Цифровой вольтметр среднеквадратического значения переменного напряжения Советский патент 1981 года по МПК G01R19/25 

(54) ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и используется для построения вольтметров среднеквадратического значения напряжения переменного тока с широким частотным диапазоном, включая диапазон иифранизких частот.

Известен цифровой вольтметр среднеквадратического значения переменного напряжения, содержащий два терморезонансных преобразователя, каждый из которых снабжен двумя нагревателями и автогенераторами, генератор опорной частоты, преобразователь частота-ток, два устройства вычитания частот, счетчик, преобразователь код-ток, устройство управления, устройство индикации. При этой вход вольтметра соединен с первым нагревателем первого терморезонансного преобразователя, вход преобразователя код-ток соединен с выходом счетчика, а его выход с первым нагревателем второго терморезонансного преобразователя, вторые нагреватели терморезонансных преобразователей соединены с выходами преобразователя частотакод, вkoд которого, соединен с выходом первого устройства вычитания частот, первый вход первого устройства вычитания частот соединен с генератором опорной частоты, а второй вход с выходом автогенератора первого терморезонансного преобразователя, выходы обоих автогенераторов соединены со входами второго устройства вычитания частот, вход которого соединен со входом счетчика, а вход устройства индикации соединен с выходом счетчика 1 .

Недостатком этого устройства является наличие погрешности от пульсаций выходной частоты первого терморезоиансного преобразователя при

15 измерении сигналов в диапазоне низких и инфранизких частот, что приводит к снижению точности измерения напряжений низких частот и делает невозможным измерение напряжений

20 инфранизких частот.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона цифрового вольтметра в сторону инфранизких частот и повьЕление точности измерения.

25 Указанная цель достигается тем, что в известный цифровой вольтметр среднеквгщратического значения переменного напряжения, содержащий устройство индикации, два терморе30 зонансных преобразователя, выходы

которых соединены с первыми входами автогенераторов, вторые входы которых соединены с общей шиной, при этом входная шина через резистор соединена с первым нагревателем первого .терморезонансного преобразователя, устройство управления, первый выход которого соединен с первым входом первого счетчика, преобраэователь код-ток, выход которого соединен с первым нагревателем второго терморезонансного преобразователя, вторые нагреватели терморезонансных преобразователей соединены с выходами преобразователя частота-ток, вход которого соединен с выходом первого устройства вычитания частот,первый вхо этого устройства вычитания частот со- . единен с генератором опорной частоты, а второй его вход - с выходом автогенератора первого терморезонансного преобразователя, выходы обоих автогенераторов соединены со входами второго устройства вычитания частот, допол штельно введены изме| итель периода, второй счетчик, два одновибратора, триггер, устройство сравнения, два ключа, преобразоьатель интервал времени - код и арифметическое устройство, при этом первый вход измерителя периода соединен со входом вольтметра, а его выход соединен со входом второго счетчика, пёрвьм входом устройства сравнения входами обоих одновибраторов, а также с S-входом триггера, R-вход которого соединен с выходом второго счетчика, выход первого одновибратора соединен со вторым входом устройства сравнения, выход которого соединен с управлякздим входом первого ключа, первый и второй информационные входы этого ключа соединены с выходами триггера и второго одновибратора соответственно, а выход первого ключа соедийен fc первым входом преобразователя интервал времени - код и с управляющим входом второго ключа, включенного между выходом второго устройства вычитания частот и первым входом первого счетчика, выход которого со еди1}ен с первым входом арифметического устрюйства, второй вход арифметического устройства соединен с выходом преобразователя интервал времени - код, выход арифметического устройства соединен со входами устрЬйства индикации и преобразователя код-ток, а выход устройства управления соединен со вторыми входами измерителя периода, первого счетчика и преобразователя интервал времени код.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства при инфранизкочастот|1ом входном сигнале.

