Устройство для измерения действующего значения напряжения в диапазоне инфразвуковых частот

 

Изобретение служит для повьппения точности измерения вольтметра инфранизких частот. Устройство содержит квадратор 1, нуль-орган 3, пересчетный блок 4, сумматор 5, блок 6 деления, блок 7 извлечения квадратного корня, генератор 8 импульсов,, элемент И 9, счетчик 10 импульсов и элемент ИЛИ 14. Введение блока 11 обнаружения экстремума, элементов И 13, 15...17 и реверсивного счетчика 18 позволяет интегрирование квадра; тично преобразованного напряжения производить втечение двух, смещенных по фазе и перекрывающихся по времени , интервалов. Длительности последних равны между собой и кратны периоду, вьщеляемому из измеряемого напряжения по его синфазным переходам через нуль. Начала интервалов интегрирования задается в моменты времени , . соответствующие нулю и максимуму мгновенного значения измеряемого напряжения. В связи с этим погрешности измерения, вызванные неточностью вьщеления периода на обоих интервалах интегрирования, противоположны по знаку и максимально близки по модулю , а следовательно, указанные погрешности компенсируются. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. о (О (Л

„„80„„1366 9 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 G 01 R 19/02

1 !

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ф, .!

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4020690/24-2 1

)(22) 12.03.86. (46) 15.01.88. Вюл. Ф 2 .(72) В.А. Мокрицкий (53) 621.317.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 117332, кл. G 01 R 19/02, 02.03.84.

Известия вузов. Радиоэлектроника.

Т. XIV, и -6, 1971, с. 645. рис.2. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМ :РЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ДИА.—

ПАЗОНЕ ИНФРАЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ (57) Изобретение служит для повьппения точности измерения вольтметра инфранизких частот. Устройство содержит квадратор 1, нуль-орган 3, пересчетный блок 4, сумматор 5, блок 6 деления, блок 7 извлечения квадратного корня, генератор 8 импульсов,. элемент И 9, счетчик 10 импульсов и элемент ИЛИ 14. Введение блока 11 обнаружения экстремума, элементов И

13, 15".17 и реверсивного счетчика

18 позволяет интегрирование квадра тично преобразованного напряжения производить в.течение двух, смещенных по фазе и перекрывающихся по времени, интервалов. Длительности последних равны между. собой и кратны периоду, выделяемому из измеряемого напряжения по его синфазным переходам через нуль. Начала интервалов интегрирования.задается в моменты времени,,соответствующие нулю и максимуму мгновенного значения измеряемого напряжения. В связи с этим погрешности измерения, вызванные неточностью выделения периода на обоих интервалах интегрирования, противоположны по знаку и максимально близки по модулю, а следовательно, указанные погрешности компенсируются. 1 з.п. ф-лы, 2 ил, 1366889 2

Изобретение относится к области электроизмерений и может быть использовано в вольтметрах инфранизких частот. 5

Цель изобретения — повышение точности путем повышения помехоустойчивости и снижения влияния дрейфа нуля.

На фиг. 1 изображена структурная . схема предлагаемого устройства, на 10 фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит квадратор 1, выполненный в виде преобразователя квадрата мгновенного значения напря- 1 жения в частоту, вход которого соединен с входной клеммой 2 и входом нуль-органа 3, выход которого соединен с первым входом пересчетного блока 4, сумматор 5, выход которого сое- 20 динен с первым входом блока 6 деления, выход которого подключен к первому входу блока 7 извлечения квадратного корня, генератор 8 импульсов,выход которого соединен с первым входом 25 первого элемента,И 9, второй вход которого соединен с первым входом пересчетного блока 4, а выход — со счетчиком 10 импульсов. Устройство также содержит блок 11. обнаружения экстремума, вход которого соединен с входной клеммой 2, а выход — со вторым входом пересчетного блока 4. К выходу квадратора 1 через делитель 12 частоты на два подключен первый вход З5 второго элемента И 13, второй вход которого подключен ко второму выходу пересчетного блока 4, а выход — к первому входу первого элемента ИЛИ 14

Первый вход третьего элемента И 15 40 соединен с выходом квадратора 1,второй вход соединен с третьим выходом, пересчетного блока,4, а выход — ко второму входу первого элемента ИЛИ 14, выход которого подключен к первому 45 входу сумматора 5. Ко второму входу сумматора 5 подключен четвертый выход пересчетного блока 4. Первый вход четвертого элемента И 16 подключен к пятому выходу пересчетного блока 4, 50 а его второй вход — к выходу генератора 8 импульсов. Первый вход пятогб элемента И 17 соединен с шестым выходом пересчетного блока 4, а его второй вход — с выходом генератора

8 импульсов.

