Способ измерения напряжений постоянного тока и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК H03K13/20 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО Д.Т1Я ЕГО ОСУЩЕСТВ.ПЕНИЯ

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано как в систе.мах автоматического контроля, так и в цифровых измерительных приборах универсального и специального назначения.

Известны способы измерения напряжений постоянного тока и устройство для их осуществления.

Известен способ измерения напряжения постоянного тока, который основан .на промежуточном преобразовании во временной интервал за счет интегрирования опорного напряжения до момента достижения проинтегрированным напряжением измеряемого напряжения с последующим преобразованием его в код путем заполнения импульсами образцовой частоты, а устройство для осуществления способа содержит источник опорного напряжения, ключи, интегратор, устройство установки начального значения, компаратор, устройство сравнения, блок управления, генератор импульсов образцовой частоты, схему И и счетчик f1.

Недостатками способа и устройства для его осуществления являются отсутствие помехозащищенности и низкая

точность преобразования. Это обусловлено тем, что по данному способу происходит измерение мгновенных значений напряжения с наложенным сигналом помехи переменного тока и тем, что в функции преобразования имеется величина постоянной времени интегрирования, обеспечение стабильности которой связано со значительными труд10ностями .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения напряжении постоянного тока, основанный на промежуточном преобразовании во временной интервал, в котором интегрируют измеряемое напряжение постоянного тока в течение интервала времени, равного целому числу периодов сигнала помехи

20 переменного тока, и затем интегрируют опорное напряжение, полярность которого противоположна полярности измеряемого, с последующим преобразованием временного интервала в код

25 путем заполнения импульсами образцовой частоты I 2.

Устройство для осуществления способа содержит источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом первого ключа, второй

