Цифровой измеритель отношения двух напряжений постоянного тока

 

Изобретение гфедназначено для измерения отношения двух напряжений постоянного тока, в которые могут быть преобразованы любые электрические и неэлектрические сигналы, а также обеспечивает измерение отношения напряжения в безразмерных единицах , Б неперах и дещ1белах с вьщачей значений этого отношения в цифровой форме. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения отношения двух на-, пряже} ий как в обычных безразмерных единицах, так и логарифмических: неперах и-децибелах. В устройство введены резисторы, интегратор 6, триггер 9, элементы 2, 3, 4 сравнения, дешифратор 13 с ивдикатором, клемма 23 Сброс, входная клемма 22. Кроме того,устройство содержит элемент 1 сравнения, интегратор 5, источник 8 опорного напряжения, ключ 7, элемент 11 совпадения, счетчик 12, элемент ИЛИ 10, входные клемм. 20, 21, два переключателя 14, 15. Введение сл новых элементов позволяет повысить точность измерения, расширить диапазон измерения, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 G 01 R 19/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЬР

Cb

Я1

СР

4:ь

Щыг /

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3937873/24 — 21 (22) 31.07.85 (46) 07. 11.86. Бюл. И 41 (72) С.С.Бруфман (53) 621,317. 321 (088.8) (56) Авторское с видетельство СССР

Р 991317, кл. G 01 R 19/10, 1981. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТНОШЕНИЯ

ДВУХ НАПРЯЖЕНИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Изобретение предназначено для измерения отношения двух напряжений постоянного тока, в которые мо— гут быть преобразованы любые электрические и неэлектрнческие сигналы, а также обеспечивает измерение отношения напряжения в безразмерных единицах, в неперах и децибелах с выдачей значений этого отношения в циф„„SU„„1269042 А 1 равой форме. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей за счет измерения отношения двух напряжений как в обычных безразмерных единицах, так и логарифмических: неперах и децибелах. В устройство введены резисторы, интегратор 6, триггер 9, элементы 2, 3, 4 сравнения, дешифратор 13 с индикатором, клемма

23 "Сброс", входная клемма 22. Кроме тога, устройство содержит элемент

1 сравнения, интегратор 5, источник

8 опорного напряжения, ключ 7, элемент 11 совпадения, счетчик 12, эле— мент ИПИ 10, входные клеммы 20, 21 два переключателя 14, 15. Введение новых элементов позволяет повысить точность измерения, расширить диапазон измерения. 3 ил.

1269042

Изобретение относится к электро— измерениям и предназначено для измерения отношения двух напряжений постоянного тока, в которые могут быть преобразованы любые электрические и неэлектрические сигналы, а также обеспечивает измерения отношения напряжения в безразмерных единицах, в неперах и децибелах с выдачей зна— чения этого отношения на цифровой индикатор в цифровой форме °

Цель изобретения — расширение функциональньгх возможностей за счет из— мерения отношения двух напряжений как в обычных безразмерных единицах, так и логарифмических (неперах и децибелах).

На фиг. 1 показана схема устройства, на фиг. 2 — диаграмма работы устройства в режиме измерения отношения напряжений в обычном масштабе; на фиг. 3 — диаграмма работы устройства в режиме измерения отношения напряжений в логарифмическом масштабе.

Цифровой. измеритель содержит (фиг. 1) четыре элемента 1 — 4 сравнения соответственно с первым и вторым входами 1.1, 2.1 3.1, 4.1 и

1.2 2.2, 3,2, 4,2, первый 5 и второй 6 интеграторы с сигнальными входами 5.1 и 6.1 и входами 5.2 и 6.2 сброса, ключ 7 с сигнальным входом

7i1 и управляющим входом 7.2, источник 8 опорного напряжения с первым

8. 1 и вторым 8, 2 выходами, триггер

9 с входами 9.1 и 9.2 сброса и установки единицы, инверсным 9,3 и прямым 9 ° 4 выходами, элемент ИЛИ 10 с первым 10.1 и вторым 10,2 входами, элемент 11 совпадения с первым 11..,,1,вторым 11 ° 2 и третьим 11,3 входами, счетчик

