Устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов Советский патент 1983 года по МПК H03K13/20 

Изобретение относится к области радиоизмерителБной техники, а точнее к устройствам для измерения амплитуды переменного напряжения в диапазоне, частот, и может быТь использовано в качестве цифрового управляем го преобразователя в составе автоматизированного измерительного комплекса.

Известен преобразователь измерения амппитуща, содержащий элемент сравнения , усилитель постоянного тока, амплитудный детектор, буферный усили тель, и цепь опорного кангша t

В устройстве происходит сравнение . гшплитуд входных сигналов с кo в1eнcaционным напряжением, по величине ko-. торого определяется измеряемое вхсдиое напряжение. В тех случаях, когда входное переменное напряжениесодержит постоянную составляюори, например, за счет наводки во входных цепях, то ее амплитуда определяется с учете величины ЭТОЙ наводки. Таким образом, точность измерения в известных устройствах значительно снижается при нешичии постоянной составл}ао1цей напряжения на входе, при этом ограничивается применимость подобных устг; г ройств.

Наиболее близким по технической . сущности к изобретению является компенсационный вольтметр, состоящий

с из регулируемого источника постоянного напряжения диода, двух резисторов, конденсатора и компаратора (магнитоэлектрического гальванометра), причем анод диода присоединен к пер4Q вой входной шине, а катод через конденсатор подключен к второй входной шине к одному выводу первого резистора, параллельно которсялу подключен источник напряжения постоянного тока, а между катодом диода и шиной источ5 ника напряжения подключен компаратор 2j.:

В известном вольтметре после проведения начальной калибровки производят измерение амплитуды входного сиг20нала путем регулирования компенсациг онного напряжения до момента срабатывания компаратора (отсутствия тока в гальванометре) и по значению величины ксжпенсационного напряжения в мо25 мент срабатывания определяют значение амплитуды измеряемого сигнала. звест ный компенсационный вольтМетр работает по схеме последователь

