Измеритель среднего значения переменного напряжения низкой частоты

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения знакопеременного напряжения. Цель изобретения - повьшение точности измере- .ния. Устройство содержит усилитель 1, формирователь 2, ключи 3, 4 и 8, генератор 5 линейно изменяющегося напряжения , тактовый генератор 6, делитель 7 частоты, счетчики 9,14 и 15 импульсов , нуль-орган 10, триггер 11, элемент 12 задержки, цифровой компаратор 13, элементы ИЛИ 16 и 17. При предложенном составе блоков и их функциональных связях шаг Н интегрирования всегда кратен периоду Т измеряемого напряжения, т.е. Н Т/2 п, где п - коэффициент деления делителя частоты. Устройство значительно повышает точность измерения среднего значения напряжения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. i (Л Jbaf neptnytHf. emafoaSHi

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (59 4 G 01 R 19 25

3Г

ВСЕСЯ1Р" > "f

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К AST0PCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

13, .И НИНТ А

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР . ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3821015/24-21 (22) 03. 12. 84, (46) 07.07.86. Бюл. Ф 25 (7 1) Харьковский инженерно-строительный институт (72) В.А. Добрыдень и Г.М, Чекалин (53) 621.317. 7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 785771, кл. G 01 R 19/00," 23.01.79.

Авторское свидетельство СССР

У 199995, кл. С 01 R 19/25, 1967. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ

ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НИЗКОЙ ЧАСТО-

ТЫ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения зна- .

„„SU„„1242843 А 1 копеременного напряжения. Цель изобретения — повышение точности измерения. Устройство содержит усилитель 1, формирователь 2, ключи 3, 4 и 8, генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, тактовый генератор 6, делитель .

7 частоты, счетчики 9, 14 и 15 импульсов, нуль-орган tO, триггер 11, элемент 12 задержки, цифровой компаратор

13, элементы ИЛИ 16 и 17. При предложенном составе блоков и их функциональных связях шаг Н интегрирования всегда кратен периоду Т измеряемого напряжения, т.е. Н = Т/2 ° n, где n— коэффициент деления делителя частоты.

Устройство значительно повышает точ- ф ность измерения среднего значения напряжения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

4 12

Изобретение относится к контрольно--измерительной технике и может быть использовано для измерения среднего значения знакопеременного напряжения.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

На фиг. 1 приведена блок-схема измерителя; на фиг. 2 — блок-схема формирователя; на фиг. 3 и 4 — временные диаграммы, иллюстрирующие работу измерителя.

Измеритель содержит усилитель 1, выход которого подключен к входу формирователя 2, первый и второй выходы которого подключены к .управляющим входам ключей 3 и 4, генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, вход которого подключен к выходу усилите.ля 1, тактовый генератор 6, выход которого подключен к входам ключей 3 и

4, выход ключа 4 подключен к входу делителя 7 частоты, ключ 8, выход которого подключен к счетному входу счетчика 9 импульсов, нуль-орган 10 вход которого подклюен к выходу генератора 5 линейно изменяющегося напряжения, а выход — к входу установки и "0" триггера 11, выход которого подключен к управляющему входу ключа

8, элемент 12 задержки, выход которого подключен к стробирующему входу цифрового компаратора 13, первая и вторая группы входов которого подключены к выходам счетчиков 14 и 15 импульсов, элемент ИЛИ 16, первый вход которого подключен к входу установки в "1" триггера 11, управляющему входу генератора 5 линейно изменяющегося напряжения и к выходу цифрового компаратора 13, второй вход элемента

ИЛИ 16 подключен к третьему выходу формирователя 2 и к установочному входу счетчика 14 импульсов, элемент

ИЛИ 17, первый вход которого подключен к выходу младшего разряда счетчика 14 импульсов, второй вход †.к выходу ключа .3 и к входу ключа 8, а выход — к счетному входу счетчика

i5 импульсов и к входу элзмента 12 задержки.

