Универсальный цифровой интегрирующийвольтметр

Универсальный цифровой интегрирующийвольтметр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ п11838598 (61) Дополнительное, к авт. свид-ву(22) Заявлено 070979 (21) 2817689/18-21 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 150681. 5lo/lBSYeHb " 22

Дата опубликования описания 1506.81

Р1,,(„з

G 0I R 19/26

Государственный комитет.СССР по делам . изобретений н открытий (53) УДК 681. 325 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В.И.Фролов, В.А.Юрманов и М.П.Шадрин

Пензенский филиал Всесоюзного н н(сследовательфкого технологического инст приборостроен (71 ) Заявитель (54) УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ИН1ЧМЧ?НРУЮР ИИ

BOJIbTNETP, !

Изобретение относится к цифровой

:электроизмерительной те5снике и может быть использовано для измерений интегральных характеристик переменного сигнала в широком частотном диапазоне.

Известен цифровой вольтметр переменного сигнала, содержащий. преобразователь напряжения в интервал времени, четыре ключа, преобразователь код-частота,реверсивный счетчик, формирователь элементарных циклов, блок управления, арифметический узел, цифровой отсчетный 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 входами преобразователя код-частота, выход последнего соединен с сигнальными входами третьего и четвертого ключей разноименные входы реверсивного счетчика подключены к выходам последних ключей, а выход - ко входу арифметического узла, выход которого соединен 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 управляющими входами формирователя элементарных циклов третьего и четвертого ключей и арифметического узла соответствен. но выход генератора опорной частоты ! соединен с сигнальным входом второго ключа и входом де-.нтеля опорной частоты, выход котор.**ro подключен к сигнальному входу первого ключа.

Значение опорной частоты для получения высокой точности измерения необходимо выбирать значительно меньше периода T входного сигнала.

При этом погрешность измерения вольтметра в основном .определяется значением частоты на выходе преобразователя код-частота 5j . Однако создание высокочастотных подобных преобразователей является сложной техни". ческой задачей, поэтому на результат измерения большое влияние оказывает погрешность дискретности, а это обуславливает низкую точность вольтметра.

838598

Кроме гого, описанная структура не позволяет полностью использовать воэможности заложенного в ней способа н планз измерения других интегральных характеристик переменного сигнала (среднее и средневыпрямленное значения) в широком частотном диапазоне, что является недостатком вольтметра.

Цель изобретения — повышение точности иэмерения1и расширение функциональных ноэможйостей, заключающееся н дополнительной возможности измерения среднего и средневыпрямленного значений напряжений переменного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что н универсальный цифровой 15 интегрирующий вольтметр, содержащий преобразователь напряжения н интервал нремени, преобразователь кодчастота, ренерсинный счетчик, формирователь элементарных циклов, первый, gQ второй, третий и четвертый переключающие блоки, блок управления, арифметический узел,.цифровой отсчетный блок, генератор опорной частоты, при этом вход преобразователя напряжения н интервал времени соеди-, нен с шиной входного сигнала, со входомформиронателя элементарных циклов, выход последнего подключен к тактирующему входу преобразователя напряжения н интервал времени и к входу блока управления, выход которого соединен с управляющим входом формирователя элементарных циклов, а а выход преобразователя напряжения в интервал времени соединен с первыми З5 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 перного и второго переключающих 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 входом преобразователя код-частота, при этом выход. третьего переключающего блока соединен с входом счетчика,.выход последнего соединен со вторым входом gg арифметического узла, выход которого соединен с вторым входом четвертого переключающего блока, выход последнего подключен к входу цифрового отсчетного блока, причем Ы выход блока управления соединен с управляющими входами первого и второго переключающих блокон, блока совпадения кодов, а также со вторым входом триггера и с входами "сброс" реверсивного счетчика и преобразователя код-частота, сигнальный, вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, с четвертым входом третьего переключающего блока, вторым входом блока управления и входом квантования преобразователя напряжения н 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 преобразонатель

1 напряжения в интервал времени, преобразователь код-частота 2, реверсивный счетчик 3, формирователь 4 элементарных циклов, блок 5 управления, арифметический узел б1 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 н 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 управления,ныход 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 кото- рого подключен к входу блока 11 совпадения кодов и первому входу арифметического узла б, 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 К 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 управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого переключающих блоков 9, 838598

K концу второго элементарного цикла

Т h (23 в реверсивном счетчике 3 осэл тается код К „ 11,21,равный КэлC4 G КэР3 нэлС 1

f (T C<3-Тэлэ))= — „ кто х эл эл "о

По концу Тэл (2) сигналом с блока 5 управления триггер 12 устанавливают в определенное логическое состояние, а его вход вычитания реверсивного счетчика 3 продолжают подавать импульсы частотой fi . 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 сс(3= ч to о

Если К эл l11c К Г21, то по концу

Т (2) сигналом с блока 5 управления эл триггер 12 устанавливают в. определенное логическое состояние, а импульсы частотой f подают на суммирующий вход реверсивного счетчика 3. Информативный интервал времени Т (1) опре-деляется аналогичным образом.