Первый вход реверсивного счетчика

18 подключен к четвертому выходу пересчетного блока 4, его второй вход— к выходу четвертого элемента И 16, третий вход — к выходу пятого элемента И 17, а выход — с третьим входом пересчетного блока 4. Выход счетчика

10 импульсов подключен ко второму ,входу блока 6 деления. Седьмой выход пересчетного блока 4 соединен с третьим входом блока 6 деления и вторым входом блока 7 извлечения квадратного корня.

Пересчетный блок 4 содержит мультивибратор 19, первый выход которого соединен со входом первого одновибратора 20 и первым входом первого элемента И 21, второй выход мультивибратора 19 соединен с первым входом второго элемента И 22. Объединенные выводы первого 21 и второго

22 элементов И являются первым входом пересчетного блока 4. Выход первого элемента И 2 1 подключен к пер1 вому входу первого триггера 23. Выход второго элемента И 22 подключен к первому входу первого элемента ИЛИ

24 и первому входу второго триггера

25. Выход первого одновибратора 20 является четвертым выходом пересчетного блока, а также соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ 24 и вторым входом второго триггера 25, третий вход которого является третьим входом пересчетного блока 4 ° Выход первого элемента ИЛИ 24 подключен ко второму входу первого триггера 23 и первому входу третьего триггера 26.

Выход первого триггера 23 является первым выходом пересчетного блока 4 и соединен с первым входом третьего элемента И 27 и первым входом четвертого элемента И 28, второй вход которого является вторым входом пересчетного блока 4. Выход третьего элемента И 27 является пятым выходом пересчетного блока 4 и соединен с первым входом второго элемента ИЛИ 29, выход которого является вторым выходом пересчетного блока 4. Выход чет- вертого элемента И 28 соединен со вторым входом третьего триггера 26, первый выход которого подключен ко второму входу третьего элемента И 27, а его второй выход является третьим выходом пересчетного блока 4. Первый выход второго триггера 25 подключен ко второму входу второго элемента

ИЛИ 29 и является шестым выходом пересчетного блока 4. Второй выход вта рого триггера 25 подключен к входу нуль-органа 3 и блока 11 обнаружения экстремума. На выходе нуль-органа 3 в моменты перехода измеряемого напряжения через нуль (начала положительных полуволн на фиг. Za) возникают короткие импульсы, а на выходе блока 11 обнаружения экстремума короткие импульсы возникают в моменты достижения измеряемым напряжением экстремального значения (максимума положительной полуволны на фиг.2а).

Высокий потенциал на первом выходе мультивибратора 19 разрешает прохождение выходных импульсов нуль-органа

3 через элемент И 21 на первый вход триггера 23. В результате первый же выходной импульс нуль-органа 3, прошедший через элемент И 21 в момент времени t, устанавливает триггер

23 в состояние логической единицы.

Соответствующий этому состоянию высокий потенциал на выходе триггера

23 разрешает прохождение импульсов через элемент И 9 с выхода генератора 8 импульсов на вход счетчика

10. Кроме этого, высокий потенциал на выходе триггера 23 разрешает прохождение импульсов через элемент

И 28 с выхода блока 11 обнаружения экстремума на первый вход триггера

26. Первый же выходной импульс блока 11 обнаружения экстремума, прошедший через элемент И 28 в момент времени t ц„, устанавливает триггер

26 в состояние логической единицы по первому выходу. До момента времени tH, т.е. в промежутке времени

t, -t „,, наличие высоких потенциалов на выходе триггера 23 и втором выходе триггера 26 приводит к наличию высокого потенциала на выходе элемента И 27, благодаря чему открыт элемент И 16. Импульсы с выхода генератора 8 импульсов поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 18, вследствие чего промежуток времени t„„ -t „< запоминается в реверсивном счетчике 18 в виде числа, соответствующего количеству импульсов, поступивших на его суммирующий вход. С элемента И 27 высокий потенциал передается также на выход элемента ИЛИ 29, благодаря чему открыт элемент И 13. В результате на протяжении промежутка времени „ -t< им- . пульсы с выхода квадратора поступают через делитель 12 частоты на два, открытык элемент И 13 и элемент ИЛИ 14

3 1366889 второго одновибратора 30, выход которого является седьмым выходом пересчетного блока 4.