Формирователь 2 содержит усилитель-ограничитель 18, последовательно сбединенные нуль-орган 19 и элемент 20 задержки, выход которого подключен к входам ключей 21 и 22 и управляющему входу ключа 22, триггеры 23 и 24, выходы которых являются ! соответственно вторым и первым выхо42843 2 дами формирователя 2, причем входы нуль-органа 19 и усилителя-ограни:-.ителя 18 соединены и являются входом формирователя 2, выход усилителя-ог раничителя 18 подключен к управляющему входу ключа 21, выход которого подключен к входу установки в "1" триггера 23, входу установки в "0" триггера 24 и является третьим выхо10 дом формирователя 2, управляющий вход ключа 22 подключен к выходу триггера 23, а выход ключа 2? подключен к входу установки в "0" триггера 23 и входу установки в "1" триггера 24.

15 На фиг. 4 изображены: а — входное . напряжение устройства; б — напряжение на первом выходе формирователя

2 ; -a — напряжение на втором выходе формирователя 2; г - напряжение на

20 третьем выходе формирователя 2; д— содержимое счетчика 14 импульсов; е — содержимое счетчика 15 импульсов; . ж — выход цифрового компаратора 13; з — выходное напряжение генератора

25 5 линейно изменяющегося напряжения; . и — выходной сигнал нуль-органа 10; к — выходной сигнал триггера 11; л— содержимое счетчика 9 импульсов, :Усилитель 1 является обычным лиgg нейным входным усилителем, сглажива-. ющим также высокочастотные помехи, если они присутствуют Во входном сигнале.

Формирователь 2 выполняет следу-. ющие функции. Он имеет два потенци альных выхода — первый и второй, сое.диненные с управляющими входами вто; рого 3 .и третьего 4 ключей соответственно, сигналы на этих. выходах имеют характер логических, т.е. прйнимают одно из двух различных значений, нулевое и единичное. Б исходном состоянии блока — при отсутствии на его входе напряжения — единичные сигналы на первом и втором выходах отсутствуют. Третий выход, соединенный с входом установки в "0" второго счетчика 14, - импульсный,, импульс на этом выходе возникает в момент, когда входное напряжение пересекает нулевой уровень сверху вниз, т ° е. в момент начала отрицательного полупериода. Именно с этого момента появляется на втором выходе блока единичный сигнал. С этого момента сигналы на первом и втором выходах становятся инверсными: если один из них — нулевой, то второй — единичный и наоборот. В момент, когда входное напря"

1242843

l, 4 жение пересекает нулевой уровень снизу вверх, т.е. в момент начала поло-жительного полупериода входного напряжения, единичный сигнал исчезает на втором выходе и появляется на первом.

Сигнал на выходе усилителя-ограничителя 18 имеет единичный уровень в течение отрицательного полупериода и нулевой — в течение положительного полупериода входного напряжения.

Нуль-орган 19 вырабатывает на выходе короткий импульс в момент, когда входное напряжение пересекает нулевой уровень (в том или ином направ- 15 лении).

В исходном состоянии триггеры 23 и 24 установлены в "0", т.е. на перВом и Втором Выходах формирователя

2 присутствует нулевой сигнал. Если имеет место пересечение входным напряжением нулевого уровня (в дальней— шем пересечение) снизу вверх, т.е. начинается положительный полупериод входного напряжения, то в момент, когда выходной импульс нуль-органа, задержанный элементом 20, поступает на рабочий вход ключа 21, выход которого соединен с единичным входом