30 вход которого через блок формирования периода интегрирования опорного напряжения соединен с выходом компаратора, первый вход которого через интегратор соединен с выходами первого и второго ключей, первый выход второго ключа соединен со входной клеткой, второй вход через последотательно соединенные устройство форм рования периода интегрирования измеряемого напряжения и генератор им пульсов образцовой частоты, которые образуют блок управления, соединен первым входом счетчика, второй вход которого через элемент И соединен с выходом генератора импульсов образцовой частоты и вторым входом перво го ключа, устройство сравнения 3. Недостатком способа и устройства для его осуществления, выбранных за прототип, является низкое быстродей ствие и низкая точность измерения н пряжения постоянного тока. Это обус ловлено тем, что время измерения всегда больше интервала времени, кратного целому числу периодов сигн ла помехи переменного -гока, и завис от величины измеряемого напряжения, так как интегрирование измеряемого и опорного напряжений не совмещены во времени. Кроме того, аддитивная погрешность, вызванная дрейфом нуля усилителей постоянного тока, исполь зуемых в интеграторе и устройствах сравнения, значительна, так как она пропорциональна времени измерения. Цель изобретения - увеличение быстродействия и повышение точности измерения. Цель достигается тем, что согласно способу измерения напряжений постоянного тока, основанном на промежуточном преобразовании во временной интервал, в котором интегрируют измеряемое напряжение постоянного тока в течение интервала времени, равного целому числу периодов сигнала помехи переменного тока, и затем интегри руют опорное напряжение, полярность которого противоположна полярности измеряемого, с последующим преобразованием временного интервала в код путем заполнения импульсами образцовой частоты, в течение интервала времени, равного целому числу периодов сигнала помехи переменного тока одновременно с интегрированием измеряемого напряжения постоянного TQKB формируют линейно уменьшающееся от величины опорного напряжения до нуля напряжение, при равенстве которого измеряемому напряжению постоянного тока начинают интегрирование опорного напряжения. В устройство для осуществления способа, содержащее источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом первого ключа, второй вход которого через блок формирования периода интегрирования опорного напряжения соединен с выходом компаратора, первый вход которого через интегратор соединен с выходами первого и второго ключей, первый вход второго ключа соединен со входной клеммой, второй вход через последовательно соединенные устройство формирования периода интегрирования измеряемого напряжения и генератор импульсов образцовой частоты, которые образуют блок управления, соединен с первым входом счетчика, второй вход которого через элемент И соединен с выходом генератора импульсов образцовой частоты и вторым Ьходом первого ключа, устройство сравнения, введен генератор линейно изменяющегося напряжения, вход которого соединен с входом генератора импульсов образцовой частоты, а выход - с первым входом устройства сравнения, второй вход которого соединен со вторым входом второго ключа, а выход - с управляющим входом блока формирования периода интегрирования опорного напряжения. На фиг. 1 приведена временная диаграмма, поясняющая принцип действия способа измерения напряжений постоянного тока) на фиг. 2 - структурная электрическая схема устройства для осуществления способа. На фиг. 1 изображено линейно изменяющееся напряжение 1, измеряемое напряжение постоянного тока 2, проинтегрированное напряжение 3, время интегрирования измеряемого напряжения постоянного тока 4, время интегрирования опорного напряжения 5. Устройство для осуществления способа, приведенное на фиг. 2, содержит интегратор б, построенный на операционном усилителе с емкостной обратной связью, ключи 7 и 8 для подключения на вход интегратора опорного напряжения источника опорного напряжения 9 и шины 10 измеряемого напряжения постоянного тока, компаратор 11, устройство сравнения 12, генератор линейно изменяющегося напряжения 13, блок 14 управления с устройством 15 формирования периода интегрирования измеряемого напряжения и генератором 16 импульсов образцовой частоты, блок 17 формирования периода интегрирования опорного напряжения, шину Стоп 18, шину Старт 19, элемент И 20 и счетчик 21, с выхода которого снимается результат измерения-цифровой код. Способ измерения напряжения постоянного тока происходит в два такта. В течении первого такта происходит интегрирование измеряемого напряжения постоянного тока 2 и формирование линейно изменяющегося напряжения 1, крутизна которого такова, что за интервал времени Т, равный целому числу периодов сигнала помехи переменного тока, оно изменяется от величины опорного напряжения до нуля. В момент равенства линейно изменяющегося напряжения 1 измеряемому напряжению постоянного тока 2 заканчивается первый такт. Для первого такта справедливы следующее соотношенияu(t) . о Т М - у - опорное напряжение/ У - измеряемое напряжение пос тоянного тока 2; - длительность первого такт Т - интервал времени, равный целому числу периодов сиг ла помехи переменного ток и(t)- проинтегрированное напряж ние 3, t - постоянная времени интегрирования. Из этих уравнений следует, что тельность первого такта t, равна - Цр - их . а величина проинтегрированного на жения 3 в конце первого такта выр ся как lift LM т цр- цх ии; - . Во время второго такта происход совместное интегрирование измеряв мого напряжения постоянного тока опорного напряжения, полярность ко торого противоположна полярности и меряемого. Второй такт, длительнос которого обозначим t, заканчивае при равенстве проинтегрированных пряжении в первом и втором тактах Тогда можно записать уравнение откуда время второго такта, т. е. время интегрирования опорного напр жения 5, равно Преобразуя полученный временно интервал в код, путем заполнения его импульсами образцовой частоты окончательный результат измерения запишется в виде N ilb.I,

где N - цифровой

Т - период следования импульсов образцовой частоты. Время цикла измерения, -)пределяемое длительностью первого и второго тактов, т. е. временем интегрирования измеряемого напряжения постоянного тока 4, равно

Uo- Ux

Jk

т t

Т Т .

