Универсальный цифровой интегрирующийВОльТМЕТР Советский патент 1981 года по МПК G01R19/26 

Изобретение относится к цифровой : электроизмерительной теЗснике и можеа быть использовано для измерений интегральных характеристик переменного сигнала в широком частотном диапазоне. Известен цифровой вольтметр переменного сигнала, содерзкащий. преобразователь напряжения в интервал времени, четыре ключа, преобразователь код-частота,реверсивный счетчик , формирователь элементарных циклов, блок управления, арифметический узел, цифровой отсчет 1ый блок генератор опорной частоты, делитель частоты, причем вход преобразователя напряжения в интервал времени соединен со входом формирователя элементарных циклов, а выход - с управляющими входами первого и второго, ключей, выходы которых соединены с сигнальным и управляющим входам преобразователя код-частота, выход последнего соединен с сигнальными входами третьего и четвертого ключей разноименные входы реверсивного счет чика подключены к выходам последних ключей, а выход - ко входу арифметического узла, выход которого соеди йен со входом цифрового отсчетного блока, выходы формирователя элементарных циклов подключены к тактирующему входу преобразователя напряжения в интервал времени ко входу сброс преобразователя код-частота и ко входу блока управления, выход последнего соединен с управлякхцими входами формиррвателя элементарных циклов третьего и четвертого ключей и арифметического узла соответственно выход генератора опорной частоты соединен ссигнальным входом второго ключа и входом де-чителя опорной частоты, выход которого подключен к сигнальнокту входу первого ключа. Значение опорной частоты для получения высокой точности измерения необходимо выбирать значительно меньше периода Т входного сигнала. При этом погрешность измерения вольтметра в основном -определяется значением частоты на выходе преобразователя код-частота Cll Однако создание высокочастотных подобных преобразователей является сложной технической задачей, поэтому на результат измерения большое влияние оказывает погрешность дискретности, а это обуславливает низкую точность вольтметра.

Кроме того, описанная структура н позволяет полностью использовать возможности заложенного в ней способа в плане измерения других интегралных характеристик переменного сигнал (среднее и средневыпрямленное значения) в широком частотном диапазоне, . что является недостатком вольтметра. Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей, заключающееся в дополнительной возможности измерения среднего и средневыпрямленного значений напряжений переменного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в универсальный цифровой интегрирующий вольтметр, содержащий преобразователь напряжения в интервал времени, преобразователь кодчастота, реверсивный счетчик, формирватель элементарных циклов, первый, второй, третий и четвертый переключающие блоки, блок управления, арифметический узел,,цифровой отсчетный блок, генератор опорной частоты, при ЭТ9М вход преобразователя напряжения в интервал времени соединен с шиной входного сигнала, со входом формирователя элементарных циклов , выход -последнего подключен к тактирующему входу преобразователя напряжения в интервал времени и к входу блока управления, выход которого соединен с управляющим входом формирователя элементарных циклов, а выход преобразователя напряжения в интервал времени соединен с первым входами первого и второго переключающих блоков, вторые входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, кроме того, первый и второй входы третьего переключающего блока соединены соответственно с выходом преобразователя код-частота и с выходом блока управления, который также соединен с первыми входами арифметического узла и четвертого переключающего блока,введены блок совпадения кодов,триггер и счетчик,причем выходы первого и второго переключающих блоков соединены с разноименными входами реверсивного счетчика, выход которого подключен к входу блока совпадеНИН кодов и первому входу арифметического, узла, выход блока совпадения кодов соединен с первым входом триггера, выход которого соединен с третим входом третьего переключающего блока и управляющим входом преобразователя код-частота, при этом выход третьего переключающего блока соединен с входом счетчика,.выход последнего соединен со вторым входом арифметического узла, выход которого соединен с вторым входом четвертого переключающего блока, выход последнего подключен к входу цифрового отсчетного блока, причем

выход блока управления соединен с управляющими входами первого и второго переключающих блоков, блока совпадения кодов, а также со вторым входом триггера и с входами сброс реверсивного счетчика и преобразователя код-частота, сигнальный ход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, с четвертым входом третьего переключающего блока, вторым входом блока управления и входом квантования преобразователя Напряжения в интервал времени, выход которого соединен с третьим входом блока управления.

