Устройство для измерения среднеквадратического значения напряжения

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения интегральных параметров, преобразованных в электрический сигнал вибрации, шума и т.д. Цель изобретения - упрощение устройства. Устройство содержит усилители 2 и 4, блок 3 фильтров, детектор 6 среднеквадратических значений и блок 8 индикации. Введение резистивного делителя 9, дифференциальных компараторов 11 и 12 напряжения, одновибраторов 13 и 14, мультиплексора 15, элементов И-НЕ 16 и 17, элемента ИЛИ 19 позволяет по единому каналу передавать текущие значения среднеквадратического значения напряжения и коэффициентов передачи управляемого усилителя. При этом не требуется многоканального блока индикации. Устройство выполнено на стандартных микросхемах. Обеспечена повышенная точность измеряемого напряжения путем выделения участка шкалы повышенной точности. 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения интегральных параметров преобразованных в электрический сигнал вибрации, шума, пульсации при спектральном анализе случайных сигналов. Цель изобретения - упрощение устройства. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для измерения среднеквадратического значения; на фиг. 2 - структурная схема второго усилителя с управляющими входами; на фиг. 3 - структурная схема детектора среднеквадратических значений; на фиг. 4 и 5 - структурные схемы первого и второго одновибраторов соответственно; на фиг. 6 - временная диаграмма работы устройства. Устройство для измерения среднеквадратического значения содержит входную шину 1, соединенную через последовательно включенные усилитель 2, блок 3 фильтров и второй усилитель 4, выполненный с управляющими входами 5, с детектором 6 среднеквадратических значений, двоичный счетчик 7 (для переключения диапазонов измерения), блок 8 индикации, резистивный делитель 9, шину 10 опорного напряжения, два дифференциальных компаратора 11 и 12 напряжения, два одновибратора 13 и 14, аналоговый мультиплексор 15 с входами управления А_о и А₁, два элемента И-НЕ 16 и 17, ограничительный резистор 18, элемент ИЛИ 19, причем выход детектора 6 среднеквадратических значений подключен к неинвертирующему входу компаратора 11 напряжения и первому информационному входу Х₁ аналогового мультиплексора 15, второй информационный вход Х₂ которого подключен к шине 10 опорного напряжения Е_о, третий информационный вход Х₃ - к общей шине, выход аналогового мультиплексора 15 - к блоку 8 индикации, входы А_o и А₁ управления выбором каналов подключены к прямым Q-выходам последовательно включенных (выход Q первого одновибратора 13 подключен к инверсному входу А₁ запуска второго одновибратора 14) первого и второго одновибраторов, инверсные Q-выходы которых подключены соответственно к счетному С-входу счетчика 7 переключения диапазонов и первому входу первого элемента И-НЕ 16, выход которого подключен к (инверсному) входу А запуска первого одновибратора 13, а второй вход - к выходу первого дифференциального компаратора 11, инвертирующий вход последнего - к выводу резистивного делителя 9, другой вывод которого подключен к неинвертирующему (+) входу второго дифференциального компаратора 12, инвертирующий вход которого подключен к неинвертирующему входу первого компаратора 11, а выход - к первому входу второго элемента И-НЕ 17, второй вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ 19, входами подключенного к выходам первого и второго разрядов счетчика переключения диапазонов, выход второго элемента И-НЕ 17 через ограничительный резистор 18 подключен к шине 20 установки в нуль устройства, инверсным SR-, R-входам сброса в нуль первого одновибратора 13 и счетчика 7 переключения диапазонов и (инверсному) второму запускающему входу А₂ запуска второго одновибратора 14. Делитель напряжения выполнен на резисторах 21, 22 и 23. Первый одновибратор 13 имеет вход запуска, вход сброса и парафазные выходы Q и Q. К второму одновибратору предъявлено дополнительное требование: длительность выходных парафазных импульсов на выходах Q и Q его не должна зависеть от длительности входного сигнала по входам А₁ и А₂ запуска его, иначе не будет обеспечена правильная работа при длинном импульсе по шине 20 установки нуля, например, в момент подачи питания, так как не будет обеспечено последовательное включение одновибратора и работа всего