30 триг гера 23, ключ 21 уже з акрыт выходным сигналом усилителя-ограничителя 18. Ключ 22 при этом тоже закрыт, так как триггер 23 находится в нулевом состоянии. Если же имеет место пересечение сверху вниз, то к момен- З5 ту поступления выходного импульса нуль-органа 19 на вход ключа 21 этот . ключ уже открыт., и импульс, пройдя через ключ 21, устанавливает в "1" триггер 23, единичный выход которого является вторым .выходом формирователя 2. Ключ 22 теперь открыт, так.что очередной импульс с выхода нуль-органа. 19, возникающий в момент пересечения снизу вверх, проходит через этот 4 ключ (ключ 21, как и в предыдущем случае, закрыт), изменяя состояние обоих триггеров. Каждый следующий импульс с выхода нуль-органа изменяет состояние обоих триггеров, т.е. выход триггера 24, являющийся первым выходом формирователя 2, являетея теперь инверсным по отношению к второму выходу. Третьим выходом формирователя 2 является выход-ключа 21. Клю- 5 чи 3,4 и 8 одинаковы. Импульс, поступающий на вход ключа, проходит на его выход только при наличии на управляющем входе ключа единичного. сигнала.

Гененатор 5 линейно изменяющегося напряжения существенно отличается от аналогично известного генератора, что имеет принципиальное значение для ,работы устройства. Генератор 5 формирует с момента подачи импульса на его запускающий вход напряжение, линейно убывающее от уровня его входного напряжения в момент запуска.

Таким образом, длительность интервала времени между моментом запуска генератора 5 и моментом, когда его выходное напряжение пересекает нулевой уровень, пропорционально значению входного напряжения 5 генератора в момент запуска.

Тактовый генератор 6 генерирует короткие импульсы высокой стабильной частоты f с периодом Т, 1 а о

Делитель 7 частоты может быть выполнен, например, как пересчетный блок с регулируемым коэффициентом и пересчета (т.е. деления частоты).

Счетчик 9 импульсов — это обычный двоичный счетчик накапливающего типа.

Цепь установки его в "0" не показана, так как она может осуществляться различным .образом — после каждого измерения в течение одного периода либо после К измерений (с целью ус— реднения их результатов).

Нуль-орган 10 вырабатывает корот-,:.. кие импульсы в моменты, когда линейно убывающее выходное напряжение гененератора 5 достигает нулевого уровня.

Элемент 12 задержки задерживает импульсы на время, примерно равное половине периода импульсов тактового генератора. Цифровой компаратор 13 пропускает на выход импульс постуР пающий на его стробирующий вход с выхода элемента 12 задержки, только в том случае, когда кодовые комбинации, поступающие на обе группы его информационных входов, совпадают. Счетчики 14 и I5 импульсов одинаковы, это обычные накапливающие двоичные счетчики.

Принцип действия устройства сос- . тоит в следующем.

Измерение осуществляется в течение одного (первого) периода входного напряжения, отсчитываемого с момента начала отрицательного полупериода. В течение отрицательного полупериода

1242843 осуществляется автоматическое Определение шага интегрирования

Н = Т/2п.

Величина п, равная коэффициенту деления частоты делителя 7, устанавливается перед началом работы устройства и.выбирается равной целой степе-, ни двойки, т.е. n = 2 ", "k = 1,2,..., R

Т вЂ” период входного напряжения.

Величина Н формируется в счетчике

i5

14 импульсов. В течение этого же полупериода на счетчике 15 импульсов формируется величина Н!2.

Во втором — положительном — полуперкоде осуществляется собственно измерение среднего значения. Спустя

"время Н/2 с момента начала. этого полупериода начинают †. с периодом Н формироваться импульсы запуска гене-. ратора 5. В промежутках между моментами запуска и моментами срабатыва- ния нуль-органа. 10 триггер 11 находится в единичном состоянии, т.е. ключ 8 открыт, и тактовые импульсы суммируются в счетчике 9 импульсов

30 (ключ 3 в положительном полупериоде открыт), формируя результат измеренкя, В исходном состоянии напряженке на входе усилителя 1 отсутствует, счетчик 9,14 и 15 импульсов и триг-. гер 11 установлены в "0", единичные

c:èãHàëbt на первом и втором и импульсы на третьем выходах формирователя

IIpH 3ToM ключи 3, 4 H

8 закрыты. Коэффициент деления дели4О теля частоты установлен равным требуемому значению и = 3 к.

Пусть теперь к входу устройства, т,е. к входу усилителя 1 подключено измеряемое напряжение U(t).

