Вольтметр действующего значения Советский патент 1981 года по МПК G01R13/02 G01R19/02 

Изобретение относится к эпектроизм ритепьной технике и предназначено для использования при реалииации цифрового контроля переменного напряжения. Известно устройство, обеспечивающее измерение действующего значения напря-жения и содержащее, в частности, поспе довательно соединенные функциональные блоки квадратирования, усреднения и извг лечення квадратного корня l. Недостатки известного устройства зак лючаются в значительной инерционности и больших погрешностях измерения при контроле действующих значений напряжения в широком динамическом диапазоне. Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является вольметр действующего значения, пршьлип действия которого основан на раэновременном сравнении действукицего зна чения измеряемого напряжения и постоян ного компенсирующего напряжения, при котором протесе подбора компенсирующего напряжения, равного действуклпему значению измеряемого напряжения, осуществляется во втором цикле функционирования устройства путем дискретного уравновешивания. Вольтметр содержит квадратичный преобразователь напряжения в частоту, выход которого через соответствующие ключи соединен со счетными входами двух счетчиков импульсов, блок сравнения кодов, информационные входы которого подключены к выходам счетчиков импульсов, формирователь компенсирующего напряжения, переключатель, блок управления, один из входов которого соединен с общим входом устройства и первым входом переключателя, другойвход-с выходом блока сравнения кодов, а выходы - с управляющими входами ключей, счетчике импульсов, формирователя ком- пенсирующего напряжения в переключателя 2. Недостатки известного устройства также связаны с существенной инерционностью и ощутимыми погрешностями болышой длительностью каждого такта функ11ионирован1та устройства, а погрешносг ти- наличием дрейфа усилителя в преобразователе напряжения в частоту и имеющейся несимметрией опорных напряжений.

Цель изобретения - повышение i быстродействия и точности.

Поставленная цепь достигается тем, что в вольтметр действующего значения, содержащий квадратичный преобразователь напряжения в частоту , выход которого через соответствующие ключи соединен со счетными входами двух счетчи ков импульсов, блок сравнения кодов, информационные входы которого подключены к выходам счетчиков .импульсов, формирователь компенсирующего напряжения, переключатель, блок управления, один из входов которого соединен с общим входом устройства и первым входом переключателя, другой вход - с выходом блока сравнения кодов, а выходы - с управляющими входами ключей, счетчиков импульсов, формирователя компенсирующего напряжения и переключателя., вве дены блок предварительной оценки напряжения, блок изменения полярности, аналоговый сумматор и источник добавочного напряжения причем вход блока предварительной оценки напряжения подключен к выходу одного из счетчиков импульсов, а выход - к управляющему входу источника добавочного напряжения, сигнальный вход блока | изменения полярности соединен с соответствующим выходом формирователя компенсирующего напряжения, управляющий вход - с соответствующим выходом блока управпениа, а выход- со вторым входом переключателя, входы аналогового сумматора подключены к выходам . ...переключателя и источника добавочного напряжения, а выход - ко входу квадратКганого преобразователя напряжения в частоту.

На чертеже представлена функционапьная схема вольтметра действунзшего a a4&Kvta.

В состав устройства входят переключ тель 1, аналоговый сумматор 2, блок 3 управления, квадратичный преобразовател 4 напряжения в частоту, ключи 5 и 6, счетчики 7 и 8 импульсов, блок 9 сравнения кодов, блок id предварительной оценки напряжения, источник il добавочного напряжения, блок 12 изменения по лярности и формирователь 1 3 компенсирующего напряжения.

Алгоритм функционирования предлагаемого вольтметра действующехх) значения основан на резковременном сравнении действующего значения измеряемого напряжения и постоянного компенсирующегч напряжения, причем процессу измерения предшествует предварительный такт, в течение которого осуществляется предвари тельная оценка напряжения. Если действующее значение напряжения принадлежит нижней части шкалы прибора, то в следующем такте квадратируется, усредняется, и запоминается сумма измеряемого и некоторого постоянного добавочного напряжений, а дискретное уравновешивание .в последующих тактах производится суммой компенсирующего и добавочного напряжений с изменением полярности компенсирующего напряжения в середине каждого такта. Если же . действующее значение измеряемого нап-; ряжения принадлежит верхней части шкал прибора , то процесс преобразования производится аналогично, однако доба воч-ное напряжение во всех тактах полаггаетсч равным нулю.

Работа устройства происходит в три цикла. В первом цикле переключатель 1 находится в верхнем положении, ключ 5 открыт, а ключ 6 закрыт. На в.Ход преобразователя 4 напряжения в частоту, поступает измеряемое напряжение Uy, За время первого цикла Т в счетчике 7 импульсов накапливается число импульсов NJ I соответствующее

т

M;--fi(t),, ю

где (Jy - действующее значение измеряемого напряжения,

иf(t -опорное напряжение ичастота Преобразователя 4 напряжения в частоту,

§ - коэффициент , определяемый такж параметрами преобразователя 4 .

Задача предварительной оценки в блоке 10 предварительной оценки напряжения состоит в выявлении факта, превышает или нет V)( половину динамического диапазона прибора V ц.

