Многоотсчетный цифровой вольтметр время-импульсного преобразования Советский патент 1980 года по МПК H03K13/00 

(54) МНОГООТСЧЕТНЫЙ ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

1

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в измерительной технике, автоматике и вычислительной технике,

Известный цифровой вольтметр время- , импульсного преобразования, содержащий элемент сравнения пилообразного Vf, и измеряемого V;( напряжений, триггер, генератор пилообразного напряжения, ключ, генератор эталонной частоты и счетчик JQ импульсов, причем выход генератора пилообразного напряжения подключен к одному из входов элемента сравнения, измеряемое напряжение подключено ко второму входу элемента сравнегшя, вы- ,5 ход последнего через триггер соединен со входом ключа, второй вход которого подключен к выходу генератора эталонной частоты, а выход ключа соединен со входом счетчика импульсов. Интервал 20. времени между пусковым импульсом, вырабатываемым при запуске генератора пилообразного напряжения к стоп-импульсом, вьфабатываемым элементом сравнения в момент равенства УХ и V , фиксируется триггером. Интервал пропорционален величине измеряемого напряжения Vj( и при заполнении его импульсами эталонной частоты получается цифровой эквивалент, пропорщюнальный напряжению VC l .

Основной недостаток вольтметра низкое быстродействие, так как в нем осуществляется последовательный счет импульсов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, является многоотсчетный цифровой вольтметр времяимпульсного преобразования, содержащий генератор эталонной частоты, генератор пилообразного напряже шя с ключами по числу разрядов отсчета, элементы И на три входа, счетчики импульсов, блок цифрового о счета, элемент сравнения и блок выделения разности, входы которого подключены к источнику измеряемого напряжения и к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход через элемент сравнения, другой вход которого соединен с общей шиной, и триггер Подключен к первым ) им элементов И на три входа Г а выходы элемен-. тов И подключены к счетчикам импульсов и блоку цифрового отсчета, К прибору уравновешивающего преобразования предъявляются жесткие требования к стабильности компенсирующего напряжения, так как погрешность задания компенсирующего напр5ш:ения Vrf есть погрешность измерения. Кроме того суммирование пилообразного и компенсирующего напряжений приводит к необходимости подключения источник(а пипооВразного напряжения к общей шине через ИСТОЧНИК компенсирующего напряжения 2 Недостаток этого вольтметра - большая сложность конструкции, низкая помехозащищенность. Цель изобретения - повышение помехо защищенности. Она достигается тем, что в многоотсчетный цифровой вольтметр время-импул сного преобразования, содержащий гене-г ратор пилообразного напряжения с ключа ми по числу разрг.-дов отсчета, генерато эталонной частоты, элементы И на три входа, счетчики импульсов, блок цифрово го отсчета, элемент сравнения и блок выделения разности, входы которого под ключены к источнику измеряемого Напря жения л к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход - через элемент сравнения, другой вход которого соединен с общей шиной, и триггер подключен к первым входам элементов И на три входа, а выходы элементов И подключены к счетчикам импульсов и блоку цифрового отсчета введены элемент задержки, элементы И на два входа, пороговые элементы, число которых на единицу меньше количества разрядов отсчета , логичес кий блок и по два триг гера . на каждый пороговый элемент, причем вторые входы элементов И на три входа подключены через элемен И на два входа к Инверсному выходу элемента задержки и к выходу генерато эталонной частоты, соединенных с шиной стартовых импульсов, при этом входы Шрогйёых элементов параллельно подСое динены к выходу блока выделения разн стй, а выходы через логический блок ПШключены ко входам соответствующих пар триггеров, нулевой выход первого триггера первой пары подключен через логический блок к триггерам последующего разряда, его единичный выход (подсоединен к третьему входу соответствующего элемента И на три входа, а выходы вторых триггеров всех пар, вход сброса которых подключен к выходу первого элемента И на два входа, подсоединены к входам сброса первых триггеров сботвё стЁующей пары третий вход элемента И на три входа младшего разряда подключен к выходу логического блока и к нулевому выходу первого триггера предпоследнего разряда через элемент И на два входа, а третьи входы элементов Ина три входа соединены со входами ключей. . .. На фиг. 1 представлена блок схема предложенного многоотсчетного (здесь трехотсчетного) вольтметра время- импульсного преобразования; на фиг. 2 схема логического блока. Устройство содержит блок 1 выделения разности измеренного Vy и пилообразного Vj, напряжений, элемент 2 сравнения, сравнивающий с нулевым уровнем и срабатьгоающий при Vj, V О, триггер 3, генератор 4 пилообразного напряжения (ГПН), Хлючи 5,6,7 по количеству разрядов отсчета, пороговые элементы 8, 9, логический блок Ю, осуществляющий выборку старшего из сработавших пороговых элементов, генератор 11 