На фиг,1 представлена структурная схема вольтметра, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Вольтметр содержит преобразовател 1 напряжения в интервал времени, преобразователь код-частота 2, реверсивный счетчик 3, формирователь 4 элементарных циклов, блок 5 управления, арифметический узел 6, цифровой отсчетный блок 7, генератор 8 опорной частоты, первый и второй переключающие блоки 9 и 10, блок 11 совпадения кодов, триггер 12, третий переключающий блок 13, счетчик

14,четвертый переключающий блок

15,причем вход преобразователя

1 напряжения в интервал времени соединен со входом формирователя 4 элементарных циклов, выход последнего подключен к тактирующему входу преобразователя 1 напряжения в интервал времени и к входу блока 5 управлния, выход которого соединен с управляющим входом формирователя 4 элементарных циклов; первые сигнальные входы первого и второго переключающих блоков 9 и 10 соответственно соединены с выходом преобразователя 1 напряжения в интервал времени, а выходы - с разноименными входами реверсивного счетчика 3, выход которого подключен к входу блока 11 совпадения кодов и пepвo y входу арифметического узла 6, выход блока 11 совпадения кодов соединен с первым входом триггера 12, выход которого соединен с первым сигнальным входом третьего переключающего блока 13 и управляющим входом преобразователя код-частота 2, выход последнего подключен k третьему сигнальному входу третьего переключающего блока 13, выход которого соединен с входом счетчика 14, выход последнего соединен со вторым входом арифметического узла б, выход которого соединен с входом четвертого переключающего блока 15, выход последнего подключен к входу цифрового отсчетного блока 7, выход блока 5 управления соединен соответственно с управляющим входами первого, второго, третьего и четвертого переключающих блоков 9, 10,13 и 15, блока 11 совпадения ко дов и арифметического узла 6, а так же со вторым входом триггера 12 и входами сброс реверсивного счетчи ка 3 и преобразователя код-частота 2, сигнальный вход которого сое нен с выходом генератора 8 опорной частоты, со вторыми сигнальными входами первого, второго и третьего переключающих блоков 9,10 и 13 вхо дом блока 5 управления и входом ква тования преобразователя 1 напряжен в интервал времени, выход которого соединен с входом блока 5 управления . На фиг. 2 показаны форма 16 вход ного сигнала, импульсы 17, поступа ющие на тактирующий вход преобразователя 1 напряжения в интервал времени , изменение кода в реверсивном счетчике 3-18, импульсы 19 линей.«о изменяющейся частоты с выхода преобразователя код-частота. Работает вольтметр следующим обр зом. В режиме измерения действующего значения напряжения формирователь 4 элементарных циклов по сигналу с блока 5 управления вырабатывает эл ментарные циклы Тдд T,i . тТ-Ъ(тТ--. где I - текущее значение номера эле ментарного цикла, (i 1,2,3,...,п) m и п - коэффициенты, которые выбираются из условия заданной точности измерения (п) в заданном частотном диапазоне (т),поступающие на тактирующий вход преобразователя 1 напряжения в интервал времени (фиг. 2у взято равным l), чтобы не загромождать рисунок). За первый элементарный цикл на выходе преобразователя 1 напряжения в интервал времени выделяется интервал времени Т Til . где Vx - интегральное значение вход ного сигнала за ТЭА Г. Vg - опорное напряжение. В течение т Щ импульсы частот ной f) с выхода генератора 8 опорной частоты через первый переключающий блок 9 поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 3, в результат код Ыэл TI в счётчике равен ,, За второй элементарный цикл Тдл Г в течение т t2l через второй переключающий блок 10 на вычитающий вход реверсивного счетчика 3 поступит чис ло импульсов N.tar-Twaf.. К концу второго элементарного цикла Тдд Г21 в реверсивном счетчике 3 остается код Ндд Tl,2 I равный .N. Ш-N гт гп-т ot v Vo - По концу Т ЭД 23 сигнсшом с блока 5 управления триггер 12 устанавливают в определенное логическое состояние, а его вхОд вычитания реверсивного счетчика 3 продолжают подавать импуль сы частотой fj. При равенстве, кода в реверсивном счетчике 3 нулевому значению сработает блок 11 совпадения, и триггер 12 вернется в исходное состояние. Информационный интервал времени Т 1, выделяемый триггером 12, .равен тсо-з 1„; Если N эл ll NJ Г2 , то по концу 23 сигналом с блока 5 управления триггер 12 устана;вливают в. определенное логическое состояние, а импульсы частотой f подают на суммирующий вход реверсивного счетчика 3. Информативный интервал времени Т 1 определяется аналогичным образом. Полученный интервал времени поступает на управляющий вход преобразователя код-частота 2, имеющего функцию преобразования вида М f -i f NO, где f, частота следования импульсов на выходе преобразователя код-частота 2; - емкость счетчиков преобразователя 2; N - код управляющего счетчика преобразователя 2. Частота f в течение времени Т l через третий переключающий блок 13поступает в счетчик 14, код N 1 в счетчике 14 равен JNtO T V f- - о o атем элементарные циклы повторяютя L раз. В.результате в счетчике 4накапливается код NCU оассмотренный алгоритм для уменьшения огрещности дискретности позволяет вести два вида квантования (синхроизации) . Первый вид квантования (по астоте f) заполнения интервалов ремени Т-э ГО сзсуществляется слеующим образом. Конец т i синхроизируется .с первым пришедшим после го окончания импульсом частоты f. результате 13-ТСО T Ci O Tti+43-At + t, tv 3-TCvil- t.+Aty,