12 с входами 12.1 и 12.2 сброса и счета, дешифратор 13 с индикатором, первый

t4 и второй 15 переключатели с первыми и вторыми входами 14,1, 15.1 и 14.2, 15,2, четыре резистора 16

19, первую 20, вторую 21, третью 22 и "Сброс" 23 входные клеммы„причем первая входная клемма 20 соединена с первым входом 1.1 первого элемента 1 сравнения, выход которого соединен с первым входом 11.1 элемента

11 совпадения, второй вход 11.2 которого соединен с выходом второго элемента 2 сравнения, а третий .вход, 11.3 — с выходом третьего элемента 3 сравнения и с вторым входом 10.2

45 элемента ИЛИ 10, выход которого соединен с входом 9 ° 1 сброса триггера

9, вход 9.2 установки единицы кото— рого соединен с выходом четвертого элемента 4 сравнения, инверсный выход 9.3 — с входом 6,2 сброса ин— тегратора 6, а прямой выход 9.4 — с управляющим входом 7.2 ключа 7, сигнальный вход 7.1 которого соединен с первым выходом 8.1 источника 8 опорного напряжения, другой выход

8 ° 2 которого соединен с общей шиной, через первый резистор 16 соединен с сиг нал ьным входом 5 . 1 пер вог о интегратора 5 и через последовательно соединенные первый 16, второй 17, третий 18 и четвертый 19 резисторы с выходом ключа 7, первый и второй выводы третьего резистора 18 соединены соответственно с первым 15.1 и вторым 15,2 контактами второго переключателя 15, подвижный контакт которого соединен с сигнальным входом 6. 1 второго интегратора 6, выход которого соединен с вторыми входами 3,2 и 4 . 2 элементов 3 и 4 сравнения, первые входы 3.1 и 4.1 которых соединены соответственно с подвижным контактом первого переключателя 14 и общей шиной, первый контакт 14. 1 первого переключателя

14 соединен с выходом первого интегратора 5, вторым входом 1.2 первого элемента 1 сравнения и первым входом

2.1 второго элемента 2 сравнения, второй вход 2.2 которого соединен с третьей входной клеммой 22 устройства, второй контакт 14,2 первого переключателя 14 соединен с второй входной клеммой 21 устройства, вход ная клемма 23 "Сброс" устройства соединена с входом 5,2 сброса первого интегратора 5, с первым входом 10.1 элемента ИЛИ 10 и входом 12,1 сброса счетчика 12, счетный вход 12,2 которого соединен с выходом элемента 11 совпадения, а выход — с входом дешифратора 13 с индикатором.

Цифровой измеритель работает в

50 трех режимах: измеряет отношение между двумя напряжениями и выдает это отношение в безразмерных единицах в цифровой форме, измеряет отношение между двумя напряжениями и выдает

55 это отношение в единицах натурального логарифма (неперах) в цифровой форме и измеряет отношение между двумя напряжениями и выдает это отноше1269042

40 ние в единицах десятичного логариф— ма (децибелах) в цифровой форме.

В первом режиме цифровой измеритель работает следующим образом.

Перед началом измерения к первой входной клемме 20 подключают общую шину измерителя (к нулю) . K третьей входной клемме 22 подключают измеряемый сигнал, соответствующий делимому напряжению, к второй входной клемме 21 подключают измеряемый сиг— нал, соответствующий делителю. Первый переключатель 14 устанавливают в положение 14.2 измерения отношения сигналов (фиг. 1) . Измеряемый сигнал, соответствующий делителю, пос— тупает на первый вход 3.1 третьего элемента 3 сравнения.

