельно и подключены к аналоговому выходу коммутатора аналогового сигнала, а второй вход каж- дого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к соответствующей ступени одной из декад декадного делителя, выход каждого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к пер вому входу триггера, вторые входы триггеров соединены параллельно и подключены к выходу первого логического элемента ИЛИ, первый вход которого подсоединен к выходу элемента временной задержки и первому входу второго логического элемента И Л И, второй вход которого соединен со входами сброса генератора ступенчатого напряжения, распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала, выход измерительного ком.паратора подключен к второму входу первого логического элемента ИЛИ, входы запуска генератора, ступенчатого напряжения и распределителя импульсов соединены с первым входом логического, элемента И, второй вход которого соединен с подключенным к одним из выходов распределителя импульсов , а выход логического элемента И соединен со входом запуска коммутатора аналогового сигнала и вторым входом второго логического элемента ИЛИ, кодовые выходы распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала и выходы группы триггеров подключены к соответствующим входам кодового регистра, к которому через ключ подсоединены также выход опорного компаратора и выход одного из дополнительных измерительных компараторов, а вход элемента временной задержки подключен к выходному кодовому регистру непосредственно

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства.

Устройство содержит измерительньй вход 1 устройства, входной дблитель 2, коммутатор 3 аналогового сигнала с входами запуска 4 и сброса 5, выходом 6 аналогового сигнала и кодовым выходом 7, логический элемент 8 И, опорный компаратор 9, генератор 10 ступенчатого напряжения с выходом 11 и входами запуска 12 и сброса 13, распределитель 14 импульсов с входами сброса 15 и запуск 16 и кодовым вькодом 17, группа ключевых элементов 18, группа дополнительных измерительных компараторов 19, декадный делитель со ступенями (декадами) 20-23 соответственно: R ; R-10 , ..., R- ) (,, R. io tli-l , группа триггеров 24, первый логический элемент 25 ИЛИ, измерительньй компаратор 26, ключ 27, вькодной-кодовьй регистр 28, элемент 29 временной задержки,второй логический элемент 30 ИЛИ, общая шина 31

Устройство работает следующим образом..

В исходном состоянии все щунтирую- шие ключевые элементы 18 закрыты сигналами распределителя 14 импульсов,при этом соответствующие ступени 20-22 декадного делителя оказываются закороченными, опорньй 9 и все измерительные компараторы 19 и 26 через коммутатор 3 аналогового;, сигнала подключены к измерительному входу 1 устройства, ключ 27 закрыт для передачи сигналов; положение триггеров 24 и состояние кодовых вьгходов 7 коммутатора 3 и 17 распределителя 14 импульсов, соответствуют нулевой информации. Единичный уровень выходного напряжения генератора 10 ступенчатого напряжения (ГСН) выбирается в границах одной или нескольких предпоследних младших декад кода, исходя из требований быстродействия и точности измерений, а также количества, ступеней 23 декадного делителя. Совместно с измерительными компараторами 19 и 26 ступени 23 образуют аналого-цифровой преобразователь (АЦП) считывания, работающий в пределах одной или нескольких младших декад кода. Количество декад АЦП обусловлено требуемым быстродействием устройства и допустимой погрещностью измерений (числом уровней квантования). Указанные требования обеспечиваются выбором оптимального соотношения ьЛежру значением уровня единичной ступени напряжения генератора 10 и числом ступеней 23 декадного дел 1теля с компараторами 19, т.е. числом уровней квантования 57394 единичной ступени генератора 10 и, соответственно, измеряемого сигнала, исходя из возможного быстродействия генератора ступенчатого напряжения и компараторов, с учетом временных характеристик измеряемого сигнала. Выходное напряжение генератора 10 распределяется по степеням 23 с равным и постоянным приращением, образуя равномерную шкалу квантования измеряемого сигнала по уровню в указан- ю . .ных выше пределах. Если предел измерения и амплитуда напряжения генератора 10 ступенчатого напряжения равны А 10 В, где и число декад, требуемое количество уровней квантования сигнала Р, диапазон пред ставления чисел АЦП считывания 10 , где К- количество декад АЦП, Т( величина единичной ступени ГСН Л - -р- Устройство работает в широком диапазоне уровней напряжения входньк сигшлов, однако амплитуда выходного напря жения ГСН выбирается равной условному младшему пределу. При изменении уровня входного сигнала по мере его нарастания коммутатором 3 аналогового сигнала вклю чаются соответствующие ступени входного делителя 2 и на компараторы 9, 19 и 26 всегда передается измеряемый сигнал в уменьшенном масштабе в границах условного младшего предела. Это обеспечивает повышение быстродействия устройства и уменьшение динамической погрешности. В исходном состоянии выходное напряжение генератора 10, установленное на уровне первой ступени, равно й . Это напряжение распределяется по измерительным компараторам 19 в соответствии с дискретными ступенями декады (или декад) 23. Число декад делителя равно И каждая из которых содержит по 9 дискрет ных ступеней, а младшая декада (или младшие декады) содержит 10 дискретных ступеней.23. Величина ступеней 20-23 составляет соответственно: R ; R-1О ..., Я-10 ; и R- в младшей декаде. Таким образбм, опорное напряжение, образуемое делителем на .каждом измерительном компараторе 19, отличается от соседнего компаратора на величину С появлением на входе 1 измеряемого сигнала он сравнивается в компараторах 19 с совокупностью дискретных уровней напряжения на ступенях 23 делителя и по мере возрастания измеряемого сигнала последовательно срабатывают компараторы 19. Сигналы сработавщих компарато524 ров запоминаются в группе триггеров 24. Сигнал сравнения опорного компаратора 9 в начальный период измерения с ростом измеряемого сигнала не 6казь1вает влияния на работу устройства благодаря использованию ключа 27. Этот ключ отпирается только по сигналу меньше или равно опорного компаратора 9, при условии предварительной его подготовки сигналом измерительного компаратора 19. Если максимальное значение измеряемого сигнала не превышает уровня первой ступени Л генератора 10.„ то в соответ- .ствии с максимумом сигнала срабатывает только часть компараторов 19. Когда в пР°Цессе умень иения измеряемого сигнала его значение достигнет потенциала общей шины 31, то соответствующим сигналом опорного компаратора 9 откроется подготовленный ключ 27 и единичный код, соответствующий измеренному максимуму сигнала, с группы триггеров 24 по сигналу с вьосода ключа 27 перепишется в вьсходной кодовый регистр 28. Ключ 27 во избежание ложного срабатывания в исходном состоянии устройства блокирован выходным сигналом одного из компараторов 19, к опорному входу которого подключен ступень 23 делителя с минимальньш уровнем напряжения, равным :пгк С началом измерения упомянутый компаратор 19 срабатывает первым и деблокирует ключ 27, подготавливая его для последующей передачи сигнала опорного компаратора 9. Опорный уровень опорного компаратора 9 может быть зйдан отличным от потенциала общей шины 31. В этом случае для деблокирования ключа 27 используется сигнал компаратора 19 с соответствующим опорньгм уровнем. Если максимум измеряемого сигнала повышает уровень А первой ступени ге- нератора 10, то по мере возрастания этого сигнала последовательно срабатывает руппа дополнительных изморительньк компараторов J 9 и измерительный компаратор 26.Сигналом компаратора. 26 переключается генератор 10, на входе котороо формируется напряжение, равное двум тупеням 2 йГ одновг еменно сигналом компаратора 26 сбрасываются в исходное улевое состояние группа триггеров 24,а распределитель импульсов 14 по этому сигналу размыкает ключевой 18 первой ступени 22 декадного деЛитея, nenocpeiicTBCHHo подключенной к цепоче ступеней 23, т.е. к АПП. Так как при