Полученный интервал времени поступает на управляющий вход преобразователя код-частота 2, имеющего функцию преобразования вида

Ni — f

4 н k где f — частота следования импуль4 сов на выходе преобразователя код-частота 2;

К - емкость счетчиков преоб01 разователя 2;

К - код управляющего счетчика

1 преобразователя 2.

Частота 4 в течение времени Т (1) через третий переключающий блок

13 поступает в счетчик 14, код К (.1) в счетчике 14 равен

Х

4чх - f и са -тс зГ;- — ь — .

1 4 Vo-N><

Затем элементарные циклы повторяются L pan. В результате в счетчике

14 накапливается код

i4Vx f Х 2.

Й сы.—,-к — t

V, Рассмотренный алгоритм для уменьшения погрешности дискретности позволяет ввести два вида квантования (синхр™онизации) . Первый вид квантования (по частоте Гк) заполнения интервалов времени Тэл () осуществляется следующим образом. Конец Т (i) синхронизируется .с первым пришедшим после

его окончания импульсом частоты

В результате т„Г13 = т i.<3 + zt

T С +13 "Т Ci+43-ht+gg °

T„Tel T и1- mtÄ, +дФ.„, т

Т pi+()=mT- t =rnT- -1 где — текущее значение номера элементарного цикла, (i 1, 2, 3,..., n ), m u n — коэффициенты, которые выбираются из условия заданной точности измерения (n) в заданном частотном диапазоне (m),ïoñòóïàþùèå на тактирукщий вход преобразователя 1 напряжения в интервал времени (фиг.2р взято равным 1), чтобы не загромож- 40 дать рисунок) .

За первый элементарный цикл ТЭл(1) на выходе преобразователя 1 напряжения в интервал времени выделяется интервал времени Т 71) .

45 чх

ТЬз= т „СЦ, где М „ — интегральное значение входного сигнала за Тэл (11. 5О

Чо - опорное напряжение.

В течение Т Г1) импульсы частот" ной f с выхода генератора 8 опорной частоты через первый переключающий блок 9 поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 3, в результате 55 код К эл j1) в счетчике Равен т 11к ч элi-4 к. о

За второй элементарный цикл Т л 2 в течение Т $2) через второй перек- ф) лючающий блок 10 на вычитающий вход реверсивного счетчика 3 поступит число импульсов элТ21=Т Т211„TýëÑ23 fK

Чо

10,13 и 15, блока 11 совпадения кодов и арифметического узла б, а также со вторым входом триггера 12 и входами "сброс" реверсивного счетчика 3 и преобразователя код-частота 2, сигнальный вход которого соеди- 5 нен с выходом генератора 8 опорной частоты, со вторыми сигнальными входами первого второго и третьего переключающих блоков 9,10 и 13,,входом блока 5 управления и входом квантования преобразователя 1 напряжения в интервал времени, выход которого соединен с входом блока 5 управления.

На фиг. 2 показаны форма 16 входного сигнала, импульсы 17, поступа- t5 ющие на тактирующий вход преобразователя 1 напряжения в интервал времени, изменение кода в реверсивном счетчике 3 — 18, импульсы 19 линей.но изменяющейся частоты с выхода 20 преобразователя код-частота, Работает вольтметр следующим образом.

В режиме измерения действующего значения напряжения формирователь

4 элементарных циклов по сигналу с блока 5 управления вырабатывает элементарные циклы Tg>

Т )=мТ =m7+ — „ т

ЗО

838898 где Т f1J — квантованный интервал времени;

ht — интервал времени между концом Т „ (1) и первым пришедшим импульсом частоты

Е (д,с,=- ), отсюда 7- „т С 5=т С15+аЪ.+,2 т С!.15-и, +dt., К i-1

= ИТ Г131atÄ

Таким образом значение сумиы любого числа квантованных интервалов времени Т „ (1) отличется от истинного не более чем на t„, Рассмотрим второй вид квантования по частоте f4 заполнения интервалов времени Т Е!» . При списывании кода йЭ„ (i,i+i) в реверсивном счетчике 3 ймпульсами частотой fq конец информативного интервала времени

Т Е!)определяют по первому пришедшему импульсу частоты Е4 после выполнения условия Нэл (!,!+1) =0 (фиг.2, 25 т.т., ):

В результате списанный код равен

М Е!3 ТС1И АСЬ ЙЭАС15 6к

° 1 ° ° \ °

N Ci3 = N Ci5 — hi1. -! дй.