где TI ВД - квантованный интервал времени; дц - интервал времени между концом Тэд 1 и первы пришедшим импульсом ча тоты -L ). отсюда 2Т,с з тс з л1:-ь.хтс;+ :-л1 At. Ы 11 nTcOfit.. Таким образом значение суммы любого числа квантованных интервалов времени тк Til отличется от истинног не более чем на 1ц. Рассмотрим второй вид квантования по частоте f заполнения интер лов времени Т D1 . При списывании кода N,,, D ,1 + 1 в реверсивном сче чике 3 импульсами -частотой fj- коне информативного интервала времениi Т П определяют по первому пришедшему импульсу частоты f после выполнения условия i, (фиг т.т. tj.t,): В результате списанный код равен , , NC«3 .3-ЛГ,.,-АЧ,, . отсюда . S Ni:i Nj nO-«-&N -«-tl Ng CA3-bN +u. rUNj COtbN. где Д N j . по эквивалентному значени не превосходит yj . Таким образом, введение операций квантовани позволяет при тех же требованиях к преобразователю код-частота 2 умень шить относительную погрешность дискретности в L раз. После получения кода N Lj в счетчике 14 осуществляют сдвиг элементарных циклов на время t. , а также предустанавливают управляющий счетчик преобразователя код-частота 2/ тем самЕ подготавливая его к новому циклу работы, по ле этого повторяют описанные операции. В результате в счетчике 14 нак ливается код и ViCt I N,u K. v oNo который, как и в известном устройс ве, поступает 8 арифметический узел б, осуцествлякхций нормирование и из

