Цифровой вольтметр переменного напряжения Советский патент 1982 года по МПК G01R19/25 

(54) ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

I

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике, а именно к измерению переменных напряжений

Из-вестно устройство для измерения действующего значения напряжения инфранизких частот, содержащее блок симметрирования, блок нормирования, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, коммутаторы, программное устройство, арифметическое устройство, квадратор, определитель периода, генератор эталонной частоты, счетчик, схему поразрядно-логической связи и логические элементы 01.

Его недостатками являются большое время измерения (не менее двух периодов), что особенно важно на инфранизких частотах, наличие динамических погрешностей преобразователей анало -код, ограниченный верхний частотный предел из-за наличия ненулевого времени преобразования мгновенных значении и сложность реализации .

Известен цифровой вольтметр переменного напряжения, содержащий блок образцовых напряжений, блок сравнения, реверсивный счетчик, два сумматора, счетчик периода, генератор образцовой частоты, подключенный к входу первого ключа, и блок управления, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами ключей 21.

К недостаткам этого вольтметра следует отнести большое время измерения, которое зaнимaet несколько периодов (по числу уровней квантования), невысокое быстродействие в пределах каждого цикла измерений, ограниченное временем уравновешивания мостов, и сложность аппаратурной реализации.

Цель изобретения - повышение быстродействия. 391 Цель достигается тем, что в цифровой вольтметр переменного напряжения, содержащий блок образцовых напряжений блок сравнения, ключи реверсивный счетчик, два сумматора,счетчик периода, генератор образцовой частоты, подключенный к входу первого ключа, и блок управления, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами ключей, введены делитель кодов, элемент ИЛИ и три блока переноса, а блок сравнений выполнен в виде параллельно включенных нульорганов по количеству уровней квантования, первые входы которых соединены 15 с входнЪи клеммой, вторые входы - с соответствующими выходами блока обра цовых напряжений, а выходы - с входа ми блока упраапения, третий выход ко торого подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход с управляющим входом первого блока переноса и входом второго разряда реверсивного счетчика, выходы разрядов которого подключены через первый и второй блоки переноса соответственно к первым входам первого и второго сумм Торов, влорые входы последнего через третий блок переноса соединены с выходами первого сумм тора, а выходы - с первыми входами делителя кодов, вторые входы которог через счетчик периода подключены к управляющим входам второго и третьего блоков переноса и выходу второго . ключа, вход которого соединен с выходом генератора образцовой частоты, выходы делителя кодов соединены с вторыми входами первого сумматора, выход которого подключен к входу пер вого ключа, а четвертый выход блока управления соединен с входами реверса реверсивного счетчика и первого сумматора. На фиг. 1 приведена блок-схема цифрового вольтметра; на фиг. 2 временная диаграмма, поясняющая прин цип его действия. В состав прибора входят блок 1 сравнения, блок 2 образцовых напря,жекий, блок 3 управления, ключи л генератор 6 образцовой частоты, элемент ИЛИ 7, реверсивный счетчик 8, блок 9 переноса, первый сумматор 10, блок 11 переноса, второй сумматор 12 блок 13 переноса, счетчик периода и делитель 15 кодов. 9 Блок 1 сравнения содержит ряд параллельно включенных нуль-органов, каждый из которых имеет определенный уровень срабатывания. Количество этих уровней, а следовательно, и нуль-органов определяется дoпyctимc й погрешностью квантования. Пороговые уровни задаются блоком 2 образцовых напряжений и подаются на один из входов соответствующих нуль-органов блока 1 сравнения. Другие входы нуль-органов блока 1 сравнения объединены между собой и подключены к входу устройства, на который поступает измеряемое напряжение. Выходы всех нуль-органов блока 1 сравнения подключены к входам блока 3 управления. Первый и второй выходы блока 3 управления соединены с управляющими входами ключей 4 и 5 соответственно, информационные входы которых объединены между собой и подключены к выходу генератора 6 образцовой частоты. Третий выход блока 3 управления и выход ключа 4 через элемент ИЛИ 7 соединены с входами второго разряда реверсивного счетчика 8и управляющим входом первого блока 9переноса, соединяющего порязрядно реверсивный счетчик 8 с сумматором 10, входы реверса которых подключены к четвертому выходу блока 3 управления. Реверсивный счетчик 8 посредртвом второго блока 13 переноса, а сумматор 10 посредством третьего блока 1I переноса поразрядно соединены с вторым сумматором 12.