Цифровой измеритель напряжения

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в системах, подвергающихся воздействию помех. Цель изобретения - повьшение точности измерения и помехозащищенности при одновременном упрощении структуры устройства . Измеритель содержит переключатель 1, преобразователь 6 напряжения в частоту, ключ 7 счета, счетчик 8 импульсов, формирователь 9 периода питающей сети и блок 10 управления. Введение в устройство переключателя 2, усилителя 3, дифференциального интегратора 4, блока 5 выборки и хранения и соединение их с элементами устройства позволяет за счет использования весового усреднения обеспечить коэффициент помехозащищенности выше 100 дБ. Предельно достижимая точность преобразования ограничена лишь стабильностью площади импульсов преобразователя 6 напряжения в частоту и, следовательно, может быть очень высокой . 1 з.п. ф-лы, 3 ил. § (Л Ьф СО О)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3822600/24-21 (22) 10. 12 .84 (46) 23.06.86. Бюл. № 23 (71) Азербайджанский институт нефти и химии им. M. Азизбекова (72) Т.М. Алиев, А.M. Шекиханов и Х.А. Исмайлов (53) 621.3 17.322(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 365036, кл. H 03 К 13/20, 1971.

Авторское свидетельство СССР

¹ 636541, кл. G 01 R 13/02, 1974. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может бытЬ использовано в системах, подвергающихся воздействию помех. Цель изобретения — повьппение точности измерения и помехозащищенности при од„„SU„„1239606 А 1 новременном упрощении структуры устройства. Измеритель содержит переклю. чатель 1, преобразователь 6 напряжения в частоту, ключ 7 счета, счетчик

8 импульсов, формирователь 9 периода питающей сети и блок 10 управления.

Введение в устройство переключателя

2, усилителя 3, дифференциального интегратора 4, блока 5 выборки и хранения и соединение их с элементами устройства позволяет за счет использования весового усреднения обеспечить коэффициент помехозащищенности вьппе

100 дБ. Предельно достижимая точность преобразования ограничена лишь стабильностью площади импульсов преобразователя 6 напряжения в частоту и, следовательно, может быть очень высокой ° 1 3 ° п, ф лы 3 ил

1 123

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может найти применение в системах, подвергающихся воздействию помех.

Цель изобретения — повышение точности и помехозащищенности при одновременном упрощении структуры измерителя.

На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового измерителя; на фиг.2временные диаграммы работы блока управления; на фиг. 3 — весовая функция, измеряемое входное напряжение с помехой и выходной сигнал преобразователя напряжения в частоту.

Цифровой измеритель напряжения содержит первый и второй переключатели

1 и 2, усилитель 3 с изменяемым коэффициентом передачи, дифференциальный интегратор 4, блок 5 выборки и хранения, преобразователь 6 напряжения в частоту (ПНЧ), ключ 7 счета, счетчик

8 импульсов, формирователь 9 периода питающей сети, блок 10 управления, который состоит из счетных триггеров 11 и 12 и логических элементов ИЛИ-НЕ 13 и И 14.

Входной сигнал х через первый вход переключателя 1 подается на усилитель 3 с изменяемым коэффициентом передачи, выход которого через второй переключатель 2 соединяется с входами дифференциального интегратора 4.

Выход интегратора 4 через блок 5 выборки и хранения соединяется с входом ПНЧ 6, выход которого через ключ соединен с входом счетчика 8 импульсов. Выход ПНЧ 6 соединен с вторым вхоцом переключателя 1 ° Управляющие входы переключателей 1 и 2, ключа 7 и блока 5 выборки и хранения соединены с первым выходом блока 10 управле. ния, второй и третий выходы которого соединены соответственно с входом ус тановки в "0" счетчика 8 импульсов, с управляющими входами усилителя 3.

Вход блока 10 управления соединен с . выходом формирователя 9 периода питающей сети, вход которого соединен с шиной питающего напряжения U .

Выходной сигнал формирователя 9 подается на входы счетного триггера

11 и элемента ИЛИ-НЕ l3. Сигнал с выхода элемента ИЛИ-НЕ 13 подается на счетный триггер 12, инверсный выход которого соединен с первым входом элемента И 14. На другой вход элемента И 14 подается сигнал с выхода зле. мента ИЛИ-НЕ 13. Прямой выход триг9606 2 гера 12 выход элемента И14 и прямой

:выход триггера !1 являются первым, вторым и третьим выходами блока 10 управления соответственно.

В новой модификации метода итерационной коррекции в отличие от известных итерационных структур повыше» ние точности устройства достигается без использования преобразователя

10 код — напряжение (ПКН), что позволяет исключить основной источник погрешностей измерений.

Для обеспечения высокого,îýôôèциента помехоподавления (порядка

100-120 дБ) наиболее перспективным является метод весового интегрирования, в котором измеряемый входной сигнал (смесь постоянной составляю- . щей и помехи) умножается на весовую

20 функцию заданного вида и затем интегрируется

Y = g(t) xdt, (1)

1 о

25 где p(t) — весовая функция; х — измеряемый входной сигнал (с помехой);

S =J g(t)dt — вольт-секундная площадь весовой функции (обыч30 но равна единице).