ЭтаЛонной частоты, элемент 12 задержки, элементы 13, 14 И ka два входа , триггеры 15, 16, 17, 18, элементы 19, 20, 21 И на три входа, счетчики 22, 23, 24 импульсов сотен I десятков и единиц и блок 25 цифрового отсчета. Причем входы блока 1 выделения разности подключены к источнику измеряемого напряжения и к выходу генератора 4 пилообразного напряжения, ко входу Которого подсоединены ключи 5, 6, 7 по числу разрядов отсчета. Выход блока 1 выделения разности подключен через элет«1ент 2 сравнения и триггер 3 к первым входам элем«iTOB 19, 20, 21 И а выходы этих элементов И подключены к счетчикам 22, 23, 24 импульсов, последовательно соединенных между собой и подключенных к блоку 25 цифрового отсчета. Вторые входы элементов 19, 2О, 21 И подсоединены через элемент 13 И к выходам элемента 12 задержки и генаратора эталонной частоты, синхронизированных пусковым импульсом. Кроме того, выходы каждого из пороговых элементов 8,9, входы которых подсоединены к выходу узла блока 1 выделения разности, через логический блок 1О подключены параллельно ко входам соответствующих пар триггеров 15, 16 и 17, 18. Нулевой выход триггера 16 под ключен через логический блок 1О к триг герам 17, 18 последующего разряда отсчета, а его единичный выход подсоединен к третьему входу элемента 19 И. Выходы триггеров 15 и 17, входы сбро са которых подключены через элемент 13 И к выходу ген атора 11 эталон-. ной частоты подсоединены соответственн к входам сброса триггеров 16 и 18. Третьи входы элементов 19, 20 И соединены со входами ключей 5, 6, а вход ключа 7 подсоединен к третьему входу элемента 21 И на три входа и к выходу элемента 14 И на два зхода второй вхо которого подключен к нулевому выходу триггера 18 предпоследнего разряда. Работа прибора основана на изменени наклона генератора пилообразного напряжения в соответствии со счетом сотен, десятков и единиц счетчиками импульсов Переключение наклона генфатора 4 пилообразнохх) напряжения осуществляется ключами 5, 6, 7, воздействующими на времязадающую цепь генератора 4 и изменяющими ее .постоянную времени.:. В предлагаемом устройстве требования к стабильности напряжений пороговых элементов 8 и 9 снижены. Это достигае ся за счет повышения уровня порогов настройки. Пороговый элемент 8 настрое на 150 условных единиц (у.е.), а элемент 9 на 15 у,е. и уровни их срабатывания могут изменяться соответственно в пределах ± 5О и t 5 у.е. Это не приведет к ошибке в, измерении. Работает вольтметр следующим образом. Пусть измеряемое напряжение V 476 у.е. При включении прибора срабатывают оба пороговых элемента 8 и 9. Однако на выходе логического блока 1О будет сигнал только от старшего порогового элемента 8. Он откроет ключ 5, в срответстбии с чем генератор пилообразного напряжения будет вьфабатывать напряжение с максимальным наклоном. Одновременно сигнал с выхода старщего из сработавщих Пороговых элементов 8 через логический блок 10 взводит триггеры 15 и 16, так как у.е По сигналу Измерение вырабатывается пусковой импульс, который синхронизируе начало работы генератора 4 пилообразного напряжения, триггера 3 выделения ин-н тервала времени, пропорционального длине кода поразрядного измерения напряжения Y( и генератора 11 эталон- , ной частоты. Такая синхронизация для вольтметров с поразрядной разверткой пилообразного напряжения необходима в отличие от вольтметра время-импльсного преобразования с подсчетом единичных приращений, так как здесь погрешность в единицу дискретности при отсчете старшего разряда равна ста дискретностям младшего разряд а. При синхронизации работы генератора 11 необходимо, чтобы первый импульс не прошел на входы счетчиков 22-24 импульсов. Для этого введен элемент 12 задержки типа одновибратора с временем задержки больше длительности импульса ген атора 11 эталонной частоты. На нулевом выходе элемента 12 задержки появляется сигнал, запрещающий прохождение первого импульса генератора 11 через элемент 13 И. Остальные импульсы будут проходить через элемент 13 И на счетчики. Таким образом, сигнал с выхода триггера 3 поступит на элементы 19, 2О, 21 И. Однако откроется только элемент 19 И так как только на его третьем входе будет единичный сигнал с триггера 16 и импульсы с г,енератора 11 эталонной частоты поступают на счетчик 22 сотен. При достижении пилообразным напряжением уровня 476-150-326 у.е. пороговый элемент 8 отпустит (когда Vj( у.е). Триггер 15 сбрасывается в О тактовым импульсом генератора 11 эталонной частоты. После этого триггер 15 сбросит триггер 16 и позволит пройти еще одному (четвертому) импульсу через элемент 19 И на счетчик 22, а затем запретит их прохождение. После прихода четвертого импульса в счетчик 22 сотен срабатывает триггер 18 и элемент 20 И, сигнал с выхода которого воздействует на ключ 6, уменьшит наклон пилообразного напряжения в 10 раз1И пропустит импульсы на счётчик 23 десятков. Импульсы генератора 11 начнут поступать на счетчик 23 десятков. Разность Vy -V после отсчета первого разряда будет 476-4ОО 76у.ё. Остаток 76 у.е. подсчитывается счетчиком десятков. При величине пилообразноо напряжения 76-15-61 у.е. пороговый лемент 9 отпускает, взводится триггер

