Способ измерения среднего значения периодических сигналов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51) 4 С 01 R 19/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Х, + Х, + X„

3 ) Х, Xg+ X9 сР 2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3763015/24-21 (22) 29.06.84 (46) 15. 01. 86. Бюл. № 2, (71) Ордена Ленина институт проблем управления (72) В.С.Попов и Е.В.Шумаров ($3) 621.317.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 209584, кл. G 01 R 19/00, 1966.

Гутников В.С. Оптимальная помехоподавляющая весовая функция. — Метрология, 1983, № 12, с. 6-12. (5 43 (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО

ЗНАЧЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, заключающийся в том, что на заданном . интервале измерения через равные промежутки времени производят выборки мгновенных значений измеряемого сигнала, умножают их на соответствующие значения формируемой весовой функции, результаты умножений суммируют и по окончании интервала изме рения результат суммирования запоминают, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона измерений, дополнительно производят второе и третье измерения, причем частоты выборки мгновенных значений измеряемого сигнала первого, второго и третьего измерений устанавливают разными, а искомое среднее значение измеряемого сигнала определяют путем сравнения результатов измерений и их выборочного усреднения в соответствии со следующими выражениями: если выполняется не менее двух из следующих условий: а Х ф д ф Х >

Ьз (Х6 х, + х, 2 если выполняются условия: д, Х, 62.> XE) 3) Е» если-выполняются условия д, > Х аэ Х, д « > Х

Xl + x3 Р 2 ) если выдолняются условия д Х е Р1 д >Х д <Х где Х вЂ” искомое среднее

sначение, Х, Х, Х вЂ” результаты трех измерений;

Š— заданная установка, . д,=/х, -х,/;

= /x — ° «/; д« /X(X«/

1205036

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при построении аппаратуры, измеряющей среднее значение периодй" ческих сигналов, а также другие интегральные характеристики периодических сигналов (среднее по модулю и действующее значения, активную и реактивную мощность).

Целью изобретения является расширение частотного диапазона измеряемых сигналов за счет увеличения верхней границы диапазона частот измеряемых сигналов.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 — функциональная схема арифметико-логического блока;

Ф на фиг. 3 — функциональная схема блока управления; на фиг. 4 — зависимость абсолютной погрешности одного измерения от частоты переменной

Ч составляющей входного сигнала; на фиг. 5 — зависимости абсолютных погрешностей трех измерений от частоты переменной составляющей входного сигнала.

Устройство для реализации пред лагаемого способа содержит дискретизатор 1, вход которого является входом устройства, а выход подключен к первому входу умножителя 2, выход которбго через сумматор 3 подключен к первому входу арифметико-логического блока 4, выход которого являе гся выходом устройства, генераторы

5, 6 и 7 тактовой частоты, выходы которых подключены к входам ключей

8, 9 и 10 соответственно, выходы ко.торых объецинены и подключены к управляющим входам дискретизатора

1, генератора 11 весовой функции ,и входу блока 12 управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к второму, третьему, четвертому и пятому входам блока 4, пятый выход блока 1I2 подключен к входам установки в нуль сумматора 3 и генератора 11, шестой, седьмой и восьмой выходы блока 12 подключены к управляющим входам ключей 8, 9 и 10 соответственно, выход генератора

11 соединен со вторым входом умножителя 2.

Арифметико-логический олок 4 содержит элементы 13-15 выборки и запоминания, входы которых объединены и обра1

18, а выхоц — с. первым входом сумма3 тора 33, вход ключа 31 соединен с

5

Z0 зуют первый вход блока, элемент 16 выборки и запоминания, причем выходы элементов 13, 14 и 15 подключены к первым входам элементов 17, 18 и 19 вычитания соответственно, выходы элементов 17, 18 и 19 подключены к первым входам элементов 23, 24 и

25 сравнения через формирователи

20, 21 и 22 модуля соответственно, вторые входы элементов 23, 24 и 25 объединены и подключены к источнику уставки, выход элемента 24 соединен с первым входом элемента И 26 и вторым входом элемента И 27, выход элемента 23 соединен с первым входом элемента И. 27 и вторым входом элемента И 28, выход элемента 25 соединен с вторым входом элемента

