Способ измерения среднего значения периодических сигналов

 

Изобретение относится к технике электроизмерений. Может быть использовано в приборах для измерения интегральных характеристик сигналов, Вх. Цель изобретения - повышение точности измерения. Предложенный способ заключается в следующем. Периодически измеряют мгновенные значения сигнала с периодом, меньшим периода сигнала. Суммируют измеренные мгновенные значения , Среднее значение определяется исходя из полученной суммы, количества измерений, а также величины интервала меяду последним измерением мгновенного значения и концом периода сигнала. Устройство для реализации предложенного способа содержит дискретизатор 1, сумматор 2, вычислительный блок 3, устройство 4 вьщеления периода, одновибраторы 5, 6, элемен И 7, генератор 8 тактовой частоты, счетчики 9, 10, элементы П, 15 задержки , элементы ИЛИ 12, 13, блок 14 запуска I з.п. ф-лы, 2 ил. а & (Л С ffeff(. СО О5 Г). СП СА:

СО103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51> 4 G 01 К 19/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3970329/24-21 (22) 30.10.85 (46) 15.03.87. Бюл. В 10 (72) В.С. Попов, Е.В. Шумаров, Ю.Н.Евланов, И.Н. Желбаков, О.Л. Николайчук и Д.M. Демьянюк (53) 621.317.7.(088.8), (56) Авторское свидетельство СССР У 209584, кл. G 01 R 19/00, 21.06.66.

Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М.: Советское радио, 1977, с. 89. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к технике электроизмерений. Может быть использовано в приборах для измерения интегральных характеристик сигналов.

„„SU„„1296953 А 1

Цель изобретения — повышение точности измерения. Предложенный способ заключается в следующем. Периодически измеряют мгновенные значения сигнала с периодом, меньшим периода сигнала.

Суммируют измеренные мгновенные значения. Среднее значение определяется исходя из полученной суммы, количества измерений, а также величины интервала ме»ду последним измерением мгновенного значения и концом периода сигнала. Устройство для реализации предложенного способа содержит дискретизатор 1, сумматор 2, вычислительный блок 3, устройство 4 выделения периода, одновибраторы 5, 6, элемен

И 7, генератор 8 тактовой частоты, счетчики 9, 10, элементы 11, 15 задержки, элементы ИЛИ 12, 13, блок 14 запуска 1 з.п. ф — лы, 2 ил.

1296953

Изобретение относится к технике электроизмерений и может быть использовано в приборах для измерения интегральных характеристик сигналов.

Цель изобретения — повышение точ- 5 ности измерения путем учета некратности частоты выборок мгновенных значений сигнала и частоты сигнала.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для осуществления способа измерения среднего значения периодических сигналов; на фиг. 2— функциональная схема вычислительного блока, входящего в состав устрой15 ства.

Способ измерения среднего значения периодических сигналов заключается в том, что периодически измеряют мгновенные значения сигнала с перио20 дом, меньшим периода сигнала, суммируют измеренные мгновенные значения и делят полученную сумму. Дополнительно измеряют интервал времени между последним измерением мгновенного значения и концом периода сигнала, вычисляют отношение измервнного интервала времени к периоду измерения мгновенных значений сигнала, перед суммированием мгновенных значений умножают на полученное отношение последнее измеренное мгновенное значение сигнала, а сумму делят на сумму числа измерений мгновенных значений и отношения измеренного интервала времени к периоду измерения мгновенных значений, уменьшенную на единицу.

Для повышения точности перед суммированием мгновенных значений умножают первое и последнее мгновенное

40 значение на отношение измеренного ин.— тервала времени к периоду измерений мгновенных значений, увеличенное на единицу и делят пополам.