В ближайший по времени момент пересечения напряжением U(t) нулево-о уровня сверху вниз, т.е. в момент начала отрицательного полупериода, 50 формируется импульс на третьем выходе5 формирователя 2, подтверждающий нулевое состояние счетчиков 14 и,15 импульсов, и устанавливается циничный сигнал на втором выходе формирователя, открывающий ключ 4 (ключи

3 и 8 остаются закрытыми).

В течение отрицательного полупериода импульсы с выхода тактового генератора 6 поступают через делитель частоты 7 на счетный вход счетчика

14 импульсов и с частотой, уменьшенной еще в два раза младшим разрядом этого счетчика, - на счетный вход счетчика 15 импульсов. через элемент

ИЛИ 17.

Таким образом, к концу отрицательного полупериода на счетчике 14 импульсов формируется число и и 2п а на счетчике .15 импульсов — число, в два раза меньшее;

В момент окончания отрицательного пслупериода входного напряжения .единичный сигнал на втором выходе формирователя 2 исчезает, а на первом . выхоце появляется, вследствие чего ключ 4 закрывается, а ключ 3 открывается, и импульсы с выхода тактового генератора б начинают поступать на счетный вход счетчика 15 импульсов

Спустя время Н/2 содержимое счетчика

15 импульсов достигнет значения т.е. сравняется с содержимым счетчк-, ка 14, и тактовый импульс, обеспечивающий указанное равенство к задержанный элементом 12, пройдет на выход цифрового компаратора 13, запуская генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, устанавливая триггер 11 в "1 и-.через элемент ИЛИ 16 устанавливая в "0" счетчик 15 импульсов.

С этого момента импульсы с выходя тактового генератора б начинают поступать на счетный вход счетчика 9 импульсов, продолжая поступать в очкщенный счетчик 15 импульсов. Поскольку Н = Т/2п, а первый импульс на выходе цифрового компаратора 13 сформирован спустя время Н/2 с момента начала положительного полупериода, все" го за время Т/2 этого полупериода будет сформировано и таких импульсов (фиг. 3) с интервалами длительностью

Н между ними. Каждый из этих импульсов запускает генератор 5 и открыва— ет ключ 8, устанавливая триггер 11 и1

Выходной импульс нуль-органа 10 формируемый в момент пересечения нулевого уровня выходным напряжением генератора 5, возвращает триггер 11 в "0", закрывая .ключ 8. При этом длительности интервалов времени, в течение которых ключ 8 открыт, про1242843

1 порциональны значениям Н(г.) в мон . н менты t = ; 8 +, 2Н + н н

+ — ... (n-1) Н + .. Соответст2 2 б венно число и,импульсов тактового генератора поступившее в счетчик 9 импульсов .в течение . Го интервала равно

n = а Р (! - с где а — масштабный коэффициент..

За время положительного полупери." ода в счетчике 9 будет сформировано 15 число

)) uN= .n; =а, П (д1 .. )et

Сргласно, принципу действия устройства среднее значение входного пере20 с менного напряжения О(6),, т.е. величина

Т(2

I П() at, (2)

25 (3

P=Zh П;, 1" 1 (4) 45 где п; — длина i-го шага интегрирования, U; = U(t ), причем

1=1 % (ti cP Ь,(. . ((к=) (5),50

Таким образом, искомая площадь приближенно вычисляется как сумма площадей прямоугольников с основаниями h; и высотами U;. Поскольку обеспечено равенство (1), с учетом (4) и (2), имеем,о (где Т вЂ” период входного напряжения, t — время, отсчитываемое от момента

- выхода напряжения U(t) за нулевой уровень,. т.е. от.момента пересечения этого уровня снизу вверх), определяют путем приближенного вычислениа интеграла т)()

e = J u(e) а (з) о методом прямоугольников и деления его35 на величину Т/2.

Метод прямоугольников состоит в том, что отрезок интегрирования, (в т1 данном случае отрезок О, 2,.де- 40

P лят на и частей и вычисляют интеграл . (2) по формуле.