3h 1-1 30

° ° эл " 5 1! -1

ht =t

35 отсюда ! а „Н Ci5«N L15+hN +V- М Ci5 dN +dN = эл эл !-1 4 !

«-1 1=1

40 .эл" где ANi . по эквивалентному значению не превосходит 14= - . Таким об1

4 разом, введение операций квантования позволяет при тех же требованиях к преобразователю код-частота 2 уменьшить относительную погрешность дискретности в L раз. После получения кода N (l» s счетчике 14 осуществляют сдвиг элементарных циклов на 50 время t, а также предустанавливают управляющий счетчик преобразователя код-частота 2, тем саь 4м подготавливая его к новому циклу работы, после этого повторяют описанные операции. В результате в счетчике 14 накапливается код и hvx2Хtp У2ди "

is< Vp о1 Vo "о1 =1 который, как и в известном устройстве,поступает в арифметический узел

6, осуществляющий нормирование и из- g5 влечение квадратного корня. В цифровой отсчетный блок 7 поступает код

Г! и н, . „-", "и . ° где к — коэффициент пропорциональнос. ти 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 С g = rn T+ t, и где m T.Q V

;«, х, код !пропорциональный интегральному значению входного сигнала

И за m ° n периодов Т, 4p+ Vy — код, пропорциональный средневыпрямленному значению входного сигнала.

Во втором также на тактирующий вход преобразователя 1 напряжения в интервал времени подаются элементар- ные циклы

Г „Ci5 « AT

На выходе преобразователя 1 напряжения в интервал времени выделяются интервалы времени

Vx ! С15« mT

I о в течение которых импульсы частотой

fg через второй переключающий блок

10 поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 3. За и элементарных циклов в реверсивном счетчике

3 останется код

И1ТИ tp И

М = - — zV4- — ZV!

СЬ СЬ V,., Х У„;«, "

Этот код поступает в арифметический узел б,.осуществляющий нормирование, В результате через четвертый переключающий блок 15 в цифровой отсчетный блок 7 поступает код

1 и нсь= к,h Е Ух;, <=1 поступающие на тактирующий вход преобразователя 1 напряжения в интервал времени. На выходе преобразователя 1 напряжения в интервал времени выделяются интервалы времени ! ЧХj тС 5= T Г!3 !

V эл

В течение каждого Т! 1» импульсы частотой f с выхода генератора 8 опорной частоты через первый пе-. реключающий блок 9 поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 3. За и элементарных циклов в реверсивном счетчике 3 накапливается код и И Vx т и Е 23

М = Š— Т С 5Е « Y, V +-х- -и V,, сь. y эл к. (, х! (м„ о О 1=! о

838598 где К вЂ” коэффициейт пропорциональности, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения входного сигнала.

В режиме измерения среднего значения напряжения информация,соответствующая положительной полуволне входного сигнала, через первый переключающий блок 9 поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 3, а информация, соответствующая отрицательной полуволне через второй переключакщий блок 10 — на вычитающий вход реверсивного счетчика 3. В результате в реверсивном счетчике 3 на-. капливается код

И/ И )(И и = " T с )2 т ci> =-Х V„,, с,р. к;,ч з; ч э v,<,::, "

И/2 где у - ;3 — информация за

<=4 положительную полуволну входного и сигнала;

X У ;Т „ ) — информация за отри =И/< цательную полуволну входного сигнала; элС = Т ъо — элементарный цикл

Этот код поступает в арифметический узел б, осуществляющий нормирование

В результате через четвертый переключающий блок 15 в цифровой отсчетный блок 7 поступает код

И

И к ЕЧ пропорциональный среднему значению напряжения входного сигнала.

Таким образом, предлагаемое устройство помимо более широких чем у известного устройства функциональных возможностей имеет погрешность дискретности в раз меньше, что обуславливает его более высокую точность

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; цифровой отсчетный блок, генератор опорной частоты, при этом 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 первыми 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

i5 блока управления, который также соединен с первыми входами арифметичес. кого узла и четвертого переключающего блока,отличающийся тем, что, с целью повышения точности

Щ 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 входом преобразователя код-частота, при этом выход третьего переключающего блока соединен с входом счетчика, выход

З последнего соединен со вторым входом арифметического узла, выход которого соединен со вторым входом четвертого переключающего блока, выход последнего подключен к входу цифрового

Щ 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.,-ения и входом квантования преобразователя напряжения в интервал времени, выход кото. рого соединен с третьим входом блока управления.

55 Источники. информации, .принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2600402, 31.10.78.

В3В5ЭЕ

Фиг. / () г

Фиг; 2

Составитель Л.Беляева

Редактор H.Петрова Техред A. Савка Корректор С.Шекмар

Заказ 4420/68 Тираж 732 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035,Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4