Способ определения среднего значения периодических сигналов

 

Использование: изобретение относится к технике электроизмерений и может быть использовано в приборах для измерения интегральных характеристик сигналов. Сущность изобретения: способ определения среднего значения периодических сигналов основан на измерении и суммировании мгновенных значений сигнала, измерении интервала между последним измеренным в течение периода мгновенным значением CHI нала и концом периода, дополнительном умножении сигнала на непрерывную ступенчатую весовую Функцию, а также измерении мгновеннных значений сигнала во втором периоде и нахождении среднего значения периодического сигнала по расчетной формуле. 2 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1Sl1s G O R 19/00

ГОСУДАРСТВЕ НЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Т

"г ср Т (2) N — 1

Оср g Ul /(N-1), 1=1 (21) 4867448/21 (22) 17.09.90 (46) 30.06,93. Бюл. М 24 (71) Московский энергетический институт (72) И.Н.Желбаков, А.В,Янков, П.А.Черняев и Л.Н.Федчун (56) Авторское свидетельство СССР рв 1296953, кл. С 01 R 19/00, 1985. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО

ЗНАЧЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (57) Использование: изобретение относится к технике электроизмерений и может быть использовано в приборах для измерения инИзобретение относится к технике электроизмерений и может быть использовано в приборах для измерения интегральных характеристик сигналов.

Известен способ измерения среднего значения периодических сигналов, согласно которому периодически, с периодом дискретизации Тд, меньшим периода сигнала, измеряют мгновенные значения сигнала, суммируют измеренные мгновенные значения сигнала, а среднее значение определяют иэ соотношения: где Ui — мгновенное значение входного сигнала 08х, измеренное в момент времени I .

Тд, UN-1 — последнее мгновенное значение, измеренное в течение периода сигнала Т.

Недостатком известного метода является ограниченная точность измерения сред„„Я2„„1824588 А1 тегральных характеристик сигналов. Сущность изобретения: способ определения среднего значения периодических сигналов основан на измерении и суммировании мгновенных значений сигнала, измерении интервала между последним измеренным в течение периода мгновенным значением сигнала и концом периода, дополнительном умножении сигнала на непрерывную ступенчатую весовую функцию, в также измерении мгновеннных значений сигнала во втором периоде и нахождении среднего значения периодического си нала по расчетной формуле. 2 ил. него значения, при которой приведенная к максимальному значению сигнала погрешность измерения среднего значения, вызванная погрешностью измерения периода, можно определить по следующему выражению:

Значение отношения ТА к Т обычно не может быть меньшим определенной величины, поэтому известный метод имеет ограниченную точность.

Выражение (2) получено следующим образом. При измерении среднего значения периодического сигнала погрешность измерения можно представить в виде суммы нескольких составляющих, одной иэ которых может являться 1 ср — составляющая погрешности, вызванная погрешностью измерения периода.

1824588

Целью предлол;енного способа является уменьшение составляющей y cp. Поэтому при анализе погрешности )

Т, измеренного с относительной погрешностью д т (Зкноявляется нормированным.т.е, его площадь равна 1. Представив операцию измерения среднего э<<ачения в виде свертки:

Ucp = !вхт *

Т(1 д т);

1)» входной сигнал, равный О» внутри временного отрезка от 0 до Т, и равный

0 за пределами временного отрезка;

1I. — импульсная периодическая единичная функция с периодом Т.

8ыделив преобразование Квр+ 1т, можно провести синтез н наихудшей формы сигнала U», которая приводит к приведенной погрешности измерения среднего значения, вызванной измерением периода с погрешностью д т, равной 2 ° д т. Для аналога значение д т равно Тд/Т, откуда следует выражение (2), Наиболее близким техническим решениек! является способ измерения, включающий периодические измерения мгновенных знач» ий сигнала с периодом дискретизации Тд .ньшим периода сигнала Т, суммирование измеренных в моменты времени i

Тд мгновенных значений сигнала Ui, где i —порядковый номер измерения, согласно которому с целью устранения описанного выше недостатка измеряют интервал времени между последним измерением мгновенного значения в течение периода сигнала и концом период сигнала, определяют отношение длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значе;!ий и делят полученную сумму согласно следующему ныраже<<и<о.