Й ц, — 2P:

Т т.е. -N = и à.U. точностью (в масштабе а).

Существенно, что измеряя среднее значение входного напряжения, устройр ство в процессе работы определяет и его период Т вЂ” содержимое счетчика

14 импульсов в течение положительного полупериода, равное величине Т, деленной на два.

Благодаря предложенному составу и способу соединения блоков изобрете.ния шаг Н интегрирования всегда кратен периоду Т измеряемого напряжения

Н = Т/2 и, rpe n — коэффициент деле-.

\ ния делителя частоты, величины напряжений U; измеряются точно в средйей точке каждого шага, а формирователь обеспечивает начало работы устройства только в момент начала отрицатель° ° ого полупериода входного напряжения. то позволяет значительно повысить точность измерения среднего значения напряжения. л

Формула изобретения (1. Измеритель среднего значения переменного напряжения низкой частоты, содержащий усилитель, формирова-. тель, первый и второй ключи, тактовый генератор, делитель частоты, нуль-орган, триггер, первый счетчик импульсов и генератор линейно изменлющегося напряжения, вход которого соединен с входом формирователя и с выходом усилителя, запускающийвход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым управляющим входом триггера, а выход — с входом нуль-органа, подключенного выхо-дом к второму управляющему входу триггера, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, выход которого соединен со счетным входом перв)ого счетчика импульсов, вход первого ключа — с выходом вта. рого ключа, подключенного управляют входом к первому выходу формирователя, а входом — к выходу тактового

Поскольку п=2, то, считывая соК держимое счетчика 9 импульсов со сдвигом на К разрядов в сторону старших разрядов, т.е. деля его на n, . .получаем искомый результат с высокой

12428цЗ

10 генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены третий ключ, первый и второй

5 элементы ИЛИ, второй:и третий счетчи-ки импульсов, элемент задержки и цифровой компаратор. Первая и вторая группы информационных входов которого соединены с разрядными выходами 10 второго и третьего счетчиков импуль- сов, стробирующий вход соединен с выходом элемента задержки, а выход — с первым управляющим входом триггера и первым входом первого элемента ИЛИ, 15 подключенного выходом к входу установки в "0" третьего счетчика импульсов, выход тактового генератора подключен к входу третьего ключа, управляющий вход которого соединен с yg вторым выходом формирователя, а выход — с входом делителя частоты, подключенного выходом к счетному входу второго счетчика импульсов, вход установки в "0,которого соединен с 25 вторым входом первого элемента ИЛИ и с третьим выходом формирователя, а выход младшего разряда соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, 1 подключенного вторым входом к вы- 1О ходу второго ключа, а выходом — к счетному входу третьего счетчика импульсов и входу элемента задержки.

2. Измеритель по п. 1, о т л йч а ю шийся тем, что формирователь содержит усилитель-ограничитель, нуль-орган, элемент задержки, два триггера и два ключа, вход нуль-органа соединен с входами усилителя-ограничителя и формирователя, а выход через линию задержки — с входом.

° ключей, выход одного из которых соединен с входом установки в "0" первого и входом установки в "1" второго триггеров и с третьим выходом формирователя, управляющий вход этого же ключа соединен с выходом усилителя-ограничителя, а управляющий вход другого ключа — с выходом второго триггера, который соединен с вторым выходом формирователя, выход этого же ключа соединен с входом установки в "0" второго триггера и вхоцом установки в "1" первого триггера, выход которого соединен с первым выходом фор— мирователя.

:3. Измеритель по п. 1, о т л и- . ч.а ю шийся тем, что в качестве генератора линейно изменяющегося напряжения использован генератор напряжения, линейно убывающего от уровня .входного напряжения генератора в момент его запуска.

1242843

Составитель А. Заборня

Техред О.Сопка Корректор В .Бутяга

Редактор А. Коэориз

Заказ 3698/42 Тираж 728

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул, Проектная,