Управ-ляющие входы блоков 11 и 13 переноса и вход счетчика lU периода соединены с выходом ключа 5. Между сумматором 12 и счетчиком Т периода включен делитель 15 кодов, который поразрядно подключен к сумматору 10. Выход сумматора 10 подключен ко второму управляющему входу ключа t. Цифровой вольтметр переменного напряжения предназначен для измерения амплитудного действующего,среднего и средневыпрямленного значений переменйых напряжений. В приборе интегралы заменяются суммами, причем в качестве независимой переменной выбрано время t. В этом случае С., , (Vj } «.t Atj, Vep. f 1 t,. где V - мгновенные значения напряжений в интервале дискрети зации fcty; tj - временной интервал между двумя ближайшими моментами дискретизации; п - число уровней квантования. Мгновенные значения напряжений V следует выбирать так, чтобы . Vi+ Vit 1..- 2 ), (1 1,2,3,...m) где V о - шаг изменения образцового напряжения; m - число всех уровней образцового напряжения. tfB Ц Работа устройства -заключается в следующем. В исходном СОСТОЯНИИреверсивный счетчик 8 и сумматор 10 находится в режиме суммирования и в них записан единица, сумматор 12 и счетчик периода установлены в нулевое состо ние, ключи и 5 закрыты. Измеряемое напряжение U(t) посту пает на первые, входы всех нуль-орга нов блока 1 сравнения, на другие вх ды каждого нуль-органа подается опр деленный уровень образцового напряж ния с блока 2, формирующего сетку образцовых напряжений. Первое из образцовых напряжений имеет уровень дУо, а каждый последующий уровень отличается от прэдыдущего также на величину /лУ ,т.е. i-ый уровень образцового напряжения равен Vj ibVo. Кроме того, в сос тав блока 1 сравнения входит нульорган, формирующий импульсы в момен перехода измеряемого напряжения через нуль. В моменты равенста измеряемого напряжения с каждым из уровней обра цового напряжения соответствующий нуль-орган блока 1 сравнения формирует импульс. Если нормированное значение напряжения U(t) находится между уровнями образцового напряже9 .6 ния V и Virt) , ТО, очевидно, за пол периода/ / напряжения U(t) каждый из i нуль-органов будет сформировано по два импульса, а всего на выходе блока 1 сравнения появится (2i+2} импульсов. Если положительная и отрицптельная амплитуды напряжения U(t) одинаковы, нуль-органами будет сфор мировано (41+3) импульсов, если же амплитуды неодинаковы, то формируется другое число импульсов (для уменьшения количества нуль-органов в блоке 1 сравнения измеряемое напряжение U(t) может быть предварительно выпрямлено). Выходные импульсы всех нульорганов подаются в блок 3 управления. Импульсы, соответствующие переходу измеряемого напряжения через нуль, подаются с выхода блока 3 управления на ключ 5 и открывают его на время одного периода. В дальнейшем принцип действия прибора зависит от измеряемой величины. Наиболее общим является измерение действующего значения. Через открытый ключ 5. импульсы с генератора 6 образцовой частоты поступают на блок 11 переноса и счетчик периода.. Через блок 11 переноса показания сумматора 10, равные единице и соответствующие первому уровню образцового напряжения (), переносятся каждый импульсом с вы- , хода ключа 5 в сумматор 12. Так продолжается до момента времени t (фиг.2) равенства измеряемого напряжения первому уровню V образцового напряжения. Импульс, появляющийся на выходе соответствующего нуль-орга- , на, с выхода блока 3 управления через элемент ИЛИ 7 поступает на второй разряд реверсивного счетчика 8 (его показания становятся равными трем) и на блок 9 переноса для записи показаний счетчика 8 в сумматор 10 на суммирование (показания сумматора 10 становятся равными 2 4). Импульсы, с выхода ключа 5 по-прежнему записываются в счетчик Tt периода и поступают перенос показаний сумматора 10 в сумматор 12 через,блок 11 переноса. Затем в момент времени t2 на выходе блока 3 управления формируется следующий импульс, соответствующий равенству измеряемого напряжения второму уровню образцового напряжения (1 2). Этот импульс через элемент ИЛИ 7 вводится в счетчик 8, делая его показания равными пяти, и переносит эти показания в сумматор То, состояние которого становится равным . В дальнейшем работа схемы повторяется до момента времени , Таким о€Гразом, с появлением каждого импульса на выходе блока 3 управления изменяется состояние сумматора 10 так, что в нем будет записано число импульсов (21-1) -. Это число каждым импульсом с выхода ключа 5 записывает ся в сумматор 12, в результате в промежутке между двумя выходными импульсами блока 3 -управления его показания изменяются на величину (21-1)/i Nj, где д Nf - fj, Ati (fg - частота образ цового генератора). В момент времени t|4t, когда в блок 3 управления