ного детектирования (вольтметр с от30 крыты4 входом). При этом на входе вольтметра отсутствует разделительный конденсатор и ток детектирования протекает через цепь измеряемого напряжения, что ограничивает применимость вольтметров, так как их нельзя использовать для измерений напряжения nepei eHHoro тока в цепях с постоянной составляющей. При измерениях, производимых при наличии постоянной составляющей(напримерг наводки на входных цепях7, точность определения амплитуды переменного сигнала значительно снижается, так как измеренное значение соответствует максимальному значению суммарного напряжения на входе. Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей устройства. Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов, содержащее регулируемый источник постоянного напряжения, первый компаратор и первый конденсатор, один вы вод которого подключен к катоду первого диода, анод которого присоединен к первой входной шине, вторая входная шина подключена к первому выводу первого резистора, введены |блок сложения, два регистра ..три резистора. вторые компаратор идиод, конденсатор, первый вывод которого подключен к аноду второго диода, ка тод которого присоединен к первой входной шине, вторая входная шина через второй резистор, по величине равный первому, подключена к второму выводу второго 1 Ьнденсатора и пе вому выводу второго дросселя, а вто рой вывод первого резистора присоединен к второму выводу первого кон денсатора и первому выводу первого дросселя, а выводы первого и второго конденсаторов подключены соответ венно к входам первого и второго ком параторов, параллельно которым подкл чены третий и четвертый резисторы,в ход первого компаратора подключен к разрешающему входу первого регистора, выход второго компаратора подкл чен к разрешающему входу второго ре гистра, информационные входы оди.наковых разрядов первого и второго ре гистров подключены к соответствующим выходным разрядным шинам регули руемого источника постоянного напря жения, первая и вторая выходные шин которого подключены к вторым выводам первого и второго дросселей, а тактовые выходы присоединены к стро бирующим входам компараторов,.-ВЫходные разрядные шины первого и вто рого регистров подключены к разрядн входам блока сложения. Причем, регулируемый источник по стоянного напряжения включает счетик импульсов, выходные разрядные шины которого соответственно подключены к выходным разрядным шинам регуируемого источника постоянного наряжения, входам первого элемента И и управлякицим входам цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен к выходным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, счетный вход счетчика импульсов подключен к выходу второго элемента К и тактовым выходам регулируемого источника постоянного напряжения, первый вход второго элемента И присоединен к выходу генератора тактовых импульсов, а второй вход подключен к прямому выходу триггера, инверсный выход которого присоединен к установочному входу счетчика импульсов, при этом прямой вход триггера подключен к шине установочного входа триггера, а инверсный вход подключен к выходу первого элемента И. На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для измерения амплитуды высокочастотных сигналов . Устройство содержит конденсатор 1, диод 2, первую входную шину 3, вторую входную шину 4, резистор 5, дроссель б, конденсатор 7, диод 8 резистор 9, дроссель 10, компаратор 11 и 12, резисторы 5гЗ и 14, регистры 15 и 16, информационные входы 17 регистров, регулируемый источник 18 постоянного напряжения, блок 19 сложения, счетчик 20 импульсов, элемент 21 И, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 22, элемент 23 И, генератор 24 тактовых импульсов, триггер 25, шину 26 установочного входа триггера. Устройство для измерения амплитуды высокочастотныхсигналов работает следующим образом. При подаче пускового импульса на шину 26 .установочного входа триггера на выходнь.ш шинах регулируемого источника 18 постоянного напряжения появляется напряжение, возрастающее во времени по линейно-ступенчатому закону, причем каждый скачок напряжения соответствует определенному шагу квантования. Одновременно с этим на выходных разрядных шинах регулируемого источника 18 постоянного напряжения появляется двоичный цифровой код, причем в каждый момент времени величина напряжения на выходных .. клеммах регулируемого источника 18 в четыре раза больше значения, которое определяется цифровым кодом на выходных разрядных шинах, т.е. (xt,-, (Я где . цифровое значение напряжения, определяемое кодом в момент времени ti, , и - - величина напряжения на ВЫн выходных клеммах в момен времени ц, К - постоянный коэффициент преобразования. Измеряемое входное напряжение Ux приложенное к входным клеммам 3 и 4 складывается с линейно-ступенчатыми напряжениями на резисторах 5 и9,ра 1 1 ными соответственно 5 и,-.Резуль jTHpywome напряжения Up, и Up-j прикладываются соответственно между катодом второго диода 2 и выводом конде сатора 7, и между анодом первого ди да 2 и выводом конденсатора 1, кото рые образуют два амплитудных детектора. Полярность диодов 2 и 8 выбра на таким образом, что напряжение на первом конденсаторе 1 и равно поло жительной амплитуде результирующего напряжения Up, а напряжение на конденсаторе 7 DC равно отрицательной амплитуде результирующего напряжения Up. В процессе увеличения напряжеьия на входе регулирунвдего линейно ступенчатого источника 18 напряжения продетектированные напряжения и DC - на конденсаторах 1 и 7 уменьшаются. К моменту tj величина Ц оказывается равной нулю (-U;,+Uo) --О (2) При этом выключается компаратор 12 и в регистре 16 фиксируется цифровой код N N i Y..U. К моменту t величина U оказывается равной нулю УС р wi . Ж О или UN Z{u;- -Uo). При этом выключается компаратор 11 и в регистре 15 фиксируется W I хим,Результирующий код на выходе блока 19 сложения N 1.. Н. соответству ет значению NwiM--:5: o)a(u«,-uo),. Из последнего выражения видно, что в бор величины напряжения на выходе ре гулируемого источника в 4 раза больш значения, определяемого кодом на его .входах, обеспечивает получение резул тата измерения Мц,, непосредствен но равного усредненной аг-шлитуде входного сигнала с учетом лишь коэффициента преобразования (т.е.без дополнительного масштабного множителя). Напряжение на выходных клеьшах и величина цифрового кода увеличиваются до максимальных значений, после чего скачкообразно уменьшаются до ну левых значений, и регули емый источ ник 18 постоянного напряжения возвращается в исходное состояние. Указанный режим работы осуществляется- следующим образом. Пусковой импульс поступает на шину 26, триггер 25 опрокидывается и своим сигналом с прямого вьхода разрешает прохождение импульсов с выхода генератора 24 тактовых импульfOB через второйэлемент И на счетный вход счетчика 20 мпyльc6в и стробирующие входы компараторов 11 и 12. На выходе счетчика 20 появляется цифровой код, возрастает по мере поступления тактовых импульсов. Цифровой код с выхода счетчика 20 поступает на выходные разрядные шины, подключенные к информационным входам регистров 15 и 16, и на управлякнцие входы цифро-аналогового преобразователя,22, на выходе которого появляется соответствующее напряжение, величина которого связана соотношением (1) с цифровым кодст на его входах. При заполнении счетчика 20 на выходе первого элемента 21 И появляется сигнал, который воз вращает триггер 26 в исходное состояние, при этом прекращается поступление тактовых импульсов на счетный вход счетчика 20 и стробирующие входы компараторов 11 и 12, а сигнал с инверсного выхода триггера 25 производит сброс счетчика 20 в нулевое состояние. Измерение входного напряжения происходит следующим образом. На входные шины 3 и 4 поступает измеряемое напряжение, имеющее в общем постоянную составляющую Ox-Um wiiut + Uo, где Uy - напряжение на входных шишинах 3 и 4, и - амплитуда измеряемого напряхсения;Up - постоянная составляющая напряжения. Входные цепи, образованные из первого диода 2 и первого конденсатора 1, второго диода 8 и второго конденсатора 7, представляют собой два.амплитудных детектора с открытым входом. Поэтому входное напряжение Ux через первый диод 2 поступает в цепь заряда первого конденсатора 1, который заряжается до максимального значения, приблизительно равного ( +Uo ) . ричем на одном выводе первого конденсатора 1, подключенном к аноду диода 2, присутствует положительна потенциал,. Аналогичным образом через диод 8 происходит заряд второго конденсатора 7, причем на одном выводе конденсатора 7, подключенном к аноду диода 8, рисутствует отрицательный потенциал риблизительно равный (U,7,-Uo) .