э1-ом с увеличением напряжения генератОра 10 пропорционально возросло и сопро тйвление делителя (общее сопротивление ступеней 23 равно сопротивлению одной ступени 22), то приращение дчапряжения

на соседних ступенях 23 делителя сохраД

нится прежним, равным

но возрасW

ступени 23 по тает при этом на каждой

абсолютному значению на величину Д.

По мере возрастания измеряемого сигнала описанньгй процесс сравнения этого сигнала с равномерной шкалой уровней квантования, формируемой на ступенях 23 и изменяющейся на величину Л в соответствии с ростом напряжения генератора 10 и последовательным включением (де- блокировкой) отдельных ступеней 20-22 в каждом тшсте, повторяется до тех пор пока не появится максимум сигнала (если он .не превышает условного Младшего предела, т.е„ амплитуды генератора 10 ступенчатого напряжения). В такте достижения измеряемым сигналом максимума, сработает соответствующее число компараторов 19, сигналы KOTopbix запомнит группа т эиггеров 24. После достижения максимума измеряемый сигнал начнет , уменьшаться. При переходе измеряемым сигналом уровня потенциала общей шины, появившийся сигнал сравнения Опорного компаратора 9 (черейподготовленный в Первом такте сравнения ключ 27) поступит в выходной кодовый регистр 23. В соответствии с зтим сигналом производится Считывание единичного кода с группы триггеров 24 и сигналов кода с кодового выхода 17 распределителя 14 импульсов в кодовый, регистр. 28. Сигналы кода распределителя 14 импульсов, соответствующие количеству деблокированных ступеней 22-20 делителя, являются числовь1М эквивалентом старших разрядов коДа, а код , группы триггеров 24 - числовым эквива-;лентом младших разрядов кода. Указанный код в совокупности является числовым значением максимума измеряемого сигнала. По сигналу с выхода ключа 27 с задержкой по времени в элементе временной задержки 29 на период считьшания кодов в регистр 28, выполняется сброс всего устройства в исходное состояние.