От источника 8 опорного напряжения через первый его выход 8. 1, ключ

7 и делитель из резисторов 16-19 подается сигнал V„íà сигнальный вход

5.1 первого интегратора 5 и через второй переключатель 15 сигнал на сигнальный вход 6.1 второго интегра— тора 6. Причем напряжение V намного больше чем V

Осуществляется запуск цифрового измерителя путем нажатия клеммы 23

"Сброс". По этой команде обнуляется счетчик 12 и на цифровом индикаторе

113 одни нули. По этому сигналу по входу 5.2 сброса первого интегратора

5 осуществляется разряд емкости первого интегратора 5 (на фиг. 1 не показано) и íà его выходе появляется нулевой сигнал, который поступает на второй вход 1.2 первого элемента 1 сравнения, Сигнал "Сброс" по клемме

23 проходит на вход 9.1 сброса триггера 9 через элемент ИЛИ 10 и сбрасывает его, причем на его прямом выходе 9.4 появляется нулевой сигнал, который по управляющему входу 7.2 ключа 7 отключает его от источника 8 опорного напряжения, Сигнал единицы с инверсного выхода 9.3 триггера 9 по входу 6.2 сброса второго интегратора 6 разряжает

его емкость, Таким образом, к началу измерения на выходах интеграторов 5 и 6 нулевой сигнал. После снятия сигнала "Сброс" (на фиг. 2 обозначено В23) начинается процесс измерения. Нулевой сигнал с выхода второго интегратора 6 (В6 на фиг. 2) проходит на второй вход 4.2 четвертого элемента 4 сравнения, при этом на

<5

его выходе появляется сигнал, кото- рый Ilo входу 9.2 установки единицы триггера 9 устанавливает единицу на его прямом выходе 9.4 и нуль на инверсном выходе 9.3.

Открывается ключ 7, так как на его управляющий вход 7.2 поступает единица. Снимается сигнал "Сброс" с входа 6.2 сброса второго интегратора 6. Начинается линейное возрастание напряжения на выходе второго интегратора 6 (В6, фиг. 2) . При нулевом выходном сигнале на выходе первого интегратора 5 (В5, фиг. 3) происходит сравнение этого сигнала по второму входу 1.2 первого элемента 1 сравнения, на первом входе 1.1 у которого нулевой сигнал. При этом на его выходе появляется сигнал (B1, фиг ° 2), который сохраняется в те— чение всего процесса измерения, так как начинается возрастание напряжения на выходе (B5, фиг. 2) первого интегратора 5.

На выходе второго элемента 2 сравнения в начале измерения единичный сигнал (В2, фиг. 2), так как сигнал с выхода первого интегратора 5, поступающий на первый вход 2.1 элемента 2, меньше, чем сигнал на его втором входе 2.2. Единичные сигналы с первого 1 и второго 2 элементов сравнения поступают на первый и второй входы 11,1 и 11.2 элемента 11 совпадения. На его третий вход 11.3 поступает сигнал как только во втором интеграторе 6 напряжение на выходе достигает уровня, заданного по первому входу 3.1 третьего элемента 3 сравнения, При этом на выходе этого элемента появляется сигнал, который и проходит через третий вход 11.3 элемента 11 совпадения на счетный вход 12.2 счетчика 12 импульсов (фиг. 2, В 11) . Одновременно сигнал с выхода третьего элемента 3 сравнения проходит на вход 9.1 сброса триггера 9 через элемент ИЛИ 1О.

Триггер 9 сбрасывается на нуль. Закрывается ключ 7 и первый интегратор 5 перестает интегрировать (горизонтальные участки значительно короче наклонных участков на диаграмме, В5, фиг. 2) . На инверсном выходе 9.3 триггера 9 появляется единица и производится разряд емкости второго интегратора 6 (В6, фиг. 2, спадающие участки пилообразной кри1269 ным выражением

Upbear RpCг

2 где U, V, Пь и =

14 г где U

S вой) . Как только напряжение на выходе второго интегратора 6 достигает нуля, происходит формирование на выходе четвертого элемента 4 сраэнения сигнала, который записывает единицу в триггер 9 (В9, фиг, 2) . Таким образом, процесс измерения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение (В5 фиг. 2) первого интегратора 5 не достигает уровня заданно- 1р го по третьей клемме 22, При этом сравнении сигналов на втором элементе 2 сравнения на его выходе появляется нулевой сигнал, который поступает на второй вход 11.2 элемента 11 15 совпадения и запрещает дальнейший счет импульсов в счетчике 12 импульсов. Число и, зафиксированное в счетчике 12 импульсов и высвеченное на индикаторе 13, соответствует измеря- 2р емому отношению двух напряжений где U „— входное напряжение на 25 3 третьей клемме 22;

U — напряжение на второй

FY клемме 21.