И 26 и первым входом элемента И 28, выход элемента И 26 подключен к первому входу элемента ИЛИ 29 и к управляющему входу ключа 30, выход элемента И 27 подключен к второму входу элемента ИЛИ 29 и к управляющему входу ключа 3 1, выход элемента И 28 подключен к третьему входу элемента

ИЛИ 29 и к управляющему входу ключа

32, вход ключа 30 соединен с выходом элемента 15 и вторым входом элемента выходом элемента 14 и вторым входом элемента 17, а выход — с вторым входом сумматора 33, вход ключа 32 соединен с выходом элемента 13 и вторым входом элемента 19, а выход—

r .третьим входом сумматора 33, выход которого через последовательно соединенные регулируемый усилитель 34 и элемент 16 подключен к выходу блока, управляющий вход усилителя 34 подключен к выходу элемента ИЛИ 29, управляющие входы элементов 13, 14, 15 и 16 образуют соответственно втоРой, третий, четвертый и пятый входы блока.

Блок 12 управления содержит счетчик 35, счетный вход которого является входом блока, а выход подключен к входу установки в "1" триггера

36, прямой выход которого подключен к входу уст:новки в "1" триггера 37, а инверсный — к первому входу элемента И 38, инверсный выход триггера

37 соединен с вторыми входами элементов И 38 и 39, первый вход элемента И 40 подключен K инверсному выходу триггера 36, второй вход — к прямому выходу триггера 37, первый вход элемента И 39 соединен с прямым

1205036 х,+х, ср 2 о если выполняются условия Ь Х 2 ™ ь д y xgj (2) выходом триггера 36, выходы элемен— тов И 38, 39 и 40 образуют соответственно шестой, седьмой и восьмой выходы блока и подключены к первым входам элементов И 41, 42 и 4 соответственно, первый и второй входы элемента И 44 соединены с прямыми выходами триггеров 36 и 37 соответственно, вход элемента 45 задержки соединен с вторыми входами элементов

И 41, 42 и 43 с входом обнуления счетчика 35 и выходом элемента 46 задержки, вход элемента 46 подключен к выходу счетчика 35, выход элемента И 44 подключен к входам обнуления триггеров 36 и 37 и входу элемента 47 задержки, выходы элементов 41, 42, 43, 47 и 45 образуют соответственно первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы блока

Предлагаемый способ заключается в том, что на интервале первого измерения через равные промежутки времени производят N выборок мгновенных значений измеряемого сигнала . <

U«,. Синхронно выборкам формируют значения весовой функции Пв . Значения U»; и U перемножают, полученные результаты суммируют. По окончании интервала измерения фиксируют результат суммирования. Таким образом, формируется результат первого измерения и

Х4 = K US, ;Us@,.

<-!

Затем производят второе и третье измерения, алгоритм которых аналогичен алгоритму первого. Частоты выбо-! рок значений измеряемого сигнала устанавливают различными.

Искомое среднее значение измеряемого сигнала Х, определяют путем сравнения результатов трех измерений Х<, Хд и Х и их выборочного усреднения в соответствии с следующими выражениями:

Х j + xzx 3

3 если выполняется не менее двух из следующих условий: Д< » Хе д2 Хе

Х + Х

2 (3) если выполняются условия Д< Х д2 ХЕ ьэ ) E/

Х Х<+ Х9 . ХcPP (4) если выполняются условия Х

1(е

X где Хв — заданная установка, l Х< — Х

2 <Х2 Х I з Х! XS I°.

Устройство для реализации способа работает следующим образом.