Выводы компараторов 11 и 12 подключены к конденсаторам 1 и 7 таким образом, что напряжения на этих конденсаторах указанной полярности вызывают их срабатывание, однако разрехаающий сигнал на выходах компараторов 11 и 12 не появляется, так как на их стробирующие входы не подаются тактовые импульсы. Поскольку входное сопротивление компараторов 11 и 12 велико, (соизмеримо с обратным сопротивлением диодов 2 и 8), то для обеспечения нормальной работы рассмотренных амплитудных детекторов параллельно входам компараторов 11 и 12 подключаются резисторы 13 и 14, значения которых выбраны из известных соотношений для амплитудных де;гекторов.

,

(5; 20

где и R - прямое и обратное

сопротивления диодов 2 и 8, Ом,

гR

- величина сопротивлеЧ.н ния резисторов 13 и 14, Ом. . .

Из неравенства (3) также следует, что включение резисторов 5 и 9, имеющих небольшое сопротивление{соизмеримое с прямым сопротивлением диодов 2 и 8), не влияет на процесс амплитудного выпрямления.

Непосредственно процесс измерения начинается подачей пускового импульса на шину 26, после чего линейноступенчатое напряисение с выходных шин регулируемого источника 18 переменного напряжения через обмотки дросселей б и 10 оказывается приложенным к двум, последовательно включенным и равным по величине резисторам 5 и 9, между которыми напряйсение делится по ровну. Эти напряжения на резисторах 5 и 9.с учетом их знака складываются с напряжением U на входных клеммах 3 и 4 таким образе, что к аноду первого диода 2 и другому выводу конденсатора 1 оказывается приложенным.результирующее напряжение с амплитудой и положительной полярности Up, равной

uHuS,)-f, ,„

где и - положительная амплитуда ре зультирунмцего напряжения, В и . - напряжение на выходных нах Ь егулируемого источника 18 в момент времени t,,- , и - амплитуда измеряемого напряжения положительной полярности, В.

К аноду второго диода 8 и другому выводу конденсатора 7 в этот же момент времени t. приложено результиру щее напряжение с амплитудой отрицательной полярности Up, равной

), (5)

где и - амплитуда измеряемого напря жения отрицательной полярности, В,

По мере поступления тактовых импульсов на вход счетчика 20, значение выходного напряжения U и цифрового кода на выходах регулируемого источника 18 возрастает, соответственно возрастает и падение напряже(jjj . ния -J- на резисторах 5 и 9 что, в

свою очередь, вызывает уменьшение амплитуды положительной полярности напряжения U и уменьшение амплитуды отрицательйой полярности Up. Соответственно уменьшается и В1лпрямленно напряжение на конденсаторах 1 и 7 равное этим амплитудам.

Так как компараторы 11 тл 1.2 находятся во включенном состоянии, то поступление тактовых импульсов на их стробирующиевходы вызывает появлениена их выходах разрешанлдих сигналов, которые поступают. на разрешающие входы регистров 15 и 16 и обеспечивают занесение в регистры 15 и 16 текущих значений цифрового кода с выходных разрядных шин регулируемого источника 18.

В момент времени t, когда напряжение на конденсаторе 7 становится равным нулю, величина напряжения UN на выходе регулируемого источника 18 равна

м, 2(и;„-ио),

(6).

При этом выключается компаратор 12, с его выхода прекращается поступление разрешающих сигналов, в регистре 16 фиксируется занесенный цифровой код N,1, который поступает в момент времени ty

(7)

k -K-u,,

N.

2 ().

(8)

где Нц - цифровое значение напряжения, определяемое кодом в момент t U.J - напряжение на выходе источ ника 18 в момент t,. В момент времени t, когда напряжение на конденсаторе 1 становится равным нулю, величина, напряжения i/ti на выходе регулируемого источника 18 равна:

NV, 2(и;4-и-«,).