Устройство, реализующее предлага-, 45 емый способ, содержит дискретизатор 1, сумматор 2, вычислительный блок 3, устройство 4 выделения периода, первый 5 и второй 6 одновибраторы,, элемент И 7, генератор 8 тактовой частоты, первый 9 и второй 10 счетчи50 ки., элемент 11 задержки, первый !2 и второй 13 элементы ИЛИ, блок 14 запуска и элемент 15 задержки. Вход устройства через дискретизатор 1 и сумматор 2 соединен с первым входом вычислительного блока 3, а через устройство 4 выделения периода — со входом одновибраторов 5 и 6 и первым входом элемента И 7. Выход генератора 8 тактовой частоты соединен со вторым входом элемента И 7, выход которого соединен со счетным входом счетчика 9. Выход переполнения счетчика 9 соединен со счетным входом счетчика 10, а через элемент 11 задержки — с первым входом элемента ИЛИ 12 и с первым входом элемента ИЛИ 13.

Выход блока 14 запуска соединен с управляющим входом устройства 4 выделения периода, входом установки в ноль счетчика 10, вторым входом элемента ИЛИ 12 и входом установки в ноль сумматора. 2. Выход элемента

ИЛИ 12 соединен со входом установки в ноль счетчика 9. Выход одновибратора 5 соединен со вторым входом элемента ИЛИ 13, выход которого соединен с управляющим входом дискретизатора l и через элемент задержки 15 — с управляющим входом сумматора 2. Выход дискретизатора 1 соединен со вторым входом вычислительного блока 3.

Информационные выходы счетчиков 9 и

l0 соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислительного блока 3. Выход одновибратора 6 соединен,с пятым входом вычислительного блока 3, выход которого является выходом устройства.

Вычислительный блок 3 содержит устройства 16-19 выборки и хранения (УВХ), сумматор 20, перемножитель 21, инвертор. 22, масштабный элемент 23, сумматор ?4 и делитель 25. Первый, второй, третий и четвертый входы вычислительного блока 3 соединены соот-. ветственно со входами устройств !6-19 выборки и хранения, управляющие входы которых соединены с пятым входом вычислительного блока 3. Выход устройства 16 выборки и хранения соединен с первым входом сумматора 20. Выход устройства 17 выборки и хранения соединен с первым входом перемножителя 21 и через инвертор 22 — со вторым входом сумматора 20. Выход устройства 18 выборки и хранения через масштабный элемент -23 соединен со вторым входом перемножителя 21 и первым входом сумматора 24. Выход 18 устройства выборки и хранения соединен со вторым входом сумматора 24, выход которого соединен со входом делителя 25. Выход перемножителя 21 соединен с третьим входом сумматора 20, выход которого соединен со входом делимого де3 1?9695 лителя 25. Выход делителя 25 является выходом устройства.

Для реализации вычислений вычислительный блок 3 должен содержать пятое устройство выборки хранения (не пока- 5 зано), информационный вход которого должен быть подключен к выходу дискретизатора 1, а управляющий вход — к вы— ходу одновибратора 5.

Сущность способа измерения средне- 10

ro значения периодических сигналов заключается в следующем.

Начиная от начала периода сигнала измеряют его мгновенные значения V.

1 с периодом Т . Последнее мгновенное 15 значение измеряют через интервал времени ьТ (Т после измерения предпоо следнего мгновенного значения Ч„

Измеряют интервал ьТ . При этом плоо щадь, ограниченная кривой изменения 20

Фъ — 1 сигнала во времени, равна V Т + о

i-О

+ U„ aT, а период Т сигнала выражается следующим образом:

Т = (т(-1)Т + ьТ 25

Среднее значение периодического сигнала равно

Е Ul Т,+Ц„ьт, V

1 (n-1) Т +ьТ и-1+( о о 30 (U. + с V„), (1)

1- 1

aT где el= — — — отношение измеренного

Т, интервала времени к периоду измерения

35 мгновенных значений сигнала.

Более точно среднее значение сигнала определяется из выражения

40 (и-1

1+4 — 2

1=2

U со и 1++

+ V )

l+ (2) Для анализа погрешности способа можно рассмотреть усреднение синусоидального сигнала, равное

Vep V. + V + п-1+а(Ь 2

"в„(t) = V„sin(2>haft) (3) где V è f — амплитуда и частота из- 50 меряемого напряжения.