Время, в течение которого открыт элемент 11 совпадения для прохожде- gp ния импульсов, зависит от времени интегрирования первого интегратора 5

1 — — à .35

Upbear R С, V, выходное напряжение интеграч ора 5 через время Т, постоянная времени интег40 рирования (входное с.опротивление R и емкость С, ) первого интегратора 5; выходное напряжение на выходе первого резистора

16, снимаемое с источника 8 опорного напряжения.

Таким образом, U „,, которое равно входному напряжению на входе третьей клеммы 22, прямо пропорционально времени Т, в течение которого элемент 11 «oi падения открыт и пропускает импульсы на счетчик 12 импульсов, т.е. время Т прямо пропорционально делимому °

За время 1 второй интегратор 6 формирует значительное количество

042 . ь импульсов, число которых определяется следующим образом.

В соот ветствии с ранее приведенсоответствует входному напряжению на входе вто— рой клеммы 21 выходное напряжение на выходе второго переключателя 15 (это входное напряжение второго интегратора 6)

R,C — постоянная времени второго интегратора 6; время интегрирования второго интегратора 6.

Время разряда емкости при рас— чете Hp учитывается, так как в это время первый интегратор 5 не интегрирует (условно время останавливается), Это повышает точность работы цифрового измерителя.

Количество импульсов, которое зафиксировано в счетчике 12 импульсов ° зависит от соотношения где п — количество импульсов, зафиксированное в счетчике 12 импульсов

" — время интегрирования первого интегратора 5 (только когда идет нарастание напряжения на его выходе, т.е. ключ 7 открыт); — время интегрирования второго интегратора 6, Так как время интегрирования как первого 5 так и второго 6 интеграто- ров прямо пропорционально входным сигналам на входах второй 22 и третьей 23 входных клемм то и их отношение пропорционально этому значению Г Upton R C1,V U»r 1С1 2 п

Ъ Бь„г кгСг Uzr кг Сг Ч» где U — входное напряжение на третьей клемме 22;

U»,„ — входное напряжение на второй клемме 21, Так как значения R „С», V z u

Вг, Сг, V, всегда постоянные, то число импульсов и зависит только от

1269

7 входных напряжений на входах третьей 22 и второй 21 клемм, Цифровой измеритель во втором и третьем режимах работает аналогично первому режиму. Разница только 5 в выборе коэффициента пропорциональности, который устанавливается вторым переключателем 15.

Цифровой измеритель во втором и третьем режимах работает следующим образом.

На первую клемму 20 подается напряжение, соответствующее меньшей величине отношения — делителю, на третью клемму 22 подается напряже- <5 ние, соответствующее большей величине отношения — делимому. Первый переключатель 14 устанавливается в положение, при котором коммутируется первый вход 14.1 его с выходом. При 20 этом выход первого интегратора 5 соединяется через первый переключатель 14 с первым входом 3.1 третьего элемента 3 сравнения. Осуществляется сброс измерителя по клемме

23. Триггер 9 устанавливается в нулевое состояние и отключает сигнал от источника 8 опорного напряжения ключом 7. Сбрасываются первый 5 и второй 6 интеграторы. После снятия 30 сигнала "Сброс" цифровой измеритель производит измерение отношения в логарифмическом масштабе в неперах или децибелах в зависимости от масштаба, который устанавливается вторым переключателем 15, через четвертый элемент 4 сравнения в триггер 9 записывается единица, Второй интегратор 6 интегрирует входной сигнал, поступающий от ис- 4g точника 8 опорного напряжения через второй переключатель 15, Как только напряжение на выходе первого интегратора 5 достигает уровня, соответствующего значению входного напряжения первой клеммы 20, на выходе первого элемента 1 сравнения появляется по— ложительный сигнал, который сохраня— ется до конца измерения (В1 фиг. 3).