- 4

Измеряемое напряжение U в„() поступает на вход дискретизатора 1, который осуществляет выборку его мгновенных значений Ug в моменты времени, определяемые приходом им— пульсов тактовой частоты f . Полученные значения U поступают на

1 первый вход умножителя 2, на второй вход которого с генератора 11 весовой функции поступает сигнал весовой функции U .. В сумматоре 3 накаплив вается конечная сумма М произведений U „íà Пв,в, 30

U» U, . (5) IJ

<=1

Максимальная абсолютная погрешность измерения Ь в этом случае определяется амплитудой П и часто— а той f переменной составляющей входного сигнала, а также спектральной характеристикой весовой функции.

Для определения среднего значения периодического сигнала используем, например, весовую функцию ДольфаЧебышева, поскольку она обеспечивает максимальный диапазон рабочих частот при заданной погрешности измерения. В этом случае зависимость

45 модуля Д„ от частоты f„ èìååò вид, представленный на фиг. 4, где f è

f8 обозначают соответственно нижнюю и верхнюю границы рабочего диапазона частот, за пределами которого погреш50 ность измерения по абсолютному значению превышает заданный уровень

Л... который определяет предельную погрешность одного измерения, при ем fâ fT fí

55 Согласно предлагаемому способу осуществляются три последовательных измерения, результаты которых Х,, Х, Х выборочно усредняются согласно

205036 Ь

Т

f т, т, Совпадение этих областей для пер.вого и второго, а также второго и третьего измерений имеет место на более высокой частоте, поскольку

:для этих случаев коэффициент К имеет большее значение.

Таким образом, на любой частоте

I в диапазоне частот от f = f до

1 н Нг (K + 1) f т — f погрешности н как минимум двух измерений из трех не превышают по модулю ь . Поскольго ку знак погрешности каждого измерения при изменении частоты изменяет= ся, при последующем выборочном усреднении уставка Х устанавливается равной 2 6,О. Предлагаемое выборочное усреднение результатов трех измерений по формулам (1)-(4) исключает результат измерения, содержащий повышенную абсолютную погрешность. В худшем случае в указанном диапазоне частот может иметь место частота, для которой погрешности

5 1 выражениям (1)-(4) в арифметико-логическом блоке 4. Каждое измерение проводится с использованием своей тактовой частоты fT, fT u fT соотТг» ветственно. Выбор тактовой частоты осуществляется блоком 12 управления, который в течение каждого измерения отпирает последовательно один из ключей 8, 9 или 10. Зависимости модуля максимальной абсолютной погрешности измерения от частоты f для этих трех измерений при Йт, > тт > г тг т» представлены на фиг. 5. Тактовые частоты выбираются из следующих неравенств:

ft - т я н

Ъ2 Т!

1 г >

fò — fт н fí г 2 »

В этом случае области частот, в которых погрешности измерений превышают некоторое значение А, для первого, второго и третьего измерений разнесены. Совпадение этих областей для первого и третьего измерений имеет место при частоre> равной

К К = (К+ 1)f„ гце К вЂ” коэффициент, характеризующий относительное увеличение верхней рабочей частоты и равный двух измерений равны дг, а погрешность одного измерения равна 3 ь о, При выбранной уставке все три результата участвуют в формировании результата измерения искомого среднего значения по формуле (1), погрешность измерения которого равна л гО+ Ьго + Зуго 5

3 3

Арифметико-логический блок 4 . работает следующим образом.

Результаты трех измерений, запомненные элементами 13-15 выборки

15 и запоминания попарно вычитаются на элементах 17-19 вычитания. Формирователи 20, 21, 22 модуля выделяют абсолютные значения разностей

Ь, которые сравниваются

20 с уставкой Х на элементах 23, 24, 25 сравнения. Если выполняется не менее двух из следующих неравенств:

Ь вЂ” Хе, 616 Хеь ь» — Х, то на выходе элементов 23, 24, 25 сравнения

25. формируются сигналы низкого уровня которые через элементы И 2б, 27, 28 открывают ключи 30, 31, 32 и через элемент ИЛИ 29 устанавливают коэффициент передачи усилителя 34 равным

30 1/3 В результате -гн ы Х„Х„

Х» через ключи 30, 31, 32 поступают на сумматор 33, суммируются, умножаются на коэффициент 1/3 и запоминаются на элементе 1б выборки и sano3>r минания. Если только одна из величин,,, h. з не превышает Х г. то сигнал низкого уровня формируется на выхоце лишь одного элемента сравнения в результате чего открыва1 ются только два ключа из трех и элемент ИЛИ 29 переходит в противоположное состояние, устанавливая коэффициент передачи усилителя 34 равным 1/2. В этом случае суммируют4 ся лишь два результата измерений из трех Х,, Х, Х, которые затем умножаются на коэффициент 1/2 и запоминаются элементом 1б выборки и sanoминания.