Для удобства дальнейшего анализа выражения (1) и (2) представим соответственно в следующем виде:

11 55

V .** — — - I Ч. + (d.-l ) V 1 (4) и- 1+ < .

i=1 и

S = -- — - sint23(i-1) f/f ) +

1 и-1+д. 1, о

+ (d — 1) s in(23 (и -1) — 11 (6)

S = — — — jL sin(23(i-1) — ) + и-1+de; 1 f

d.— 1 f п(п (2%(п-I) — )} (7)

2 f„

Сумму синусов в выражениях (6) и (7) можно представить в следующем виде:

sint 23(i-l ) — ) =

sin (((— )

- - =n — 1+d

f (8)

Используя полученные выражения,упростим выражения (6) и (7)

sin(der f-)sin((d.-1)3 f-j и о +

2,- f

sin (> — )

f

+ (1- ) sin(23cL — )) (9) . ) з f о

sin (Л вЂ” ) sin1(д.— 1)3 "-)

Е

sin (3 — )

f, 1-<2 f

+ ---- sin (24Ъ вЂ” ) 2 f, Частота f выборок выбирается больше частоты измеряемого сигнала, (10) так, чтобы выполнялось неравенство

f, — (а 1. В этом случае выражения (9) и (10) можно упростить. В результате получим, (I+)g (f) (1 1) о

3 4 д--1

+ --- V 1

2 (5)

Измерения (выборки) мгновенных значений измеряемого сигнала производятся, начиная с момента времени t=O чеоез интервалы времени Т, = 1/f где f, — частота выборок. Среднее значение синусоидального напряжения (3) за период равно нулю. Поэтому при подстановке (3) в выражения (4) и (5) получим значения абсолютных погрешностей измерения, отношение которых к Ч„ дает соответствующие приведенные погрешности

1296953 (1 2) 3

,акал 4 (f ) с (13) 5 л с (д. 1 ) — (» — )

33 f

3 3 (12)

Максимальные значения погрешностей имеют место при д-= I/2 для выражения (11) и при д.= — для выражения

2 с,З 10

Ь "- — — (--) (14) лаке, I 2

При измерении косинусоидального напряжения U „ (t) = U„cos(22ft), проводя аналогичный расчет, получим соответственно значения погрешностей !

S v 22,7 (у-) (15) 8 1,3 (†-) (16) з макс 20

При измерении синусоидального напряжения с произвольной фазой Y

U (t) = V>sin(23f +ч) погрешность

bx рав;на макс 1 макс cos Ч + Р, sin v (17)

1макс где 8 и & - значения погрешносt N c 1 маис тей, рассчитываемые по формулам (14), (15), (16) и (1?) соответственно.

Максимальный выигрыш в точности 30 измерения достигается нри расчете искомого среднего значения по формуле (2). При расчете по формуле (2) поф Я грешность будет меньше в †(f/f )

3 35 раэ для синусоидального напряжения и 1,3 (f/f, ) раз для касинусоидального напряжения. На практике частота выборок устанавливается не менее чем в десять раз больше максимальной час— 40 тоты измеряемого сигнала,- поэтому предлагаемый способ обеспечивает повышение точности измерения синусои-дального сигнала более чем в 300 раз 45 и косинусоидального сигнала — более чем в 100 раз.

При измерении среднего значения сигналов произвольной формы предла50 гаемый способ также обеспечивает повышение точности измерения. Исключение составляют только сигналы прямоугольной формы, для которых единственным путем повышения точности измерения является увеличение отношения f /f т.е. при заданном диапазоне частот измеряемого сигнала — увеличение частоты выборок.

Предлагаемый способ может быть использован для измерения не топько среднего э:начения периодических сигналов, но и других интегральных характеристик периодических сигналов.

