Измеритель амплитуды гармонических процессов (варианты)
Измеритель может быть использован при построении быстродействующих вольтметров переменного напряжения, амплитудных демодуляторов, амплитудных анализаторов и др. Принцип действия измерителя заключается в формировании из измеряемого синусоидального напряжения прямоугольных импульсов с помощью компаратора. Длительности импульсов определяются моментами пересечения синусоидальным напряжением порогового уровня в пределах одной полуволны. По количеству импульсов, суммарной длительности импульсов и периоду следования импульсов в функциональном преобразователе определяется амплитуда исследуемого синусоидального напряжения. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано при построении вольтметров переменного напряжения, амплитудных демодуляторов, амплитудных анализаторов и др.
Известен измеритель, содержащий аналоговое запоминающее устройство, дифференциатор, блок управления и цифровой вольтметр постоянного тока, вход которого соединен с выходом аналогового запоминающего устройства, вход которого является входом измерителя, выходом которого служит выход цифрового вольтметра постоянного тока, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, вход которого соединен с выходом дифференциатора, вход которого объединен со входом аналогового запоминающего устройства, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления [Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений. - М.: Энергоатомиздат, 1986, стр.217-218, рис.5.14].
Измеритель работает по принципу преобразования переменного напряжения в постоянное и далее измерения непосредственно постоянного напряжения, значение которого предполагается равным амплитуде исследуемого переменного (гармонического) напряжения. При этом точность измерения в значительной степени зависит от точности выделения аналоговым запоминающим устройством амплитудного значения процесса и от способности сохранять его неизменным в течение цикла измерений, что следует отнести к недостатку измерителя. Другим недостатком измерителя является необходимость использования в его структуре автономного вольтметра постоянного тока, который собственно и измеряет напряжение и вносит дополнительные погрешности, величина которых определяется совершенством его конструкции. В целом, в структурном отношении измеритель получается достаточно сложным и содержит ответственные аналоговые узлы, в значительной степени влияющие на результат измерений. Кроме того, принцип действия измерителя не предусматривает вычисление средних и среднеквадратических значений исследуемых процессов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является измеритель, содержащий компаратор, измеритель длительности импульсов (состоящий из элемента 2И и счетчика) и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход компаратора, вход опорного напряжения которого является входом порогового уровня измерителя, выход компаратора соединен со входом измерителя длительности импульсов, выход которого подключен ко входу функционального преобразователя [Аванесян Г.Р. Метод измерения амплитуды гармонического процесса. - Москва, 2002. Рук. депонирована в ВИНИТИ РАН, 11 июня 2002 г., №1074 - В2002, стр.3-4, рис.2].
Недостатком прототипа является невысокая точность измерений.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении точности измерения амплитуды гармонических процессов.
Технический результат достигается тем, что в измеритель амплитуды гармонических процессов (вариант 1), содержащий компаратор, измеритель длительности импульсов и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход компаратора, вход опорного напряжения которого является входом порогового уровня измерителя, выход компаратора соединен со входом измерителя длительности импульсов, выход которого подключен к первому входу функционального преобразователя, согласно изобретению введен измеритель количества импульсов, измеритель длительности импульсов служит для измерения суммарной длительности импульсов, функциональный преобразователь является двухвходовым устройством, второй вход которого соединен с выходом измерителя количества импульсов, вход которого соединен с выходом компаратора.
Технический результат достигается тем, что в измеритель амплитуды гармонических процессов (вариант 2), содержащий компаратор, измеритель длительности импульсов и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход компаратора, вход опорного напряжения которого является входом порогового уровня измерителя, выход компаратора соединен со входом измерителя длительности импульсов, выход которого подключен к первому входу функционального преобразователя, согласно изобретению введены измеритель количества импульсов и измеритель периода следования импульсов, измеритель длительности импульсов служит для измерения суммарной длительности импульсов, функциональный преобразователь является трехвходовым устройством, второй вход которого соединен с выходом измерителя количества импульсов, вход которого соединен с выходом компаратора, третий вход функционального преобразователя соединен с выходом измерителя периода следования импульсов, вход которого соединен с выходом компаратора.
Сущность изобретения поясняется функциональными схемами и временными диаграммами.
На фиг.1 приведена функциональная схема измерителя по первому варианту; на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие принцип измерения амплитуды; на фиг.3 - функциональная схема измерителя по второму варианту.
Измеритель амплитуды гармонических процессов по фиг.1 содержит компаратор 1, измеритель 2 количества импульсов, измеритель 3 суммарной длительности импульсов и функциональный преобразователь 4. Сигнальный вход компаратора является информационным входом устройства, на который подается измеряемый процесс u(t), вход опорного напряжения компаратора служит входом порогового уровня ΔU устройства, выходом которого является выход функционального преобразователя 4. Входы измерителей 2 и 3 объединены и подключены к выходу компаратора 1, выходы измерителей 2 и 3 подключены к соответствующим им входам функционального преобразователя 4.