Блок 12 управления работает следующим образом.

Предположим, что счетчик 35 и триггеры 3б, 37 находятся в нулевом состоянии (другое исходное состояние указанных элементов влияет лишь на переходный процесс после включения питания и не отражается на установившемся режиме работы). При этом

t 205036

К х=К и „,(v, =1

Х сигналы высокого уровня с инверсных выходов триггеров 36, 37 через элемент И 38 открывают ключ 8. Сигналы,низкого уровня на выходе элементов

И 39, 40 закрывают ключи 9, 10. Импульсы от генератора 5 тактовых импульсов через открытый ключ 8 поступают на управляющий вход дискретизатора 1, который осуществляет выборку мгновенных значений измеряемого напряжения, на управляющий вход генератора 11 весовой функции, который вырабатывает сигналы весовой функции, на счетный вход счетчика 35. Емкость счетчика 35 соответствует требуемому объему выборки N. После прохождения на вход счетчика 35 N импульсов на

его выходе формируется перепад напряжения, который переводит триггер

36 в единичное состояние. В результате на выходе элемента И 38 формируется сигнал низкого уровня, закрывающий ключ 8, а на выходе элемента

И 39 — сигнал высокого уровня, открывающий ключ 9. Перепад напряжения с выхода счетчика 35 через элемент

46 задержки (время задержки превьппает сумму задержек срабатывания триг:гера и элемента И) поступает на

3 вход обнуления счетчика 35; через элемент И 42 на управляющий вход

t элемента 14 выборки -".. запоминания, «который осуществляет запоминание первого результата измерения Х, через элемент 45 задержки (время задержки превышает сумму задержек срабатывания элементов И и выборки и запоМинания) на входы установки в нулевое состояние сумматора 3 и генератора ii весовой функции. Так заканчивается формирование первого результата измерения Х .

После поступления на вход счетчика 35 еще двух серий из N импульсов аналогично формируются еще два результата измерений Ху, Х» которые запоминаются в элементах 15 и

13 выборки и запоминания. Окончание третьего измерения соответствует переходу триггеров 36, 37 в единичное состояние, в результате чего на выходе элемента И 44 формируется сигнал высокого уровня, который возвращает триггеры 361 37 в ну— левое состояние и через элемент 47 задержки поступает на управляющий вход элемента 16 выборки и запоминания. Время задержки выбирается больше времени задержки формирования результата измерения Х в ариф15 метико-логическом устройстве.

Предлагаемый способ измерения среднего значения периодических сигналов обеспечивает существенное увеличение верхней границы диапазо20 на рабочих частот измеряемого сигнала при неизменной его нижней границе.

Способ может быть использован для измерения не только среднего значения периодических сигналов, но и других интегральных характеристик периодических сигналов. При этом результаты каждого из трех измерений определяют не по формуле

ЗО (5), а по следующим формулам: при измерении среднего по модулю значения периодических сигналов; при измерении действующего значения

4 периодических сигналов;

Х=KU62 l.,ц при измерении активной мощности.

Далее следует произвести выборочное усреднение по формулам (1)-(4).

1205036

/ а д с а

ОГп chroia упра арлекин

АгР а

120503á

На аририетяо- логический блан! 20503б

Уу Ь 1)/ д

Составители С Рыбин

Редактор И.Рыбченко ехред Л„!!икеда

Г

Корректор С. Б! екмар

Заказ 8581 Тираж 747 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб,, д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4