На временных диаграммах приняты следующие обозначения: U„ — измеряемое напряжение, f, — частота на выходе квадратора 1", U U«, U 1 >

П, Ц, Б и Б -- найряженйя на выходах нуль-органа 3, блока 11 обнаружения экстремума, мультивибратора 19, триггеров 23 и 26, элемента

И 27, триггера 25 и элемента ИЛИ 29 соответственно, N — число импульсовв реверсивном счетчике 18, „„ и t y, — 1б моменты выявления синфаз ных переходов измеряемого напряжения через нуль соответствующие началу и концу выделяемого периода измеряемого напряжения, t, — моме т выявления макси- 20 мального значения измеряемого напря- жения, t — момент окончания интегрирования, Т вЂ” период измеряемого напряжения, а Т. — погрешность определения периода измеряемого напряжения, 26

dt — погрешность определения момента перехода измеряемого напряжения через

I максимум, t — время.

Устройство работает следующим образом. г ЗО

Цикл измерения задается мультивибратором 19. Началом цикла является момент возникновения высокого положительного потенциала (состояния логической единицы) на первом (верхнем на фиг. 1) выходе мультивибратора 19.

Положительный период приводит к срабатыванию одновибратора 20, в результате чего на выходе последнего появляется короткий импульс, устанавлива- 4О ющий все разряды сумматора 5 и счетчика 10 в состояние логического нуля (низкого потенциала), а разряды реверсивного счетчика 18 — в состояние логической единицы. Импульс одно- 4В вибратора 20 используется также для быстрого приведения пересчетного блока в исходное состояние, при котором все три триггера 23-26 устанавливаются в состояние логического нуля по первому (прямому) выходу. Установка указанных триггеров в.состояние логического нуля осуществляется импульсом одновибратора 20, воздей-.

ВТороН Вх0р, триггepB 25 непосредственно и через элемент ИЛИ

24 на вторые входы триггеров 23 и 26.

Измеряемое напряжение U „ поступает одновременно на входы квадратора 1, 89

5 13668 на информационный вход сумматора 5.

Элемент И 15 в это время заперт низким потенциалом, снимаемым с первого выхода триггера 26.

За промежуток времени t„„ -t „, на вход сумматора 5 поступает число импульсов равное

t "- () и в,, = — )е,(с)а = — )v„(t)dc, ()) о и и1

И1

И1 где N — число импульсов пои1

Э ступивших на вход сумматора 5 за промежуток времени

f„(t) — мгновенная частота на выходе квадратора 1, S . . — — коэффициент преобразования (чувствительность) квадратора, UÄ(t) — мгновенное значение измеряемого напряжения U„, — время.

Коэффициент — в выражении (1) 25

2 обозначает коэффициент передачи делителя 12 частоты на два.

В момент времени tð на втором выходе триггера 26 устанавливается низкий потенциал. Низкий потенциал сохраняется также на втором выходе триггера 25. В результате на выходах элементов И 27 и ИЛИ 29 устанавливаются низкие потенциалы, что приводит к запиранию элементов И 13 и 16. В 35 реверсивном счетчике 18 к моменту времени Сщ оказывается записанным число импульсов, пропорциональное временному интервалу t „,-t „,.

В то же время высокий потенциал 40 на первом выходе триггера 26 открывает элемент И 15, в результате чего выходные импульсы квадратора ripoxoдят на вход сумматора 5 через элемент

И 15, минуя делитель 12 частотй на 45 два. Такое состояние устройства сохраняется до опрокидывания мультивибратора 19. После опрокидывания мультивибратора 19 элемент И 2 1 запирается, а элемент И 22 открывается. В 50 результате первый же импульс, прошедший в момент времени t „„ с выхода нуль-органа 3 через элемент И 22 на первый вход триггера 25, устанавливает его первый (прямой) выход в 55 состояние логической единицы. Этот же импульс, пройдя дополнительно через элемент ИЛИ 24, воздействует на вторые входы триггеров 23 и 26, в результате чего они устанавливаются в состояние логического нуля. Установка триггера 23 в состояние логического нуля приводит к запиранию элемента И 9. в результате чего прохождение импульсов на вход счетчика