U,ð= (Ui

1=! где — отношение длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значений Тд, При этом приведенная погрешность измерения среднего значения, вызванная погрешностью измерения периода д т, не превышает удвоенной погрешности измерения периода д т, которая определяется только точностью измерения а, Недостатком известного метода является ограниченная точность измерения среднего значения, обусловленная сильным влиянием относительной погрешности измерения периода д т на результат измерения среднего значения U

10 способе измерения среднего значения периодических сигналов, включающем периодические измерения мгновенных значений сигнала с периодом дискретизации Тд, меньшим периода сигнала Т, суммирование измеренных в моменты времени I . .Тд мгновенных значений сигнала Ui, где i — порядковый номер измерения, измерение интервала времени между последним измерением м< новенного значения в течение периода сигнала и концом периода сигнала, определение отношения длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значений и деление полученной суммы, согласно изобретению, 25 умножают сигнал на ступенчатую весовую функцию р, равную при 1, изменяющемся от 1 до N - 1, где N — порядковый номер первого измерения мгновенного значения после окончания периода, и равную 2N -

Г при I, изменчощемся от N д< 2Ы 3, измеряют мгновенные значения умноженного сигнала р !<, а также <лз<леряют мгновенные з<<ачен<ил си<. ала <<, пр« I, изменяющемся, от N до 24 — 1, и опрел:.ляют среднес эначе«ие !.!< р: о в< раж .н, о

LI c p

2!Ч --:, 2 Г< "-2 ,<,р Ui +2rr, U; +a U2< < —

40 =N — (4) (N — 1 + а)2 где а — отношение длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значений Тд.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе содержатся новые признаки — умнсжение измеряемого сигнала на непрерывную ступенчатую весовую функцию р, измерение мгновенных значений умножен50 ного сигнала с периодом дискретизации Тд.

Положительный эффект достигается эа счет того, что благодаря умножению измеряемого сигнала на ступенчатую весовую функцию р, равную! при 1, изменяющемся от 1

55 до N-1 и равную 2N-2-i при i, изменяющемся от

N до 2N 3, измерению мгновенных значений умноженного сигнала р.UI, а также измерению мгновенных значений сигнала Ui при I, изменяющемся от N до 2N-t, и определении среднегозначения О..р по выражению (4), 1824588 способ позволяет измерять среднее значение периодического сигнала с приведенной погрешностью у,р, не превышающей удвоенного квадрата относительной погрешности измерения периода д т, что повышает точность измерения

ytp-2 - д т г ги-з

S1-,, р 0ь (6) Начиная с момента N Тддо(2й-2). Тд, измеряют также (фиг. 2ж) мгновенные значения сигнала Ui и суммируют эти значения в сумме Яг г1ч — з

Яг Г Ui

1 =1

После измерения мгновенного значения U2N- среднее значение сигнала Оср вычисляют по выражению

S1+2a S2+aÐ. Огн — 1() Оср (8) (N — 1+a) Устройство. реализующее способ (фиг.

1). содержит формирователь 1, один вход которого соединен с входной шиной О х. а второй вход соединен с шиной "Запуск". выход формирователя 1 соединен с входами запуска генераторов счетных импульсов 2 и