17, который затем сбрасывается тактовым импульсом и сбрасывает триггер 18. Однако седьмой импульс успевает пройти через ,элемент 20 И на счетчик 23 десятков. Образуется остаток . у.е. Наконец, генератор пипо.образного напряжения по сигналу логического блока 10 еще раз изменит наклон нагфяжения (сработает люч 7) и через открытый элемент 21 И начнут

поступать И1 1пульсы единиц цифрового эквивалента на счетчик 24, На шестом импульсе наступает равенство ,. . 476 у.е,, срабатывает элемент 2 сравнения, который закрывает элемент 21 И. Цифровой эквивалент YX -476 у.е., хранимый в счетчиках 22, 23, 24, соответствует значению измеряемой величины , Vx и регистрируется блоком 25 цифрового отсчета., Измерение напряжения, .например,

426 у.е. будет происходить другим способом. Поступят два импульса в счетчик сотен, и при достижении пилообразным напряжением величины У 426-150

276 у.е. пороговый элемент. 8 отпустит. Однако после этого на.счетчшс 22 сотен успеет пройти третий импульс, Излом пилообразного напряжения произойдет на уровне ЗОО у.е. Т.е. отсчет остатка / -М 426-ЗОО 126 у.е. будет происходить не сотнями, а десятками за двенадцать тактов работы генератора эталонной частоты, . Таким образом, если измеряемое напряжение имеет значегаге больше половины дискретности отсчитываемого разряда .то отсчет последующего разряда происходит за число тактов меньше десяти; при значении измеряемого напр5гжения меньше половины дискретности отсчитываемого разряда, оценка значения последующего разряда происходит за число тактов больигем десяти. Поэтому для обеспечения возможности переноса десят импульсов младшего разряда в старший в устройство введены связи переноса из счеТчика ед1гаиц в счетчик десятков и т.д. Это позволяет резко уменьшить треРювание к стабильности пороговых элементов. Требование к стабильности порогового элемента 8 составляет ± 50 у.е. Ск;ещение во времени ияи от температур уровня срабатывания в пределах 15О± + 5б у.е. не приведет к понижению точности измерения, изменится лишь соотношение обшего количества измерений производимых оптимальным (без переноса) и

Iнеоптимальным (спереносом из младшего разряда в старший) способами. Аналогично происходит отсчет третьего разряда. Произойдет последнее изменение наклона напряжения ГПИ и подсчет единиц. Выборка старшего из сработавших пороговых элементов осуществляется с помощью логического блока 10.