10 прекращается. Поскольку в течение цикла установка триггера 23 в состояние логической единицы (в момент

t ) и его возврат в состояние лон гического нуля (в момент t „ ) осуществляется с помощью импульсов нульоргана 3, которые формируются по синфазным переходам измеряемого напряжения через ноль, то тем самым триггер 23 выделяет временной интервал

t д, -,, равный целому числу периодов измеряемого напряжения. Чтобы обеспечить выделение временного интервала t -t „ равного не менее и) к одного периода, продолжительность импульса на первом выходе мультивибратора 19 выбирается больше периода нижней частоты измеряемого напряжения. Интервал t t „, запоминается в счетчике 10 в виде числа импульсов, поступивших на его вход через элемент И 9 с выхода генератора импульсов 8:

N„о к (.и) ) =f, пТ, (2) где N „ — число импульсов, записанных в счетчике 10 за интервал времени t „, -t „„=nT, f, — частота генератора 8 импульсов, n = 1,2,3 .. — целое число, Т вЂ” период измеряемого напряжения.

Число N импульсов, поступающих на вход сумматора 5 за временной промежуток t„ — t„„, определяется выражением

1 С1 к1 (t)Йг = s I и „(t)dt(ç) н, )(2

Как было указано выше, в момент триггер 26 устанавливается в состояние логического нуля, что приводит к запиранию элемента И 15. Одновременно триггер 25 устанавливается в состояние логической единицы по первому (прямому) выходу, в результате чего открываются элементы И 13 и

И 17 и импульсы с выхода генератора

8 импульсов проходят на вычитающий вход реверсивного счетчика 18. Когда все разряды реверсивного счетчика

7 1366 установятся в состояние логического нуля, последующий входной импульс в момент t„ переводит все разряды в состояние логической единицы (фиг.

5 . 2к) . Возникающий при этом положительный перепад напряжения на выходе последнего разряда реверсивного счетчика 18 подается на счетный вход триггера 25, вызывая его опрокидывание.

В результате на первом выходе триггера 25 возникает состояние логического нуля, что приводит к эапиранию элемента И 17 по второму входу и запрету. прохождения импульсов на вычитающий вход реверсивного счетчика 18. Низкие потенциалы на обоих входах элемента

ИЛИ 29 вызывают появление низкого потенциала на его выходе, чем обеспечивается запирание элемента И 13. Про- 20. хождение импульсов с выхода квадратора 1 на вход сумматора 5 прекращается.

Поскольку на временном интервале импульсы квадратичного преобразователя (квадратора) 1 поступают 25 на вход сумматора 5 через делитель 12 частоты на два, то их количество

N определяется выражением

I((к)

1 8 Г

V „(t) ae.(4)Z0

1 к 1к, Суммарное количество N импульсов, поступивших на вход сумматора 5 за цикл измерения равно

889

N =КФ =K K — х

1 о

- (8) позволяет получить результат на выходе блока 7 извлечения квадратного корня, численно равным действующему значению измеряемого напряжения, Заканчивается цикл измерения в момент перехода мультивибратора 19 в

40 состояние логической единицы по первому выходу. Для нормальной работы устройства длительность на первом выходе мультивибратора 19 должна быть не менее одного периода, а продолжи45 тельность паузы между импульсами должна составлять около полутора периода нижней частоты измеряемого напряжения.

Повышение точности в предлагаемом устройстве (по сравнению с известным) достигается благодаря тому, что интегрирование квадратично преобразованного напряжения производится в течение двух смещенных по фазе и перекрывающихся во времени интервалов t

Н1 и t„ -t, длительности которых равны между собой и кратны периоду г выделяемому из измеряемого напряжения по его синфазным переходам через ноль. (выражение (6) и фиг.2б). Начала ин5-И - + И + И (5) и1 l(q р) " с(к(Поскольку обратный счет в реверсивном счетчике 18 осуществляется с той же частотой, что и прямой, то тем самым при обратном счете обеспечивается воспроизведение временного промежутка, фиксированного в реверсивном счетчике 18 при прямом счете.

Следовательно, временной промежуток равен временному промежутку

Учитывая это, а также принимая во внимание выражения (1)-(4), выражение (5) можно представить следующим образом. ИЯ хк хк

j х ) х г ) S т

1 (()(!

= sn ) U „(t) dt. (6) о

В момент времени tk на втором выходе триггера 25 устанавливается состояние логической единицы. Возникающий при этом положительный перепад запускает одновибратор 30. Корбткий выходной импульс одновибратора

30 воздействует на вход записи блока

6 деления и вход установки в ноль блока 7 извлечения квадратного корня.