На фиг. 1 представлен пример структурной схемы устройства, реализующего способ; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устросйства, Предлагаемый способ осуществляется следующим образом, В момент начала периода сигнала формируют первую ступеньку весовой функции р, равную 1 (фиг,2е), умножают измеряемый сигнал U x (фиг. 2b) на р и измеряют мгновенное значение умноженного сигнала. Через отрезок времени, равный периоду дискретизации Тд, р увеличивают на 1, измеряют мгновенное значение р . Ui и суммируют измеренные значения в сумме S1. Этот процесс продолжается до момента окончания периода, В следующий момент времени N, Тд измеряют временной интервал между моментом окончания периода и N . Тд (фиг. 2г) р(1) уменьшается на 1, измеряют мгновенное значение р. Ul и суммируют в S1, В момент (2N - 2) . Тд значение S1определяется следующим образом:

3, а также с входом ключевого элемента

2ИЛИ 1. Выход генератора 2 соединен с входом ключевого элемента 2ИЛИ 5, входом ключевого элемента 2И 6, а также с входом

5 сброса генератора 3, Выход элемента 5 соединен с вторым входом элемента 4, со счетным входом реверсивного счетчика 7, а также с входом запуска аналого-цифрового преобразователя (АЦП) мгновенного значе10 ния 8 и с входом запуска сумматора 9. Вход управления реверсивного счетчика 7 соединен с выходом формирователя 1. Выход "=0" счетчика 7 соединен с вторыми входами ключевых элементов 5 и 6. Выходная шина

15 счетчика 7 соединена с цифровым входом умножающего цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 10, вход опорного напряжения которого соединен с входной шиной

Овх, а выход соединен с входом АЦП 8. Вы20 ход АЦП 8 соединен с входом сумматора 9, Выход генератора 3 соединен с входом счетчика 15. Выход элемента 4 соединен с входом запуска АЦП 11, с входом запуска сумматора 12, а также с входом счетчика 13.

25 выход элемента 6 соединен с вторым входом запуска АЦП 11, а также с входом запуска вычислительного блока 14. Входы данных вычислительного блока 14 соединены с выходами блоков 13, 15. Шина "За30 пуске соединена с входами сброса в "0" содержимого блоков 7, 9 — 13 (на фиг. 1 последнее соединение условно не показано).

35 Может быть реализовано на элементах серий К555. К521, К572, К427.

Устройство, реализующее способ (фиг.

1), работает следующим образом. Короткий

40 импульс по шине "Запуск" (фиг. 2) сбрасывает в "0 содержимое счетчиков 7, 1, 13 и сумматоров 9, 12, а также состояние выхода

"-0" счетчика 7. Импульс "Запуск" запускает формирователь 1. Формирователь 1 форми45 рует на своем выходе сигнал высокого уровня иа время, равное периоду исследуемого сигнала (диаграмма б фиг. 26). По положительному фронту сигнала запускается генератор 2., вырабатывающий

50 последовательность коротких тактовых импульсов с периодом Тд.

Первый импульс через открытый элемент 5 проходит на счетный вход реверсивного сне чика 7 и увеличивает содержимое

55 счетчика на . Весовая функция р в течение отрезка времени 0-Тд равна 1, Следующий тактовый импульс увеличивает содержимое

7 на 1 и р равна 2 в течение Тд-2Тд, Перемножающий ЦАП 10 (например, К427ПА1А, Б) выполняет умножение входного сигнала

Овх на н: грерывную ступен атую весовую функцию р, задаваему:о на цифровом входе

ЦАП 10 пес,.едствсм ",÷åò÷èêà 7 M,"Hoååí1824588 ус> 2 дт,(9) I а =N a

Т„

Т„

55

+ Ф

Vcp = Овеет КтР 1T ные значения перемножаемого напряжения р !.4х измеряют при помощи АЦП 8 с периодом дискретизации Гд и суммируют в сумматоре 9, формируя значение суммы S> (6).