Сигнал с выхода второго элемента 2 сравнения (В2, фиг. 3) персходит из единичного состояния в нулевое, когда напряжение на выходе первого интегратора 5 достигает значения, равного входному сигналу первого на вхо- gg де тр ет ь ей клеммы 22 .

За время открытого состояния элемента 11 совпадения для прохождения

042 импульсов от третьего элемента 3 сравнения на счетчик 12 импульсов поступает серия импульс ов . Их форми— рование осуществляется сравнением выходных сигналов от двух интеграторов

5 и 6. Длительность и амплитуда этих импульсов с выхода второго интегратора 6 изменяются во времени, т.е. постепенно возрастают. На диаграмме (фиг, 3) показан вид изменения этих импульсов (В5, В6) . Количество импульсов, зафиксированное в счетчике

12 импу" ьсов, пропорциональное

Uq,, Uex >

1п " или -1g

Ьz l, Ъ где U » и Uz„, соответствующие входные напряжения на входах цифрового измерителя, на третьей 22 и первой

20 клеммах.

На диаграмме (фиг. 3) показаны серии импульсов, которые формируются вторым интегратором 6.

Скорости интегрирования первого 5 и второго 6 интеграторов принимаем пропорциональными входным напряжениям этих интеграторов V u V соответственно °

Если принять значение КС=1, то

U»„RC ранее выведенную формулу

=Т можно упростить U „ /V= и Н м, у = 1 1 это, значит, что U „„— выходное напряжение интегратора — прямо пропорционально времени интегрирования и скорости интегрирования.

Рассмотрим эа три отрезка времени выходное напряжение первого 5 и вто— рого 6 интеграторов, и определим ко— эффициент увеличения времени интегрирования или длительности импульса на выходе второго интегратора 6, В первый момент времени на выходе первого интегратора 5 напряжение U „ входное напряжение первой клеммы 20.

На выходе второго интегратора 6 напряжение равно нулю. Выходные напряжения интеграторов 5 и 6 сравниваются через время,, Тогда на их выходах имеются напряжения

+ 1 1 — 1 V2Ф ы .инт откуда

U5 1

V -V

Таким образом, напряжения на выходах интеграторов 5 и 6 через время с, после начала

1269042 10 тен первичный член геометрической прогрессии

На фиг, 3 !,, ... i»..., „обозначены только передним фронтом треугольных импульсов, задний фронт не учитывается, так как в это время первый интегратор 5 не интегрирует (горизонтальные участки на возрастающей диаграмме, В5 — выход первого интегратора), Горизонтальные участки

10 действительно значительно меньше, чем возрастающие участки, На следующем интервале за время напряжения на выходах интегратог

15 ров 5 и 6 — U,„,) ° геометриоткуда

НВхт г

1 2 1 !

1- )хх Х 2 Х 2

2 !

Соответственно

25 хг

Ч

Для третьей точки совпадения напряжений двух интеграторов 5 и 6 по-. лучают

Вх . f г + б (т r r.

tlb . N,i V-Х )2 ъ 1 2 2

2 откуда

ЬХХ 2

V -V г

НВХ 14 (ч,-v, )

11Вх! 2

2 (т! V )z

116х )г 2 (Ч -V,) з л

Н ьх2

U8x!

АР,х 2

= (— — ) Вх 2-т !

11 Вх г (7 т„)! )г

V2-V!

-г

V2 г

Таким образом, коэффициент увеличения импульсов по длительности q на выходе второго интегратора 6.постоянный и соответствует

Это означает, что длительности импульсов L!,, х «i » 1)т геомет рическая прогрессия, у которой извесUs« г

ВВ)> инт! 2 V — V г

U Цех! V2 7 Ч =ò,V, Вых !Х))т 2 т,) — т г г 2

2 г

11ВХ х Vz

U = В U

ВЫх.инт 2 2 2 (U — V )2

2 !