По формуле (1 ) можно зараннее на этапе проектирования вычислить число I соответствующее значению Uyu . При этом блок 10 будет определять соотношение чисел N и . Если I значит Vy Vj( и надо дить добавочное напряжение Удоб если же NJ, ,значит УХ VXH и вводить Удоб. нет необходимости. При практической реализации прибора удобно перед началом измерения устанавпввать в счетчике 7 импульсов такое число NUQIV чтобы выполнялось равенство нач 4Н1 где NO - емкость счетчика 7. Тогда спучаюу У), будет соотеетс-р вовать единдагное состояние триггера старшего разряда счетчика 7, а случаю . Таким образом, блок 1О предварительной опенки напряжения. предоставляет собой логический элемент, определяющий состояние триггера старШего разряда счетчика 7 и выдающий соответствукнций сигнал. в зависимости от результата предвар тельно опенки блоком Ю выдается на источник добавочного напряжения И для подключения или неподключения добавочного напряжения . По окончании первого цикла счетчик 7 импульсов сбрасывается на нутш. Во втором пикле, длительность которо го также равна , положение пе реключателя 1 и состояние ключей 5 и 6 не меняются, но ко второму входу анало .говбго сумматора подводится Удоб. (рассматриваем случай, когда измеряемое напряжение принадлежит нижней части шкалы). На вход подается сигнал Vx(t) Wx() + Xwjg. По окончании второго цик ла в счетчике 7 фиксируется число N , равное N.SVJ VSVJV&V,,5;T ( В третьем цикле, состсжщем из несколькик тактов, длительность каждого из которых соответствует Т , переключатель 1 пераводится в нижнее положение, ключ 5 закрывается, а ключ 6 открьшается. Осуществляется процесс подбора компенсирующего напряжения V , равного действующему значению напряжения /х Подбор необходимого значения на пряжения V осуществляется поразрядно путем прсяеаовательного подключения значенийУxИaв Jeмя Т ко входу преобразователя 4 напряжения в частоту. Оценка соотношения Vy и V,, производится на основе сопоставления их усредненных квадратов, вафиксирсжанньгх в счетчике 7 и 8 импульсов что осуществляется с помощью блока 9 сравнения кодов, В зависимости от соотношения дискретно набранного напряжения V и напряжения Vx блок 9 дает сигнал о необходимости уменьшения или увеличения VK . В каждом такте уравновешивания на входе преобразователя 4 действует сигнал К . причем в момент соответствующий середине такта, происходит изменение знака компенсирую щего напряжения Vy. По окончании каждого такта в счетчике 8 импульсов фиксируется число sv,4,. (4). Процесс измерения заканчивается, когда подбирается такое значение V , при котором N N(2. Тогда, при{5авнввая правые части равенств (З) к (4), получим, V,(5) Управляющий код формирователя 13 s компенсирующего напряжения оказывается пропорциональным действукяцему значению измеряемого напряжения. Можно показать, что с осуществлением изменения полярности компенсирующего напряжения , осуществляемым блоком 12 в середине каждого такта в третьем цикле , обеспечивается линейность функции преобразования вольтмет ра. Целесообразность изменения полярности именно У|у , а не Лд§ обусловлена имеющей при этом место коррекцией пбгрешностей, вызываемых влиянием аддитивного смещения нуля усилителя и несимметрии опорных напряжений в преобразователе 4 напряжения в частоту. Процесс измерения предлагаемым устройством состоит, как уже отмечалось, из трех шшлов, причем длительность первого и второго циклов в сумме не превышает 2Т , а в третьем цикле необходимо такое же число тактов, как и в известном устройстве. За счет того, что длительность каждого такта в предлагаемом вольтметре резко уменьшается, достигается увеличение быстродействия прибора. В предлагаемом устройстве корректиру ются как мультипликативные, так и аддитивные составляющие погрешности преобразователя 4, в связи а этим повышается точность измерения действующего значения напряжения. Увеличение быстродействия и точност прибора расширяет динамический диапазо измеряемых напряжений . Формула изобретенияВольтметр действующего значения, содержащий квадратичный преобразователь напряжения в частоту, выход которого через соответствующие ключи соеди нен со счетными входами двух счетчиков импульсов, блок сравнения кодов, информационные которого подкпк чены к выходам счетчиков импульсов, формирователь компенсирующего нап ряжения, переключатель, блок управления один из входов которого соединен с общим входом устройства и первым входом переключателя. дрзггой вход - с выходом блока сравнения кодов, а выходы - с управляющими входами ключей, счетчиков импульсов, формирователя компенсирующего напряжения и переключателя, отличающийся тем, что. , с целью повышения быстродействия и точности, в него введены блок предварительной оценки напряжения, блок изменения полярности, аналоговый сумматор и источ ник добавочного напряжения, причем вход блока предварительной оценки напряжения подключен к выходу одного из счетчиков импульсов, а выход - к управляющему входу источника добавочного напряжения, сигнальный вход блока изменения поля уности соединен с соответствующим выходом формирователя компенсирующего напряжения, управляющий вход - с cooTW ветствующим выходом блока управления, а выход - со вторым входом переключателя, входы аналогового сумматора подключены .к выходам переключателя и источника добавочного напряжения, а выходKD входу квадратичного преобразователя напряжения в частоту. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 222735, кл. Н 03 К 13/20, 1967. 2.Авторскоесвидетельство СССР № 367389, кл.аоП 19/26, 1971.