Устрой ство содержит два терморезонансных преобразователя 1 и 2 с автогенераторами 3 и 4, генератор 5 опорной частоты, два .устройства вычитания частот 8, преобразовател 7 частота-ток, два ключа 9 и 10, два счетчика 11 и 16, устройство управления 12, измеритель периода 13, два одновибратора 14 и 15, устройство 17 сравнения, триггер 18, преобразователь 19 интервал времени - код, арифметическое устройство 21, преобразователь код-ток 20, устройство индикации 22.

Терморезонансные преобразователи 1 и 2 вместе с автогенераторами 3 и

4, устройство вычи ания частот 8, ключом 10, счетчиком 11, арифметическим устройством 21 и преобразователе код-ток 20 образуют основную систему автоматического уравновешивания, выравнивающую температуры терморезисторных преобразователей 1 и 2. Генератор 5 опорной частоты, устройство вычитания частот 6 и преобразователь частота-ток 7 образуют вспомогательный контур автоматического регулирования, с помощью которого температура обоих теЕМорезонансных преобразователей поддерживается на постоянном уровне, задаваемом частотой генератора 5 опорной частоты.

Вышеперечисленные блоки образуют автоматизированный компаратор одновременного сравнения на терморезонансных преобразователях 1 и 2, работакадих в изотер 1и,ческс 1 режиме.

в установившемся режиме работы . при измерении сигналов в области низких и инфранизких частот (фиг,2а) разностная частота Д f на выходе устройства вычитания частот 8 становитвя пульсируиадей (фиг.26) и в первом приближении имеет вид

if ufo Af, slnZUJ t (1)

где Afo - среднее значение частоты Af, пропорциональное действующему значению измеряемого напряжения; Af - амплитуда пульсаций частоты Af, зависящая от частоты измеренного напряжения Ш)( и параметров терморезо: нансных преобразователей. Для уменьшения погрешности преобразования, обусловленного втор«вк членом формулы, время посчета выходных импульсов устройства вычитания частот 8 при низкочастотных и инфра низкочастотных входных сигнгшах выбирается равным или кратным период входного сигнала