Такая модификация метода интегрирования позволяет существенно повысить помехозащищенность, обеспечивая коэффициент помехоподавления !00 дБ и выше при отклонениях частоты помехи от номинального значения на 1-27..

При практической реализации весовых функций предпочтение отдают ступенчатым весовым функциям., как наиболее просто реализуемым. Одной из таких весовых функций является весовая функция (фиг. 3), принимающая через каждые полпериода помехи (0,5 Тп) последовательные значения 1-3-3-1.

Использование такой весовой функции обеспечивает коэффициент помехоподавления свыше 110 дБ при отклонениях частоты сети 1_#_.

В предлагаемом цифровом измерителе напряжения весовому интегриро>0 ванию подвергается как входной измеряемый сигнал, так и замещающий сигн:ал ПНЧ, что позволяет повышать помехозащищенность при одновременном исключении систематических погрешнос тей устройства. При этом для реализации весовой функции использован обычный масштабирующий усилитель, коэффи циент передачи которого по сигналу где х

g(t)

f (õà)

Т=2Т р начальное напряжение дифференциального интегратора; весовая функция, вырабатываемая усилителем 3> выходной сигнал ПНЧ 6 длительность интервала ин- тегрирования;

55 мультипликативная и аддитивная погрешности измерительного тракта. з 1?39 блока управления программно изменяет. ся через каждые 0,5 Тп по закону

1-3-3-1. С этой целью блок управления вырабатывает следующие сигналы.

В исходном cocTQHHHH триггеры 11 и 12 сброшены в ноль. В течение всего первого полупериода коэффициент передачи усилителя 3 равен единице, по заднему фронту импульса формирователя 9 (фиг. 2, график 2, первый им- 10 пульс) триггер 11 устанавливается в

"1", переключая коэффициент передачи усилителя 3, который теперь равен трем. Это значение сохраняется .в течение второй и третьей полуволн сетевого напряжения. В момент завершения третьего полупериода задний фронт импульса формирователя 9 (фиг. 2; график 2, второй импульс) сбросит триггер 11 в "О", вследствие чего коэффициент передачи усилителя 3 вновь ста. нет равным единице.

Счетный триггер 12 через каждые.

2 Т„ (четыре полупериода) перебрасывается, синхронно коммутируя переклю- 25 чатели 1 и 2 и управляя ключом счета

7 и блоком 5 выборки и хранения.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчик 8 импульсов сброшен в ноль, в блоке 5 выборки и хранения записано напряжение с выхода дифференциального интегратора 4..

Работа устройства осуществляется циклически (итерационно), при этом каждый цикл всегда состоит из следующих двух тактов.

В первом такте переключатели 1 и

2 установлены в верхнее по схеме положение (положение b ). Выходной сиг40 нал ПНЧ 6 через усилитель 3 поступает на вычитающий вход дифференциального интегратора 4, где интегрируется и вычитается из начального напряжения интегратора .т (((+ x } f g(t) ((x ) dt+I) а

606 4

Одновременно с работой интегратора в течение всего первого такта выходная частота ПНЧ 6 через ключ 7 поступает и подсчитывается счетчиком

8 импульсов.

Во втором такте по сигналу блока управления переключатели 1 и 2 переводятся в нижнее по схеме положение (положение а ), ключ 7 заперт.

Входной измеряемый сигнал Х через усилитель 3 поступает на суммирующий вход дифференциального интегратора 4, где интегрируется и суммируется с содержи(чым интегратора т х,=х — (()+x) f d(t) f(x ) dt + lb) +

Т

+ ((1 +ы )f g(t) xdt +P) . о

Отсюда непосредственно получаем

Т х, =х -(1+ ) / g(t) f(x,) dt + о

+ (1 +ы) (g(t) xdt, (2) о т.е. аддитивная погрешность корректируется после первой итерации. Выходное напряжение дифференциального интегратора в течение всего второго такта переписывается в блок 5 выборки и хранения. Это напряжение (х,) является новым улучшенным приближением. На выходе ПНЧ 6 получаем новое значение частоты f(z,). Счетчик 8 сброшен в ноль импульсом с выхода блока 10 управления. На этом первая . итерация заканчивается, аналогично осуществляется вторая итерация.

В первом:такте переключатели 1 и

2 — в верхнем положении. Выходной сигнал ПНЧ Е(х ) через усилитель 3 посту)пает на вычитающий вход дифференциально. го интегратора 4,где интегрируется и вычитается из х .

Х,-(((+ rc)| )(t)k(t ) >(< ))) о

Одновременно с работой интегратора в течение всего первого такта счетчик 8 импульсов подсчитывает имчтульсы ПНЧ 6.