устройства. Второй усилитель с управляющими входами (см. фиг. 2) содержит аналоговый мультиплексор 24, неинвертирующий усилитель 25 и резистивный делитель 26, вход которого является входом 27 второго усилителя, выход которого подключен к общей шине, а отводы и вход - к входам каналов аналогового мультиплексора 24, выход которого подключен к входу неинвертирующего усилителя, а входы А₀ и А₁ управления выбором каналов являются управляющими входами 5 второго усилителя. Код на входах управления однозначно определяет, какой отвод резистивного делителя подключен к неинвертирующему усилителю, а следовательно, и коэффициент передачи второго усилителя. Детектор среднеквадратических значений (см. фиг. 3) содержит формирователь 28 модуля переменного сигнала, вход которого является входом 29 детектора среднеквадратических значений, а выход подключен через резистор 30 к инвертирующему входу операционного усилителя 31 и коллектору транзистора 32, база которого соединена с общей шиной, а эмиттер - последовательно с диодом 33 и резистором 34, другой вывод которого подключен к выходу операционного усилителя 31, точка объединения диода 33 и резистора 34 подключена к последовательно подключенным диоду 35 и эмиттеру транзистора 36, база которого подключена к общей шине, а коллектор - к инвертирующему входу операционного усилителя 37, резистор 38 в цепи обратной связи операционного усилителя 37, конденсатор 39 RC-фильтра нижних частот, одна обкладка которого подключена к выходу операционного усилителя 37 и выходу 40 детектора, а другая - к эмиттеру транзистора 36. Резистор 34 обеспечивает устойчивость логарифмирующего усилителя, а формирование модуля значения измеряемого напряжения осуществляется вычитанием из выходного сигнала однополупериодного выпрямителя переменного входного сигнала при соотношении амплитуд вычитаемых сигналов 2:1. Одновибратор 13 (см. фиг. 4) содержит RS-триггер 41 на элементах И-НЕ, времязадающую интегрирующую RC-цепь 42, включенную в цепь обратной связи триггера 41 через логический элемент НЕ 43. Одновибратор имеет прямой Q- и инверсный Q-выход, это выходы с плеч триггера. Одновибратор имеет вход А запуска и вход SR сброса в нуль, это S- и R - соответственно входы RS-триггера 41 одновибратора. По короткому замыкающему сигналу формируются расширенные импульсы на Q- и Q - выходе. При длительности входного запускающего сигнала, большей длительности выходного, выход Q формирует импульс как и ранее, а выход Q остается в состоянии логической единицы, пока держится входной сигнал. Одновибратор 14 (см. фиг. 5) содержит RS-триггер 44 на элементах И-НЕ, времязадающую интегрирующую RS-цепь 45, включенную в цепь обратной связи триггера 44 через логические элементы НЕ 46 и 47. Одновибратор имеет прямой Q- и инверсный Q - выход, выход Q - с плеча триггера, выход Q - с элемента НЕ 46. По короткому запускающему сигналу формируются расширенные импульсы на Q- и Q-выходе. При длительности запускающего сигнала, большей длительности выходного, формируются те же расширенные импульсы, что и при коротком сигнале. Устройство функционирует следующим образом. Работа устройства основана на способе спектрального анализа случайных сигналов, основанном на формировании значений спектральных составляющих энергетического спектра исследуемого сигнала путем фильтрации определенных участков спектра исследуемого сигнала, усиления его, квадратичного вычисления среднеквадратического значения и дальнейшей регистрации полученных значений на носителе блока индикации или просто визуальном считывании данных. При этом обеспечивается автоматический выбор диапазона измерений. В исходном состоянии сигнал на выходе равен нулю. Счетчик 7 и одновибратор 13 сброшены в нуль импульсом по шине 20 установки нуля от внешнего устройства установки нуля. По этому импульсу второй одновибратор запускается (см. фиг. 6, U^Q₁₄) и вырабатывает первый импульс. На выходе мультиплексора - нуль (подключена общая шина ХЗ). Он предотвращает ложную информацию на входе блока 8 индикации о переходных процессах в шине опорного напряжения Е_о и в цепочке устройств от входной шины 1 до выхода детектора 6 при подаче питания на устройство. На управляющих входах А_о и А₁ (t₀, см. фиг. 6) мультиплексора 15 код 00 от одновибратора, т. е. к выходу мультиплексора подключен канал Х1, делитель напряжения в управляемом усилителе 