При этом в выражения (1) и (2) вместо мгновенных значений измеряемого сигнала следует подставить их абсолютное значение при измерении средневыпрямленного напряжения, квадрат мгновенных значений при измерении действующего значения напряжения (результат будет пропорционален квадрату действующего значения напряжения) и произведение мгновенных значений тока и напряжения при измерении активной мощности.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

От блока 14 запуска поступает короткий импульс., который обнуляет счетчик 10, а через элемент ИЛИ 12 — счетчик 9, запускает устройство 4 выделения периода и обнуляет сумматор 2.

Устройство 4 выделения периода формирует на своем выходе сигнал высокого уровня на время, равное периоду исследуемого сигнала. По положительному фронту сигнала с выхода устройства 4 выделения периода открывается элемент И 7 и запускается: одновибратор 5, который через элемент ИЛИ 13 запускает дискретизатор 1, который производит первую выборку мгновенного значения измеряемого сигнала. Через открытый элемент И 7 на счетный вход счетчика 9 от генератора 8 тактовой частоты начинак т поступать импульсы высокой частоты. После каждого переполнения счетчика 9 происходит его сброс в ноль через элемент 11 задержки и элемент ИЛИ 12 (время задержки выбирается больше времени выборки в дискретизаторе 1), прибавление единицы к содержимому счетчика 10 и запуск дискретизатора 1 через элемент ИЛИ !3.

В результате этого в счетчике 10 накапливается число, равное числу выборок, а дискретизатор 1 осуществляет выборки мгновейных значений измеряемого сигнала, которые через время задержки, определяемое элементом !5 задержки и достаточное для завершения переходного процесса в дискретизагоре I, суммируются в сумматоре 2.

По окончании периода измеряемого сигнала закрывается элемент И 7 и запус7 12969 кается одновибратор 6, выходной сигнал которого достаточный для завершения переходного процесса в элементах схемы поступает в вычислительный блок 3 и осуществляет запись соответ- 5 ствующих сигналов в устройствах 15-19 выборки и хранения. При этом устройство 16 выборки и хранения запоминаь ет сигнал, равный,б, Vi. Устройстi=1 во 17 выборки и хранения запоминает ! последнее выбранное мгновенное значение измеряемого сигнала V„ . Устройство 18 выборки и хранения запоминает содержимое счетчика 9, являющееся цифровым эквивалентом дополнительного интервала времени между последней выборкой и коццом периода измеряемого сигнала. Устройство 19 выборки и хранения запоминает содержимое счетчика 10, на единицу меньше числа выборок. Сигнал с выхода устройства 16 выборки и хранения поступает на первый вход сумматора 20, на второй вход

25 которого поступает сигнал, равный Ч„.

Иасштабный элемент 23 преобразует сигнал с выхода УВХ 18 в сигнал

1 = 1

После суммирования сигналов с1 и б -1 на сумматоре 24 и деления соответствующих сигналов в делителе 25 образуется сигнал, описываемый выражени40 ем (1) .

Предлагаемый способ измерения среднего значения периодических сигналов (по сравнению с известными) позволя4$ ет учесть влияние некратности частоты выборок мгновенных значений сигна53 ла и частоты сигнала, что обеспечивает повышение точности измерения.

Формула изобретения

ll-1

U = -- — — () Ц +oLU ) и I+aL е

i-1 где U. одно из измеренных мгновенных значений, В; последнее измеренное мгновенное значение, В; число измерений мгновенных значений; отношение длительности измеU„ ренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значений.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью повышения точности, первое и последнее слагаемые суммы определяют по соотношениям

I+M

Ц е

I +d.

V б б= бъ где V, иЧ„ — соответственно первое и последнее слагаемые суммы; — первое измеренное мгновенное значение.

l. Способ измерения среднего значения периодических сигналов, включающий периодические измерения мгновенных значений сигнала с периодом, меньшим периода сигнала, суммирование измеренных мгновенных значений и деб ление полученной суммы, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повы— шения точности, дополнительно измеряют интервал времени между последним измерением мгновенного значения и концом периода сигнала и определяют, среднее значение сигнала U„ no соотношению

1296953

Составитель А. Пучковский

Редактор А. Ревин Техред А.Кравчук Корректор М. Шароши

Заказ 773/47 Тиразк 731 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