UD

и Работа устройства для осуществления способа происходит в два такта следующим образом. При поступлении на шику Старт 19 импульса запуска сбрасывается в ноль счетчик 21 и запускается генератор 16 импульсов образцовой частоты блока 14 управления. В результате этого, импульсы образцовой частоты поступают в устройство 15 формирования периода интегрирования измеряемого напряжения, которое формирует интервал времени длительностью Т, равный целому числу периодов сигнала помехи переменного тока, и подключает на вход интегратора 6 через .ключ 7 шину 10 измеряемого напряжения постоянного тока. Одновременно с импульсов запуска включается генератор линейно изменяющегося напряжения 13, выходное напряжение которого за интервал времени Т изменяется от величины опорного напряжения до нуля. Первый такт заканчивается когда напряжение на выходе генератора линейно изменяющегося напряжения станет равным измеряемому напряжению, поступающему на шину 10. В этот момент устройство сравнения 12 вырабатывает импульс, по сигналу которого схема 17 формирования периода интегрирования опорного напряжения через ключ 8 подключает на вход интегратора источник опорного напряжения 9. Происходит совместное интегрирование измеряемого и опорного напряжения. Второй такт заканчивается при равенстве выходного напряжения интегратора б порогу срабатывания компаратора 11. На шине Стоп 18 образуется импульс, по сигналу которого блок 17 формирования периода интегрирования опорного напряжения отключает опорное напряжение от входа интегратора. В это же время измеряемое напряжение отключается от входа интегратора, так как приведенные формулы показывают, что время первого и второго тактов равно времени интегрирования измеряемого напряжения. Во время второго такта, т, е. время интегрирования опорного напряжения, импульсы с выхода генератора 16 импульсов образцовой частоты через элемент И 20 поступают в счетчик 21 в результате чего на выходах счетчика сформируется результат измерения - цифровой код, прямо пропорцио нальный измеряемому напряжению посточнного тока. Таким образом, предложенный способ измерения напряжения постоянного тока и устройство для его осуществления позволяет снизить время измерения до величины, равной целому числу периодов сигнала помехи переменного тока, и уменьшить аддитивную погрешность, вызванную дрейфом нуля усилителей постоянного тока, используе1«ах в интеграторе и сравнивающих устройствах при практической реализации способа, так ка эта погрешность прямо пропорциональ на времени измерения. Использование предложенного способа измерения напряжений постоянного тока и устройства для его осуществления выгодно отличает их от прототипа, так как например для ма симального измеряемого Напряжения) увеличение быстродействия в 2 раза и повышение точности измерения на 50% позволит точнее измерять напря жение постоянного тока за более короткое время, что особенно важно при измерении напряжений низкого ур ня с нескольких датчиков. Формула изобретения 1, Способ измерения напряжений постоянного тока, основанный на про межуточном преобразовании во времен ной интервал в котором интегрируют измеряемое напряжение постоянного тока в течение интервала времени, равного целому числу периодов сигна ла помехи переменного тока, и затем интегрируют опорное напряжение, полярность которого противоположна по лярности измеряемого,-с последующим преобразованием временного интервала в код путем заполнения импульсами образцовой частоты, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия и повышения точности измерения, в течение интервала времени, равного целому числу периодов сигнала, помехи переменного тока, одновременно с интегрированием измеряемого напряжения постоянного тока формируют линейно уменьшающееся от величины опорного напряжения до нуля напряжение, при равенстве которого измеряемому напряжению постоянного тока начинают интегрирование опорного напряжения. 2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом первого ключа, второй вход которого через блок формирования периода интегрирования опорного напряжения соединен с выходом компаратора, первый вход которого через интегратор соединен с выходами первого и второго ключей, первый вход второго ключа соединен со входной клеммой, второй вход через последовательно соединенные устройство формирования периода интегрирования измеряемого напряжения и генератор импульсов образцовой частоты, которые образуют блок управления, соединен с первым входом счетчика, второй вход которого через элемент И соединен с выходом генератора импульсов образцовой частоты и вторым входом первого ключа; устройство сравнения, отличающееся тем, что введен генератор линейно изменяющегося напряжения, вход которого соединен с входом генератора импульсов образцовой частоты, а выход - с первым входом устройства сравнения, второй вход которого соединен со вторым входом второго ключа, а выход - с управляющим входом блока формирования периода интегрирования опорного напряжения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Шушков Е.И., Цодиков М.Б. Многоканальные аналогоцифровые преобразователи. Л., Энергия, 1975, с. 37, 48-51. 2.Гитис Э.И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. М., Энерия, 1975, с. 368-374 (прототип). 3.Авторское свидетельство СССР № 347910, кл. Н 03 К 13/20, 4.09.72 (прототип).

t

m.f

Фиг.1