4 не задействован. На счетчике 7 код 00, коэффициент передачи управляемого усилителя 4 максимален и равен 2. В момент t₀ (см. фиг. 6) окончания импульса на прямых выходах одновибраторов логические нули, на инверсных единицы, т. е. по коду 00 одновибратора аналоговый мультиплексор выбрал канал Х1 и, значит, выход детектора подключен к блоку индикации. При наличии перегрузок (см. фиг. 6, U_пор.), на выходе детектора среднеквадратических значений срабатывает компаратор 11, одновибраторы 13 и 14 последовательно вырабатывают пару импульсов, в момент t₁ код от одновибраторов на аналоговом мультиплексоре изменяется на 10, в момент t₂ - на 01, поэтому к выходу его подключаются каналы Х2 и Х3, а в линию связи с блоком индикации уходит очередное логическое окно (импульс плюс пауза). С окончанием импульса одновибратора 14 запрет по И с элемента 16 И-НЕ снимается, устройство готово к регистрации дальнейших перегрузок компаратором 11. При наличии спада выходного напряжения детектора 6 (t₉, см. фиг. 6) до уровня U_пор.2 срабатывают компаратор 12 и элемент И-НЕ 17 (U^R₇ при t₉, см. фиг. 6), только одновибратор 14 вырабатывает импульс, на вход блока индикации устройства уходит нулевой сигнал, а устройство сбрасывается в исходное состояние, при котором - нулевой код на счетчике, максимальный коэффициент усиления усилителя 4, одновибратору 13 подтверждено состояние логического нуля. С окончанием импульса второго одновибратора 14 на вход (t₁₀, см. фиг. 6) блока 8 индикации вновь поступает текущее состояние среднеквадратического значения процесса. Кроме того, на фиг. 6 обозначено: U₁ (скз) - эквивалентное напряжение шумового или вибросигнала (с внешнего датчика) на входной шине 1, оно выражено для наглядности не в истинных, мгновенных значениях, а в обработанном виде, в среднеквадратических значениях, на участке для наглядности показан один из периодов истинного, необработанного, т. е. переменного, напряжения с амплитудой А на входной шине 1; U^х₁₅ - напряжение на выходе аналогового мультиплексора (с детектора среднеквадратических значений, шины 10 опорного напряжения Е_о, общей шины - в соответствующие моменты времени), регистрируемое блоком 8 индикации; на участке 0 - t₁ коэффициент передачи К_п второго усилителя равен 2, код на счетчике 7 равен 00; на участке t₁-t₄ коэффициент передачи К_п второго усилителя равен 1, код на счетчике 7 равен 01; на участке t₄-t₆ коэффициент передачи К_п второго усилителя равен 1/2, код на счетчике 7 равен 10; на участке t₆-t₉ коэффициент передачи К_п второго усилителя равен 1/4, код на счетчике 7 равен 11; на участке t₉-t₁₀ сброс в исходное состояние Кп равен 2; участки t₁-t₂, t₄-t₅, t₆-t₇ показывают длительность импульса первого одновибратора 13, т. е. протяженность уровня логической единицы, следом идет уровень логического нуля, длительность которого задается вторым одновибратором 14 (см. участки t₂-t₃, t₅-t₆, t₇-t₈). При этом в моменты t₁, t₂, t₆ нарастающее выходное напряжение детектора 6 достигает верхнего порогового U_пор.1, напряжения дифференциального компаратора 11 [см. скачки входного напряжения U₁(скз)] и происходит уменьшение коэффициента передачи. При этом вместо выхода детектора 6 к блоку 8 индикации через аналоговый мультиплексор 15 подключается шина 10 опорного напряжения Е_о на время импульса с прямого выхода одновибратора 13 (U^a₁₃, см. фиг. 6). В моменты t₂, t₅, t₇ к блоку 8 индикации через аналоговый мультиплексор 15 подключается общая шина на время импульса с прямого выхода одновибратора 14 (U^Q₁₄, см. фиг. 6), а одновибратор 13 восстанавливается благодаря отключению его от компаратора элементом И-НЕ, имеющим на входе запрещающий сигнал (нуль) с второго одновибратора 14. В моменты t_o, t₃, t₈, t₁₀ нет импульсов с одновибраторов 13 и 14, на прямых выходах их логические нули, и к входу аналогового мультиплексора 15 подключен выход детектора 6 среднеквадратических значений. Сумма длительности очередных импульсов одновибраторов должна быть больше или равна постоянной времени RC-фильтра детектора среднеквадратических значений, необходим отсчет только установившихся значений среднеквадратического значения процесса. Верхнее пороговое напряжение (U_пор.1) дифференциального компаратора 11 определяется напряжением Е_о по шине 10 опорного напряжения и соотношением резисторов 21-23 резистивного делителя 9 U_пор1= E .