подряд поступают два импульса, с одного и того же нуль-органа блока 1 сравнения блоком 3 управления формируется сигнал, который поступает на входы реверса cMetMHKa 8 и сумматора 10, переводя их в режим вычитания. Этот же импульс через элемент ИЛИ 7 записывается в счетчик 8 на вычитание и показания последнего переносятся в сумматор 10 также на вычитание. В остальном работа схемы повторяется. Гак про должается до моментар времени ( 1. когда формируется сигнал нулевого уровня напряжения, и этим сигналом счетчик 8 и сумматор 10 вновь переводятся в режим суммирования. В течение второго полупериода измеряемого напряжения схема работает так же, как и в первом пояупериоде. В момент времени- (t + 1) сигналом блока 3 управ ления ключ 5 закрывается. К этому моменту времени в сумматоре 12 записывается код Д (21-1) ANi, а-в счетчике 14 периодЪ - код периода N. Эти коды вводятся в делитель 15 кодов,на выходе которого формируется код частногоL I(2i-1)дN 1 1С21-1)дй т ||(|Г Этот код вводится в сумматор 10 в дополнительном кЬде и сигналом с первого выхода блока 3 управления открывается ключ Ц. Импульсы с генератора 6 образцовой частоты через ключ подаются на счетчик 8, а показания последнего через блок 9 переноса вводятся в сумматрр 10 Гсчетчик 8 и сумматор 10 работают в режиме суммирования) . В момент переполнения сумматора 10 на выходе последнего формируется импульс, закрывающий ключ , Очевидно, в счетчик 8 к этому моменту поступит через ключ число импульсов, равное 1 ;|(2i-i)tt , т.е. в нем зафиксируется код действующего значения измеряемого напряжения. На этом процесс измерения действующего значения напряжения заканчивается. . i При измерении среднего и средневыпрямленного значений работа прибора отличается следующим. Показания счетчика 8 переносятся выходными импульсами ключа 5 не в сумматор 10, а в сумматор 12 через блек 13 переноса, причем при измерении среднего значения режим работы сумматора 12 зависит от полярности напряжения, т.е. при положительной полуволне он работает на суммирование, при отрицательной - на вычитание, а при измерении средневыпрямленного значения работает в режиме суммирования независимо от полярности входного напряжения. Таким образом, к концу периода, в момент времени 3 сумматоре 12 записывается либо код u.V(j (21-1) JvNi (при измерении среднего значения), либо код A.Vo|.(2i-i)&Njj (при измерении средневыпрямленного значения), Тот или другой код затем подается в делитель 15 кодов, на другой вход 1 оторого, как и при измерении действующего значения, вводится код периода N со счетчика I. В результате на выходе делителя 15 кодов образуется код либо среднего, либо средневыпрямленного значений, который записывается в сумматор 10. На этом процесс измерения этих величин заканчивается. Очевидно, амплитудное значение напряжения U(t) может быть отсчитано непосредственно с блока 2 образцовых напряжений. Ему соответствует тот уровень образцового напряжения, в данном случае |-,при котором на выходе соответствующего i-ro нуль-органа блока 1 сравнения появляется подряд два имйульса. Формула изобретения Цифровой вольтметр переменного напряжения, содержащий блок образцовых напряжений, блок сравнения,ключи реверсивный счетчик, два сумматора, счетчик периода, генератор образцовой частоты, подключенный к входу 1ервого ключа, и блок управления, . первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами ключей отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены делитель кодов, элемент ИЛИ и Г0(Г .блока переноса; а блок сравнения выполнен в виде параллельно включенных нуль-органов по количеству уровней квантования, первые , входы которых соединены с входной клеммой, вторые входы - с соответствующими выхЪдами блока образцовых напряжений, а входы - с входами блока управления, третий выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход - с управляющим входом первого блока переноса и входом второго разряда реверсивного счетчика, выходы разрядов которого подключены через первый и

второй блоки переноса соответственно к первым входам первого и второго сумматоров, вторыевходы последнего через третий блок переноса соединены с выходами первого сумматора, а вы- . ходы - с первыми входами делителя кодов, вторые входы которого через счетчик периода подключены к управяющим входам второго и третьего блоков переноса и выходу второго ключа, вход которого соединен с выходом генератора образцовой частоть% выходы делителя кодов соединены с вторыми входами первого сумматора, выход которого подключен к входу первого кшрча, а четвертый выход блока управления соединен с входами реверса реверсивного счетчика и первого сумматора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2. Авторское свидетельство СССР № 263737, кл. G 01 R la/Oi, 1970 (прототип).