Если максимум измеряемого сигнала превышает условный младший предел, то при достижении измеряемым сигналом амплитуды генератора 10, в последнем тактй сравнения нА уровне условного младшеГО предела, сигналом измерительного компаратора 26, через подготовленньй в начале этого такта элемент 8 И (элемент 8 И подготавливается сигналом последнего вькода распределителя 14), все устроство сбрасывается в исходное состояние, за исключением коммутатора 3 аналогового сигнала. Указанным сигналом сравнения компаратора 26 коммутатор 3 переключает все компараторы 9, 19 и 26 с измерительного входа 1 устройства к первой ступени входного делителя 2. Далее процесс измерения повторяется аналогично вышеописанному вплоть до появления измеряемого максимума.

При считывании кодов в выходной регистр 28 одновременно считывается и код с кодового вьЕхода 7 -коммутатора 3, который характеризует масштаб измеряемой Величины. .

При переключении масштаба для запус.ка коммутатора 3 используется сигнал компаратора 26, запускающий генератор 10 и распределитель 14 импульсов. Указанные функциональные элементы можно технически реализовать таким образом, чтобы после полного цикла их действия переход в исходное состояние вьшолнялсяавтоматически очередным сигналом запуска. Однако в общем случае, а также в. интересах/надежности, для сброса целесообразно использовать цепи со вторым элементом ЗО ИЛИ. При этом сигнал сброса пояЁляется на соответствующих входах 13 генератора 10 и 15 распределителя 14 импульсов, с задержкой в элементе 8. И и элементе 30 ИЛИ достаточной для надежной работы указанных функциональных элементов. Благодаря сочетанию ступенчатого И параллельного уравновешивания в границах условного младшего- предела в устройстве обеспечивается слежение за измеряемым сигналом со скоростью перевьппающей скорость его изменения на элементарных участках, заданных уровнями квантования. В сочетании с масштабным преобразованием достигается повышение быстродействия в широком диапазоне изменения уровней измеряемых сигналов.

Вместе с тем, адаптивная перестройка делителя на выходе генератора ступенчатого напряжения в соответствии с форми- руемьгм уровнем напряжения (квантования обеспечивает постоянство абсолютной погрешности квантования по уровню в пределах одного кванта, т.е. : Относитель

ная погрешность измерений с расширением предела при этом уменьшается.

Использование единичного кода обеспечивает повышение информационной надежности. Потери информации, обусловленные случайным сбоем или даже отказом эле- ментов в отдельньхх разрядах могут быть восстановлены по данным соседних разрядов. Систематический отказ в этом случае легко диагностируется по результатам нескольких циклов измерения.

При измерении периодических сигналов устройство может быть использовано в режиме накопления данных. ,

Формула изобретения

Устройство для измерения максималь- 2о ного значения сигналов, содержащее выходной кодовой регистр, генератор ступенчатого напряжения, а также опорный и измерительный компараторы, первые входы . которых соединены параллельно, второй 25 вход опорного компаратора подключен к общей шине устройства, а второй вход измерительного компаратора соединен с выходом генератора ступенчатого напряжения, отличающееся тем, что, с це- зо лью повышения быстродействия в широком , диапазоне уровней измеряемых сигналов, в устройство введены коммутатор аналогового сигнала, входной делитель, входньгми шинами включенный между входом 35 устройства и общей шиной, соответствующие вькоды которого подключены к соответствующим входам коммутатора аналогового сигнала, логический элемент И, два логических элемента ИЛИ, группа тригге- 40 ров, ключ, элемент временной задержки, распределитель импульсов, декадный делитель, группа ключевых элементов, шунтирующих старшие декады декадного делителя, входом включенного между общей шийоЙ45 устройства и вьсходом генератора ступенчатого напряжения, группа дополнительных измерительных компараторов, первые входы которых соединены параллельно и подключены к аналоговому выходу коммутатора аналогового сигнала, второй вход каждого . дополнительного измерительного компаратора подсоединен к соответствующей ступени из декад декадного делителя, выход каждого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к первому входу группы триггеров, вторые входы группы триггеров соединены параллельно и подключены к выходу первого логического элемента ИЛИ, первый вход которого подсоединен к выходу элемента временной задержки и первому входу второго ;1огическйго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с входами сброса генератора ступенчатого напряжения, распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала, выход измерительного компаратора подключен к второму входу первого логического элемента ИЛИ, входы запуска генератора ступенчатого напряжения и распределитель импульсов соединены с первым входом логического элемента И, второй вход которого соединен с одним из выходов распределителя импульсов, а выход логического элемента И соединен с входом запуска коммутатора аналогового сигнала и вторым входом второго логического элемента ИЛИ, кодовые выходы распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала и выходы группы триггеров подключены к соответствующим входам кодового регистра, к которому через ключ подсоёдинены также выход опорного компаратора и выход одного из дополнительных измерительных компараторов, а вход элемента временной задержки подключен к выходному кодовому регистру непосредственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Циделко В. Д., Иванов Б. Р. Принципы построения определителей экстремума сигнала. - В сб. Измерения, контроль, автоматизация, 1977, № 1.

2,Нетребенко К. А. Компенсационные схемы амплитудньк вольтметров и указателей экстремума. М., Энергия, 1967, с. 24-28, рис. 1-13в.