Величина U_пор1 выбирается равной максимально допустимому (по точности) выходному напряжению детектора 6 среднеквадратических значений. Величина Е_о выбирается равной максимально допустимому входному сигналу блока 8 индикации. Нижнее пороговое напряжение (U_пор.2) дифференциального компаратора 12 определяется как
U_пор2= E_o· . . Величина U_пор2 выбирается равной минимально допустимому выходному напряжению среднеквадратического значения там, где погрешность его за счет смещения нуля выхода мала, где отсчет аналого-цифрового или другого преобразователя блока 8 индикации имеет еще достаточно приемлемую точность, где линейность характеристики преобразования детектора 6 еще высока. При любом состоянии счетчика (кроме нулевого кода) спад перегрузки (см. пример с t₉) сбрасывает устройство в исходное состояние, затем все происходит однотипно. Чтобы сбросить устройство в исходное состояние при нулевом коде на счетчике, после подачи питания подается перепад по шине 20 установки. Диаграмма U₁₆ (см. фиг. 6) показывает импульсы на выходе элемента И-НЕ 16, вырабатываемые в моменты достижения верхнего порогового напряжения U_пор.1, по срабатыванию компаратора 11. Импульс запускает в работу первый одновибратор 13 (U^Q₁₃, см. фиг. 6) и продолжает ее вплоть до срабатывания второго (U^Q₁₄, см. фиг. 6) одновибратора 14 по концу импульса (U^Q₁₃, см. фиг. 6) первого одновибратора 13. Инверсный выход второго одновибратора нулем закрывает (моменты t₂, t₅, t₇) элемент И-НЕ 16, одновибратор 13 восстанавливается, подготавливается к работе во время импульса (U^Q₁₄) второго одновибратора 14. А второй одновибратор восстанавливается, подготавливается к работе во время импульса (U^Q₁₃) первого одновибратора. Диаграмма U^R₇ (см. фиг. 6) показывает импульсы на установочных R-входах счетчика 7 и первого одновибратора 13 и запускающем входе А2 второго одновибратора 14. Первый импульс U^Q₁₄ вырабатывается до момента t_o при подаче внешнего импульса (U^R₇) по шине 20 установки нуля. Он предотвращает ложную информацию (превращая ее в нулевую известную) на входе блока 8 индикации о переходных процессах в шине опорного напряжения и в цепочке устройств от входной шины 1 до выхода детектора 6 при подаче питания на устройство. Последний импульс U^Q₁₄ вырабатывается в момент t₉ достижения нижнего порогового напряжения U_пор.2 (см. U^X₁₅). Код на счетчике 7 был ненулевой, элемент 19 ИЛИ держит единичный сигнал на входе элемента И-НЕ 17. В момент t₉ компаратор 12 устанавливается в единицу на выходе, т. е. на выходе элемента И-НЕ 17 возникает логический нуль, одновибратор 13 повторно сбрасывается в нуль, одновибратор 14 запускается на выработку импульса U^Q₁₇, затем счетчик 7 сбрасывается в нуль, короткий импульс (U^R₇, момент t₉) прекращается. Время запуска одновибратора 14 должно быть меньше времени сброса в нуль счетчика 7, что легко достигается либо выбором соответствующей элементной базы, либо установкой дополнительной небольшой интегрирующей RC-цепи непосредственно на R-входе счетчика 7, либо для этих целей можно установить небольшую интегрирующую RC-цепь на выходе элемента ИЛИ 19, можно включить последовательно включенные логические элементы в цепь ИЛИ. Ограничительный резистор 18 служит для защиты входа элемента И-НЕ 17 от короткого замыкания при подаче нулевого сигнала по шине 20 установки в нуль (U^R₇ до момента t₀). Для нормальной работы необходимо, чтобы выходное сопротивление внешнего логического элемента, управляющего шиной 20 