влечение квадратного корня. В цифровой отсчетный блок 7 поступает код Пи о где к - коэффициент пропорциональности 3, пропорциональный действующему значению напряжения входного сигнала. В режиме измерения средневыпрямленного значения напряжения в первом такте формирователь 4 элементарных циклов по сигналу с блока 5 управления вырабатывает элементарные T,,Cn-mT.t,, поступающие на тактирующий вход преобразователя 1 напряжения в интервал времени. На выходе преобразователя 1 напряжения в интервал времени выделяются интервалы времени течение каждого Т (JiJ импульсы частотой f с выхода генератора 8 опорной частоты через первый переключающий блок 9 поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 3. За п элементарных циклов в реверсивном счетчике 3 накапливается код , и Vv, .. где mT.SV код ,пропорциональный i: интегральному значению входного сигнала за m,п периодов Т{ ф. код, пропорциональный средневыпрямленному значению входного сигнала. Во втором также на тактирующий вход преобразователя 1 напряжения в интервал времени подаются элементарные циклы т . -.. T.. На выходе преобразователя 1 напряжения в интервал времени вьщеляются интервалы времени , , в течение которых импульсы частотой fa через второй переключающий блок 10 поступают на вычитающий вход рев. счетчика 3. За п элементарных циклов в реверсивном счетчике 3 останется код -N -nI|.V --SV у„. 1 Этот код поступает в арифметический узел 6, осуществляющий нормирование, В результате через четвертый переключающий блок 15 в цифровой отсчетный блок 7 поступает код ,где К - коэффициент пропорциональности, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения вход ного сигнгила. В режиме измерения с зеднего знач ния напряжения информация,соответст вующая положительной полуволне вход ного сигнала, через первый переключающий блок. 9 поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 3, а информация, соответствующая отрицательной полуволне через второй пере ключающий блок 10 - на вычитающий вход реверсивного счетчика 3. В результате в реверсивном счетчике 3 н капливается код , ., . ii, Vy,- Vu-r ,t,3)4sv,;, 4i- Vo информация за ./Х.ТЭА положительную полуволну входного сигнала; Ci - информация за отр цательную полувол ну входного сигнала; элементарный цикл Этот код поступает в арифметический узел 6, осуществляющий нормирование В результате через четвертый переключающий блок 15 в цифровой отсчетный блок 7. поступает код 1 и N -к 1 V V 1 пропорциональный среднему значению напряжения входного сигнала. Таким образом, предлагаемое устройство помимо более широких чем у известного устройства функциональных возможностей имеет погрешность дискретности в L раз меньые, что обус лавливает его более высокую точност Формула изобретения Универсальный цифровой интегрирующий вольтметр, содержащий преобразователь напряжения в интервал времени, преобразователь код-частота реверсивный счетчик, формирователь, элементарных циклов, первый, второй третий и четвертый переключающие блоки блок управления, арифметический, узел j цифровой отсчетный -блок генератор опорной частоты, при этом вход преобразователя напряжения в интервал времени соединен с шиной входного сигнгша, со входом формирователя элементарных циклов, выход последнего подключен к тактирующему входу преобразователя напряжения в интервал времени и к входу блока управления, выход которого соединен с управлякацим входом формирователя .элементарных циклов, а выход преобразователя напряжения в интервал времени соединен с первыми входами первого и второго переключакндих блоков, вторые входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, кроме того, первый и второй входы третьего переключающего блока соединены соответственно с выходом преобразователя код-частота и с выходом блока управления, который также соединен с первыми входами арифметического узла и четвертого переключающего блока,отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, в него введены блок совпадения кодов, триггер и счетчик, причем выходы первого и второго переключающего блоков соединены с разноименными входами реверсивного счетчика, выход которого подключен к входу блока совпадения кодов и первому входу арифметического узла, выход блока совпадения кодов соединен с первым входом триггера, выход которого соединен с третьим входом третьего переключающего блока и управляющим входомпреобразователя код-частота, при этом выход третьего переключающего блока соединен с входом счетчика, выход последнего соединен со вторым входом арифметического узла, выход которого соединен со вторым входом четвертого переключающего блока, выход последнего подключен к входу цифрового отсчетного блока, причем выход блока управления соединен с управляющими входами первого, второго переключающих блоков, блока совпадения кодов, а также со вторым входом триггера и с входами сброс реверсивного счетчика и преобразователя кодчастота, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, с четвертым входом третьего переключающего блока, вторым входом блока управ.ления и входом квантования преобразователя напряжения в интервал времени, выход которого соединен с третьим входом блока управления. Источники, информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2600402, 31.10.78.

/7

/L

v/

t