Логические блоки Ш1фоко используют-ся в цифровых вольтметрах параллельнопоследовательного уравновешивания. Блок представлен (см. фиг.2) вместе с пороговыми элементами 8 и 9 и триггерами 15, 16, 17 и 18. Он состоит из элементов 26, 27 НЕи элементов 28, 29И Если Vx-Vv,7l50 у.е., то срабатывают оба пороговых элемента 8 и 9, но сигнал 1 будет только на выходе элемента 8. Онвзведет триггеры 15 и 16. Когда Vx -УцСтанет меньше 150 у.е. и элемент 8 отпустит старшим станет пороговый элемент 9. Однако сброс триггера 15 произойдет только по приходу следующего тактового импульса генератора эталонной частоты. Тогда же произойдет взведение триггеров 17 и 18, и соответственно, излом пилообразного напряжения и подсчет импульсов десятков :так как нулевой выход триггера 16 соединен с третьим входом элемейта 19 И. Е озможно использование в цифровом вольтметре и других аналогичных блоков, но это приводит к большему объему и неоднородности элем ентов сопряжения с вольтметром.

Предложенный цифровой вольтметр по сравнению с вольтметрами времяимпульсного преобразования без изменения крутизны ГПН имеет в - раз, где р - количество разрядов отсчета прибора, большее быстродействие (такпри р 3 в 33 раза, при р 4 в 25О раз), обладает более простой схемной реализацией за счет использования пороговых элементов с низкими требованями к их стабильности. Точность предложенного вольтметра выше, чем у известного, так как в последнем отсутствует синхронизация первого импульса генератора эталонной частоты.

Формула изобретения

Многоотсчетный цифровой вольтметр время-импульсного преобразования, содержащий генератор пилообразного напряжения, с ключами по числу разрядов

9

отсчета, генератор эталонной частоты, элементы И на три входа, счетчики импульсов, блок цифрового отсчета, элемент сравнения и блок выдедения разности, входы которого подключены к .источнкку измеряемого напряжения и к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход - через элекгент сравнения, другой вход которого соединен с общей шиной, и триггер подключен к

первым входам элементов И на три вход а выходь элекгентов И подключены к счетчикам импульсов и блоку цифрового отсчета, отличающийся тек, то, с целью повышения помехозащищенностй, в него введены элемент задержки элементы И на два входа, пороговые элементы, число которых на единицу меньше количества разрядов отсчета, логический блок и по два триггера на каж дый пороговый элемент, причем вторые входы эле гёнтов И на три входа подключены через элемент И на два входа к инверсному выходу элемента задержки и к выходу генератора эталонной частоты, соединенных с шиной стартовых иь пульсов, при этом входы по{ оговых .элементо подсоединены параллельно к выходу блока .выделения разности,- а выходы через ло748856

10

гйческий блок подключены ко входам соответствующих пар триггеров, нулевой выход первого триггера первой пары подключен через логический блок к триггерам последующего разряда, его единичный выход подсоединен к третьему входу соответствующего электента И на три входа, а выходы вторых триггеров всех пар, вход сброса которых подключен к выходу первого элемента И на два входа, подсоединены к входа { сброса первых триггеров соответствующей пары, третий вход элемента И на три входа младшего разряда Подключен к выходу логического блока и к нулевому выходу первого триггера предпоследнего разряда через эле1.1ент И на два входа, а третьи входы элементов М на три входа соединены со входами ключей . Источники информации, принять во внимание при экспертизе

1.Шляндин В. М. Цифровые .измерительные преобразователи и приборы. В.Ш. .М., 1973, с. 168-169.

2.Полупроводниковые кодирующие и декодирующие преобразователи. Под ред.

.Смолова Б. В., Энергия, 1967, с.145150 (прототип).