Благодаря этому информация с сумматора 5 и счетчика 10 переносится в блок 6 деления, а блок 7 извлечения квадратного корня обнуляется. В результате выполнение операции деления на выходе блока 6 деления появляется число И, импульсов. т

Б

N =К вЂ” =K — — ) П (t)8t (7)

6 6N rf .т ) к

5 о где К вЂ” коэффициент пропорциональности для блока 6 деления, Указанное число импульсов поступает на блок 7 извлечения квадратного корня, В результате выполнения операции извлечения квадратного корI ня в выходном счетчике блока 7 записывается число о где К, — коэффициент пропорциональности для блока 7 извлечения квадратного корня.

Обеспечение условия К К -- = 1 с

136б889 тервалов интегрирования задается в моменты времени, соответствующие нулю и максимуму мгновенного значения измеряемого напряжения, в связи с чем погрешности измерения, вызванные неточностью выделения периода (горизонтально застрахованные участки на фиг. 2б) на обоих интервалах интегрирования противоположны по знаку и 1р максимально близки по модулю. В результате интегрирования по обоим интервалам указанные погрешности компенсируются, благодаря чему точность измерения напряжения значительно воз- 15 растает.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения действующего значения напряжения в диапазоне инфразвуковых частот, содержаrqee квадратор, выполненный в виде преобразователя мгновенного значения 25 напряжения в частоту, вход которого соединен с входной клеммой и входом нуль-органа, выход которого соединен с первым входом пересчетного блока, сумматор, выход которого соединен с Зр первым входом блока деления, выход которого подключен к первому входу блока извлечения квадратного корня, генератор импульсов, выход которого соединен с первым входом первого

35 элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом пересчетного блока, а выход — со счетчиком импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повЫшения точности, в него дополнительно введены блок обнаружения экстремума, вход которого соединен с входной клеммой, а выход— с вторым входом пересчетного блока, делитель частоты на два, вход которо- 45

ro соединен с выходом квадратора,второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу делителя частоты на два,- второй вход — к второму выходу пересчетного блока, а выход — к 5р первому входу первого элемента ИЛИ, третий элемент И, первый вход которого соединен с выходом квадратора, второй вход — с третьим выходом и пересчетного блока, а выход — с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с четвертым выходом пересчетного блока, четвертый элемент И, первый вход которого соединен с пятым выходом пересчетного блока, второй вход — с выходом генератора импульсов, пятый элемент И, первый вход которого соединен с шестым выходом пересчетного блока, а второй вход — с выходом генератора импульсов, реверсивный счетчик, первый вход которого соединен с четвертым выходом пересчетного блока и вторым входом счет.чика импульсов, второй вход — с выходом четвертого элемента И, третий вход — с выходом пятого элемента И, а. выход — с третьим входом пересчетного блока, выход счетчика импульсов подключен к второму входу блока деления, а седьмой выход пересчетного блока — к третьему входу блока деления и второму входу блока извлечения квадратного корня.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что пересчетный блок содержит мультивибратор, первый, второй, третий четвертый элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, первый, второй триггеры, первый и второй одновибраторы, при этом первый выход мультивибратора соединен с входом первого одновибратора и первым входом первого элемента И,. второй выход мультивибратора соединен с первым входом второго элемента И, объединенные вторые входы первого и второго элементов И являются первым входом пересчетного блока, выход первого элемента подключен к первому входу первого триггера, выход второго элемента И подключен к первому входу первого элемента ИЛИ и первому входу второго триггера, выход первого одновибратора является четвертым выходом пересчетного блока, а также соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и вторым входом второго триггера,третий вход которого является третьим входом пересчетного блока, выход первого элемента ИЛИ подключен к второму входу первого триггера и первому входу третьего триггера, выход первого триггера является первым выходом пересчетного блока и соединен с первым входом третьего элемента И, первым входом четвертого элемента И второй вход которого является вторым входом пересчетного блока, выход третьего элемента И является пятым выходом пересчетного блока и соедиСоставитель А. Пучковский

Техред М.Дидык Корректор А. Ильин

Редактор А. Ревин

Заказ 6830/42 Тираж 772

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, 4

11 1366889 12 нен с первым входом второго элемента счетного блока, первый выход второго

ИЛИ, выход которого является вторым триггера соединен с вторым входом выходом пересчетного блока, выход второго элемента ИЛИ и является шесчетвертого элемента И соединен с вто- тым выходом пересчетного блока, а рым входом третьего триггера, первый .второй выход второго триггера подвыход которого подключен к второму ключен к входу второго одновибратора, входу третьего элемента И, а второй выход которого является седьмым вывыход является третьим выходом пере- ходом пересчетного блока.