установки нуля, было малым в состоянии логического нуля и большим по сравнению с ограничительным резистором 18 в состоянии единицы внешнего устройства, или этот внешний логический элемент должен быть с открытым коллектором. Мгновенные значения входного сигнала переменного тока с входной шины 1 поступают через преобразователь импеданса (усилитель 2) на полосовой фильтр 3, далее на усилитель 4 с управляющими входами и линейный детектор 6 среднеквадратических значений. Напряжение на выходе детектора 6 среднеквадратических значений определяет состояние счетчика 7, управляющего коэффициентом передачи управляемого усилителя 4. Последнее обеспечивает автоматический выбор диапазона при спектральном анализе процесса, а число импульсов, поступившее на счетчик, передается и на блок индикации по тому же каналу связи. В рассмотренном примере (по фиг. 2) прошло три импульса как на счетчик 7, так и на блок индикации: первый импульс - в момент t₁-t₂, второй импульс - в момент t₄-t₆, третий импульс - в момент t₆-t₇. Три раза изменялся код на счетчике, три раза изменялся и коэффициент передачи от двух единиц до 1/4, обеспечивая автоматический выбор диапазона измерения.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее входную шину, подключенную к последовательно соединенным первому усилителю, блоку фильтров, второму усилителю, выполненному с входом управления коэффициентом усиления, детектору среднеквадратических значений, блок переключения диапазона, выход которого подключен к входу управления коэффициентом усиления второго усилителя, блок индикации, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства, в него введены резистивный делитель, два дифференциальных компаратора, два одновибратора, аналоговый мультиплексор, два элемент И - НЕ, ограничительный резистор, элемент ИЛИ, блок переключения диапазонов выполнен в виде счетчика, причем крайние выводы резистивного делителя соединены с шиной опорного напряжения и общей шиной, первый и второй средний выводы делителя напряжения соединены соответственно с инвертирующим входом первого и неинвертирующим входом второго компараторов, вторые входы которых объединены и соединены с выходом детектора среднеквадратических значений, выходы первого и второго компараторов подключены к первым входам соответственно первого и второго элементов И - НЕ, второй вход первого элемента И - НЕ подключен к инверсному выходу второго одновибратора, второй вход второго элемента И - НЕ подключен к выходу элемента ИЛИ, первый, второй и третий информационные входы аналогового мультиплексора подключены соответственно к выходу детектора среднеквадратических значений, шине опорного напряжения и общей шине, выход аналогового мультиплексора соединен с входом блока индикации, первый и второй входы управления аналогового мультиплексора соединены с прямыми выходами соответственно первого и второго одновибраторов, вход запуска первого из которых соединен с выходом первого элемента И - НЕ, а инверсный выход первого одновибратора соединен со счетным входом счетчика, вход сброса в нуль которого подключен к входу сброса в нуль первого одновибратора, к первому входу запуска второго одновибратора и шине установки в нуль всего устройства, которая через ограничительный резистор соединена с выходом второго элемента И - НЕ, выходы счетчика соединены с входами элемента ИЛИ, а прямой выход первого одновибратора соединен с вторым входом запуска второго одновибратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6