пТ

х

где Тр

время подсчета выходных импульсов устройства вычитания частот 8; Т - период входного сигнала; п - некоторое натуральное числ Для этого при работе в области низких и инфранизких частот пропускаются на счетчик 11 с выхода устро .ства вычитания частот 8 импульсы в течение интервала времени счета Т. Число зафиксированное в счетчике по окончанию этого интервала, будет ра но с учетом N jAiat -J (Afc ufrti9 n luJX) t+WTx так как 5inQuuxLdt O.H N становитс t пропорциональным периоду входного сигнала и среднему значению разност ной частоты ufjj , которое пропорционально действукицему значению входно го напряжения. Для получения резуль тата измерения, не зависящего от Т Np( нужно поделить на число, равное интервалу времени счета , Устройство работает следующим об разом. Входное напряжение ) через резистор R для преобразования напряжения в ток IX(t) подается на первый нагреватель терморезонансного преоб разователя 1 и на вход измерителя периода 13. По команде с устройства управления 12 объединяются счетчики 11, 16 и преобразователь интервал времени - код 18, а измеритель перио да 13 начинает измерение периода входного сигнала. Измеритель периода 13 вырабатывает импульс с длительностью равной Ту, который поступает на счетчик 16, одновибраторы 14 и 15, устройство сравнения 17 и триггер 1В. Одновибраторы 14 и 15 вырабатывают импульсы с фиксированными длительностями Tj; и Т. Передние фронты обоих импульсо совпадают с передним фронтом импульс 1, сформированного измерителем периода 13. Величина Тр (фиг.2г) выбирается равной максимальному периоду такого входного сигнала, для которого погрешность от пульсаций выходной частоты устройства вычитания частот 8. не превышает заданного значения. Триггер 18 устанавливается в единичное состояние импульсом с выхода измерителя периода 13. Таким образом, .на выходе триггера 18 появляется импульс , передний фронт которого совпа дает с передним фронтом импульса, сформированного измерителем периода 13, а длительность равна пТх , де п - коэффициент пересчета счетчика 16, импульсом переполнения с выхода старшего разряда которого триггер возвра1аается в исходное положение. Устройство сравнения 17 сравнивает длительности Т и Т и вырабатывает сигнал, управляющий ключом 9. При измерении НИ и-ИНИ сигналов (Т Т0) клюс 9 устанавливается в положение 1 сигналом .с выхода устройства сравнения 17, длительность которого равна Т. пТ. При измерении сигналов в области среяних и высоких частот (Т i Тд), сигналом с выхода устройства гравнения 17, длительность которого равна Т Т , где Т., - произвольно выбранная величина; ключ 9 устанавливается в положение П. Сигнал управления на ключ 10 поступает с контакта ключа 9. Длительность этого сигнала згщает интервал времени счета Т. и равна либо Тх, , либо Т, в зависимости от , того, в каком положении находится ключ 9.1 Таким образом, по окончании интервала времени счета TC в счетчике 11 зафиксировано число Nj пропордиональiHoe Тр и средне-квадратическому значению входного напряжения. Это число из счетчика 11 поступает .в арифметическое устройство 21, в которое поступает число, пропорциональное интервалу времени счета Т(-| , сформированное преобразователем интервал времени - кол 19. Арифметическое устройство 21 выполняет операцию деления числа NX на число,сформированное преобразователем интервал време1ни - код 19. Результат вычислений, пропорциональный средне-квадратическому значению входного напряжения их из арифметического устройства 21 поступает на устройство индикации 22. Таким образом, при работе в области средних и высоких частот в вольтметре сохраняются высокие метрологические характеристики, а при работе в области низких и инфранизких частот погрешность вольтметра не возрастает при уменьшении частоты входного сигнала, что позволяет использовать его для измерения напряжений в широком частотном диапазоне, начиная с инфранизких частот. Формула изобретения Цифровой вольтметр среднеквадраического значения переменного напряения, содержащий устройство.индикаии, два терморезонансных преобразоателя, выходы которых соединены с ервыми входги 1и автогенераторов, торые входы которых соединены с бщей шиной, при зтом входная шина ерез резистор соединена с первым агревателем первого те-рморезонансого преобразователя, устройство правления , первый выход которого соединен с первым входом первого счетчика, преобразователь код-ток, выход которого соединен с первым нагревателем второго терморезонансного преобразователя, вторые нагрев тели терморезонансных преобразователей соединены с выходами преобразователя частота-ток, вход которого соединен с выходом первого устройства вычитания частот, первый вход которого соединен с генератором опорной частоты, а второй вход - с .выходом автогенератора первого терморезонансного преобразователя, выходы обоих автогенераторов соединены со входаи и второго устройства вычитания частот, отличаю щ и и с я тем, что, с целью расшире ния частотного диапазона в сторону инфранизких частот и повышения точности измерения, в вольтметр дополнительно введены измеритель периода второй счетчик, два одновибратора, устройство сравнения, триггер, два ключа, преобразователь интервал времени - код и арифметическое устройство, при этом первый вход измерителя периода соединен со входом вольтметра, а его выход соединен со входом второго счетчяка, первым входом устройства сравнения -входами обоих одновибраторов, а также с S-входом триггера, R-вход которого соединен с выходом второго счетчик выход первого одновнбратора соединен со вторым входом устройства сравнения, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, первый и второй информационные входы этого ключа соединены с выходами триггера и второго одновибратора соответственно, а выход первого ключа соединен с первым входом преобразователя интервал времени - код, и с.управляющим входом второго ключа, включенного между выходом второго устройства вычитания частот и первым входом первого саетчика, выход которого соединен с первым входом арифметического устройства, второй вход арифметического устройства соединен с выходом преобразователя интервал времени код, выход арифметического устройства соединен со входами устройства индикации и преобразователя код-ток, а выход устройства управления соединен со вторыми входами измерителя периода, первого счетчика и преобразователя интервал времени - код. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Кудряшов Э.А. Теоретические и экспериментальное последоваии некоторых возможностей применения пьезоэлектрических кристаллов в измерительной технике. Диссертация, л., ЛПИ, 1974, с. 161 (прототип).