Временные диаграммы (фиг.2) содержат измеряемый синусоидальный сигнал u(f)=Usinωt пороговый уровень ΔU (фиг.2а) и импульсы (фиг.2б) на выходе компаратора 1.
Измеритель амплитуды гармонических процессов по фиг.3 содержит компаратор 5, измеритель 6 количества импульсов, измеритель 7 суммарной длительности импульсов, измеритель 8 периода следования импульсов и функциональный преобразователь 9. Сигнальный вход компаратора 5 является информационным входом устройства, на который подается измеряемый процесс u(f), вход опорного напряжения компаратора служит входом порогового уровня ΔU устройства, выходом которого является выход функционального преобразователя 9. Входы измерителей 6, 7 и 8 объединены и подключены к выходу компаратора 5, выходы измерителей 6, 7 и 8 подключены к соответствующим им входам функционального преобразователя 9.
Устройство по фиг.1 предназначено для измерения амплитуды U гармонического процесса Usinωt с известной частотой ω. В основе функционирования измерителя лежит принцип выделения компаратором 1 амплитудно-зависимых временных интервалов Δti (фиг.2а) и их оценка за некоторый промежуток времени, равный периодам исследуемого сигнала. За оценку Δt* принимают усредненное значение
Искомая величина U* - оценка амплитуды - вычисляется как функция от m и Δt* в функциональном преобразователе 4 по формуле
где ΔU - фиксированный пороговый уровень, удовлетворяющий условию 0<ΔU<U. Неизвестные величины в вышеприведенной формуле: m - количество периодов и суммарная длительность выделенных временных интервалов 
измеряются в блоках 2 и 3 соответственно.
Оценка амплитуды U при неизвестной частоте ω требует введения дополнительной операции измерения либо частоты ω, либо периода Т(Т=2π/ω). Устройство, показанное на фиг.3, отличается от вышерассмотренного наличием дополнительного блока, измеряющего период сигнала (фиг.2б) и предназначено для измерения амплитуды гармонических процессов с неизвестной частотой ω. Принцип действия этого устройства мало отличается от первого: компаратор 5, измеритель 6 и измеритель 7 выполняют те же функции, что и блоки 1, 2 и 3 соответственно. Пороговый уровень выбирается так же, как и в первом случае. Что же касается функционального преобразователя 9, то он рассчитан на работу с тремя операндами: m, 
и Т. При этом зависимость выхода преобразователя 9 от его входов определяется выражением
Чувствительность рассмотренных измерителей 
определяется по формуле
откуда видно, что S возрастает с повышением порогового уровня ΔU и, следовательно, ΔU необходимо выбирать в области значений, близких к измеряемой амплитуде U.
Касаясь вопросов реализации измерителей, отметим, что точность измерений главным образом зависит от стабильности напряжения ΔU и от погрешности измерителя суммарной длительности импульсов. Кроме применения высокостабильных источников опорного напряжения следует предусмотреть еще и фильтрацию высокочастотных составляющих, сдвигающих во времени моменты срабатывания компараторов и искажающих таким образом выделяемые амплитудно-зависимые временные интервалы. Снижение погрешности измерителя 3 (7) достигается традиционным путем уменьшения дискрета измерений. Структуру измерителя 3 (7) также следует считать общеизвестной и в простейшем случае представляющей собой двоичный счетчик с подключенным к счетному входу выхода элемента 2И, на один вход которого подают информационные импульсы, а на другой - счетные. В отличие от измерителей длительностей одиночных импульсов в настоящей структуре счетчик не следует обнулять перед началом каждого очередного информационного импульса.
1. Измеритель амплитуды гармонических процессов, содержащий компаратор, измеритель длительности импульсов и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход компаратора, вход опорного напряжения которого является входом порогового уровня измерителя, выход компаратора соединен со входом измерителя длительности импульсов, выход которого подключен к первому входу функционального преобразователя, отличающийся тем, что в него введен измеритель количества импульсов, измеритель длительности импульсов служит для измерения суммарной длительности импульсов, функциональный преобразователь является двухвходовым устройством, второй вход которого соединен с выходом измерителя количества импульсов, вход которого соединен с выходом компаратора.
2. Измеритель амплитуды гармонических процессов, содержащий компаратор, измеритель длительности импульсов и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход компаратора, вход опорного напряжения которого является входом порогового уровня измерителя, выход компаратора соединен со входом измерителя длительности импульсов, выход которого подключен к первому входу функционального преобразователя, отличающийся тем, что в него введены измеритель количества импульсов и измеритель периода следования импульсов, измеритель длительности импульсов служит для измерения суммарной длительности импульсов, функциональный преобразователь является трехвходовым устройством, второй вход которого соединен с выходом измерителя количества импульсов, вход которого соединен с выходом компаратора, третий вход функционального преобразователя соединен с выходом измерителя периода следования импульсов, вход которого соединен с выходом компаратора.