(9)

а цифровой код Nyj в этот же момент времени с учетом выражений (l)() и (9) равен

г. . со) где N - цифровое,значение напряжения, определяемое в момент времени t , Значение цифрового кода N фиксируется в регистре 15,так как г- этого момента выключаетая компаратор fi. После того, как выходное напряжение источника 18 достигает максимального значения, срабатывает триггер 25, который блокирует поступление тактовых импульсов на стробирующие входы компараторов и устанавливает источJBJHK 18 в исходное состояние. Значения цифровых кодов «и и N,, зафиксированные соответственно в ре.гистрах 15 и 16, поступают на разряд ные входы блока 19 слежения, где осу ществляется операция сложения двоичных чи9ел, заданных в виде кодов Н,„ и Мц, Результирующее двоичное число Nj,},, на выходных шинах блока 19 сложе ния оказывается равным или с учетом (8) и (10) д NwbM---5K.()x(Uw-Uo)iKUr,. {ir Таким образом, в результате одног цикла измерения на выходе блока 19 сложения появляется значение измеряемой а тлитуды Uy, представленной в цифровой форме. Этот цифровой код N поступает на устройство индикации или вычислительное устройство дл запоминания и обработки (на чертеже не изображено). Подключение дросселей б и 10 искл чает влияние внутреннего выходного с противления регулируемого источника 18 на прохождение высокочастотного входного сигнала. Полярность постоянной составляюще напряжения Up значения не имеет, так как в процессе сложения кодов (12) она компенсируется (вычитается). В результате измерения происходит осреднение значений положительной и отрицательной ё1мплитуд U и Ui измеряемого сигнала, что так же повыша ет точность измерения. Преимущество предлагаемого устрой ства по сравнению с известным заключается в возможности производить измерения амплитуд при наличии постоян ной составляющей. При зтом сохраняются все достоинства компенсагионного способа измерения и, более того, повышается точность измерения за счет осреднения значений амплитуд разной полярности. Предварительная ксшибровка выпрямительных диодов и учет их параметров при обработке результатов во внешнем вычислительном устройстве позволяют также исключить известную операцию калибровки (уста новка нуля). .Формула изобретения 1.Устройство для измерения амплитуды высокочастотных сигналов, содержащее регулируемый источник постоянного напряжения, первый компаратор и первый конденсатор, один вывод которого подключен к катоду первого диода, анод которого присое-: динен к входной шине, а вторая входная шина подключена к первому выводу первого резистора, отличающееся тем, что,-с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей устройства, в него введены блок сложения, два регистра, три резистора, вторие компаратор и диод, конденсатор, первый вывод которого подключен к аноду второго диода, катод которого присоединен к первой входной шине, вторая входная шина через второй резистор, по величине равный йервому, подключена, к второму выводу второго конденсатора и первому выводу второго дросселя, а второй вывод первого резистора присоединен к второму выводу первого конденсатора и первому выводу первого дросселя, а вывода первого и второго конденсаторов подключены соответственно к входам первого и второго кся«шарато-. ров, параллельно которым подключены третий и четвертый резисторы, выход первого компаратора подключен к разрешающему входу первого регистра, выход второго компаратора подключен к разрешающему входу второго регистра информационные входы одинаковых разрядов первого и второго регистров подключены к соответствующим выходным разрядньм шинам регулируемого источника постоянного напряжения, первая и вторая выходные шины которого подключены к вторилм выводам первого и второго дросселей, тактовые выходы присоединены к стробирунвдим входам компараторов, а выходные разрядные шины первого и второго регистров подключены к разрядным входам блока сложения. 2.Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что регулируемыйисточник постоянного напряжения включает счетчик импульсов, выходные разрядные шины которого соответственно подключены к выходным разрядным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, входам первого злемента И и управляющим входам цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен к выходным шинам регулируемого источника постоянного напряжения, счетный вход счетчика импульсов подключен к выходу второго элемента И и тактовым выхоам регулируеттого источника постоянного напряжения, первый вход второго элемента И присоединен к выходу генератора тактовых импульсов, а второй вход подключен к прямому выходу триггера, инверсный выход которого присоединен к установочному входу счетчика импульсов, при этом прямой вход триггера подключен к шине установочного входа триггера, а инверсный вход соединен с выходом первого элемента И..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Мартяшин А.И. и др. Преобразователи электрических параметров

для систем контроля и измерения. М., Энергия, 1976, с. 139, рис. 3.7.

2,Федоров A.M. Диодные компенсационные вольтметры. М., Стандарты, 1976, с. 12.