Во втором такте по сигналу блока

10 управления переключатели 1 и 2 переводятся в нижнее по схеме положение. Входной измеряемый сигнал х че1 рез усилитель 3 поступает на суммирую» À вход дифференциального интеграто1239606

* ра и суммируется с содержимым интегратора т т

x,= x,- j(1 4) / (4) ((х l d t i (tj t j (i rc) j ) (t) x il t ° ft) о а

Отсюда получаем выражение для второго скорректированного результата

2 т Т х,=х,-(1 el)j)(tl((x)dt+(I tc)j ) (tl xdt (3)

Полученное второе приближение х по окончании второго такта записывается в блок 5" выборки и хранения, благодаря чему на выходе ПНЧ 6 получаем новое уточненное значение часто- 2О ,ты Г(х ). (На этом вторая итерация заканчивается. х

Аналогично осуществляются и все последующие итерации. Через и итераций, как следует из выражений (2) и „ (3), получаем

ЗО

Х„„=Х„-(1 x)jg(t)((x,)dtt(tx xt) /)(tl xdt. <4) о о

С ростом числа итераций выходное напряжение x„ все ближе подходит к

35 своему установившемуся значению х,„ а выходная частота ПНЧ 6 f(x ) стремится к истинному значению f(x<). В установившемся режиме выходная вели4О чина интегратора 4 (и всего устройства в целом) от итерации к итерации не изменяется. Это означает, что отрицательное приращение интегратора 4 в первом такте в точности равно по45 ложительному приращению во втором такте т т

<1 a) j (t)((xx)dt=(1t X) J)(tl x(t), <5> а

50 из соотношения (5) непосредственно следует, что мультипликативная погрешность ()<, полностью корректируется и не оказывает влияния на результирующую точность т т

/1(4)((Х ) 4 / (4) х,<4 <е> о о

Интеграл в левой части (б) есть вольт-секундная площадь ПНЧ (фиг. 3) и равен f„, л S J g(t) dt (дБ — площадь одного импульса ПНЧ). Таким образом, выражение (5) принимает вид т т

< .4 S j e

Из полученного выражения получаем окончательное соотношение для выходной частоты ПНЧ f в установив+ шемся режиме.

1 1

58 S(I

g(t) xdt (7) Формула изобретения

1. Цифровой измеритель напряжения, ссдержащий первый переключатель, первый неподвижный контакт которого соединен с входной шиной, преобразователь напряжения в частоту, выход которого через ключ соединен с счетчиком импульсов, формирователь периода питающей сети, вход которого соединен с шиной питающей сети, а выход с входом блока управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с управляющим входом первого переключателя и входом установки в "0" счетчика импульсов, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и помехозащиzäÿ S =J g(t) dt с .

Сравнивая выражения (7) и (1), можно сделать вывод что выходная

У частота ПНЧ f равна искомому усредненному значению входной измеряемой величины, Как следует из (6), аддитивная и мультипликативная погрешности предложенного устройства корректируются и:не оказывают влияния на точность преобразования. Предельно достижимая точность в предлагаемом устройстве ограничена лишь стабильностью площади импульсо:в ПНЧ 6 (ЬБ в (7)), а следовательно, может быть сделана очень высокой. В известном устройстве предельная точность ограничена точностью

ЦАП и поэтому является низкой.

Коэффлциент помехоподавления в предложе.нном устройстве благодаря использованию весового усреднения т(ревышает 100 дБ, что значительно выше, чем в известном устройстве (60-80 дБ)..7 1239б06 8 щенности при одновременном упрощении управления, третий выход которого соструктуры измерителя, введены усили- единен с управляющим входом усилителя тель с изменяемым ко фф оэффициентом пере- с изменяемым коэффициентом передачи. дачи, второй переключатель, дифферен-, 2. Измеритель по и. 1 о т л и— ль циальныи интегратор, блок выборки и ч а ю шийся тем, что блок управхранения выхо кот д орого соединен с ления содержит два триггера, элемент входом преобразователя напряжения в ИЛИ-HE и элемент И, первый вход коточастоту, а вход " с выхо ом одом дифферен- рого подключен к инверсному выходу циального интег ато а вхо р р, ды которо- второго триггера, второй вход подклюго соединены с неподвижными контакта- i0 чен к выходу. элемента ИЛИ-НЕ и к ми второго переключателя, подвижный счетному входу второго триггера, пряконтакт которого сое нен с ди выходом мои выход которого соединен с первым усилителя с изменяемым коэффициентом выходом бл лоха управления, к входу

У передачи вход кото ого р соединен с блока-управления подключены соединен. подвижным контактом первого переклю- 5 ные счетн ыи вход первого триггера и

-чателя, второй неподвижный контакт первый вход элемента ИЛИ-НЕ, второй оторого соединен с выходом преобра вход которого подключен к прямо ,ователя напряжения в частоту, причем выходу первого первого триггера и третьему управляющие входы второго переключа теля, блока выборки и хранения и клювыходу блока управления с вто ым

У орым входом управления соединен выход элеча соединены с первым выходом блока б Ъ|х11

Р В66.U д Вых12 Иу

Р Вы 12 2 ж Ви1

1239б()6 х, )7омелп

Изм. nocm. напряжения

1/у t,c

Составитель А. Заборня

Техред О.Сопко Корректор И. Муска

Редактор Л. Гратилло

Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3390/44

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4