Описанный проц сс продолжается до момента окончания периода, когда задний фронт формирователя 1 запускает генератор 3, вырабатывающий последовательность коротких тактовых импульсов с периодом дискретизации Тд, значительHo меньшим Тд (диаграмма г фиг. 2). Эти импульсы подсчитываются в счетчике 15, Окончание генерации 3 происходит в момент поступления на вход сброса 3 следующего тактового импульса с порядковым номером N, Содержимое счетчика 10 равно числу импульсов N генератора 3. заполнивших интервал времени между задним фронтом формирователя 1 и первым поступившим тактовым импульсов генератора 2. Изменение состояния выхода 1 вызывает переключение режима работы реверсивного счетчика 7 на вычитание. Тактовый импульс с номером N (диаграмма д фиг. 2) вызывает уменьшение р на 1. Процесс уменьшения р продолжается до момента достижения О, Изменение состояния выхода "=0" счетчика 7 закрывает ключевой элемент 5 и открывает ключевой элемент 6.

После окончания периода тактовые импульсы с номером N — 2N -1 (диаграмма ж фиг. 2) поступают на входы запуска АЦП 11. Эти импульсы подсчитываются в счетчике 13.

Значение S2, равное сумме мгновенных значений UN — U2N-2 (7), формируется в сумматоре 12, Мгновенное значение U2N-i с выхода

АЦП 11 подается на вход вычислительного блока 14. Вычислительный блок 14 может быть реализован как на дискретных элементах цифровой техники, так и на процессорных элементах, и используется для арифметической операции вычисления Vcp по формуле (8). Вычислительный блок 14 по импульсу начала вычисления с выхода элемента 6 реализует вычисление а по формуле и вычисление Оср по формуле (8).

Анализ предложенного способа позволяет вывести выражение (5) для погрешности измерения Ucp, обусловленной погрешностью измерения периода д т. Как указано в пояснении для выражения (2), операцию (4) можно записать в виде свертки

45 где Ктг — треугольное окно, являющееся результатом свертки двух прямоугольных окон

Кпр с шириной Т(1 ч: д т), Выделив преобразование Ктр 1т, можно провести синтез наихудшей формы сигнала U»<, которая приводит к приведенной погрешности измерения среднего значения уср, равной 2, д (5).

Для прямоугольного окна, примененного в прототипе, погрешность ср определяется по выражению (9).

Таким образом, при осуществлении предложенного способа погрешность измерения у ср по сравнению с проготипом уменьшается в 1/ д т раз.

При погрешности измерения периода д т, равной 17ь, для вольтметра цифрового микропроцессорного Ф4853, разработанного на кафедре информационно-измерительной техники Московского энергетического интситута и реализующего известный способ. погрешность у ср не превосходит 2ф,, Для опытного образца, смоделированного и испытанного так же и реализующего предложенный способ, погрешность y cp не превосходит 0,02, Формула изобретения

Способ определения среднего значения периодических сигналов, заключающийся в том, что периодиче;ки измеряют мгновенные значения сигн а: а с периодом дискретизации T„, меньши 1 периода сигнала Т, суммируют измеренные в моменты времени

l Тд мгновенные значения О! сигнала, где — порядковый номер измерения, измеряют интервал времени между последним измерением мгновенного значения в течение периода сигнала и концом периода сигнала, определяют отношение а длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значений и находят среднее значение Ucp периодического сигнала по расчетной формуле, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, умножают периодический сигнал на непрерывную ступенчатую весовую функцию р, равную при I, изменяющемся от 1 до N - 1, где N — порядковый номер первого измерения мгновенного значения сигнала после окончания периода, и равную 2N — 2i при I, изменяющемся от N до 2N - 3, измеряют мгновенные значения умноженного сигнала р О! и суммируют их. а мгновенные значения Ul сигнала измеряют при I, изменяющемся от N до 2N - 1. и определяют

1824588

10 среднее значение периодического сигнала по выражению

2М --з

Хр, Ч -- 1 + гг 2

Jangcn. /Вх

Корректор M.Òêà÷

I åäàктор 1аказ 2223 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Составитель Л.Фомина

Техред M. Moðlåíòàë (Згр=

2N --2!

li 4 2а 5 1!)+(Р LJ2N — )! =N

ZN. 2