Находим коэффициент изменения интервалов т, !, и

Сумма всех членов геометрической прогрессии — это время интегрирова— ния первого интегратора 5 от начала при на пряже нии U до U „„

ВХ.!

Сумма членов геометрической прогрессии — это время интегрирования второго интегратора 6, которое определяется как разность времени интегрирования. т — " "2 " " - (U

1 7 V V Ьх

1 !

Из формулы суммы членов ческой прогрессии находим а, (q"-1)

q — 1

1 где S = Т - 1 = — (U — U

V )хх2

Ugx

V -V

2 !

n — количество импульсов, зафиксированное в счетчике 12 импульсов.

Откуда получаем, подставляя известные значения в формулы суммы и,„, ((, )"-1) — (U -U ) = 7 Вхг ВХ !,Ч -V )(— ) -1

Vz т! -Ч

11,„, (() -1j

2 2 1 откуда

1п " = nln (— ), х)Вx 2 1

Так как Vð значительно больше чем V,, то можно рассматривать эти логарифмы для приближенных формул логарифмирования

1п(1+с ) + e

1д(1+4) + 0,4343о1

Откуда

In = 1п(1+ — 1 — — 1) Ч V г

2 1

1269042

1п(1+ — ) = 1n(1+ ) =

Vg-Vq+V, Vg

Ч Vz

Ч

Чъ-Чи

Тогда

1п 082

Usx1

= n.— —, V -V

Z 1 т.е. логарифм отношения прямо пропорционален количеству импульсов и зафиксированных в счетчике 12 импульсов.

Коэффициент может быть выбг ран любой и чем он меньше, тем больше и и соответственно выше точность.

Кроме того, при помощи коэффициента получается натуральный или десятич— ный логарифм, Ф ор мула и з о б р е т е н и я

Цифровой измеритель отношения двух напряжений постоянного тока, содержащий первый элемент сравнения, первый интегратор, источник опорного напряжения, ключ, элемент совпадения счетчик, элемент ИЛИ, первую и вторую входные клеммы, два переключателя, причем выход элемента совпадения соединен со счетным входом 30 счетчика, выход первого интегратора соединен с первым входом первого элемента сравнения, первый контакт первого переключателя соединен с второй входной клеммой, о т л и ч а ющи йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены четыре резистора, второй интегратор, триггер, второй, третий и четвертый элементы сравнения, дешифратор с индикатором, клемма "Сброс" и третья входная клемма, причем первая входная клемма соединена с вторым входом первого элемента сравнения, выход которого соединен с первым входом элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом второго элемента сравнения а третий вход с выходом третьего элемента сравнения и первым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с входом Сброс триггера, установочный вход которого соединен с выходом четвертого элемента сравнения, инверсный выход — с первым входом втовторого интегратора, а прямой выход— с управляющим входом ключа, сигнальный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, другой выход которого соединен с общей шиной, через первый резистор с вторым входом первого интегратора и через последовательно соединенные первый, второй, третий и четвертый резисторы — с выходом ключа, первый и второй выводы третьего резистора соединены соответственно с первым и вторым контактами второго переключателя, подвижный контакт которого соединен с вторым входом второго интегратора, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов сравнения, вторые входы которых соединены соответственно с подвижным контактом первого переключателя и общей шиной, второй контакт первого переключателя соединен с выходом первого интегратора и первым входом второго элемента сравнения, второй вход которого соединен с третьей входной клеммой, входная клемма

"Сброс" соединена с вторым входом первого интегратора, вторым входом элемента ИЛИ и вторым входом счетчика, выход которого соединен с входом дешифратора с индикатором.

1269042

РиР. 3

Составитель В.Быков

Редактор О.Головач Техред 11.Сердюкова Корректор Л.Зимокосов

Заказ 6030/47 Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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