Цифровой вольтметр эффективных значений

 

Оп ИСАН И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1Щ 6053I2

Союз Советских

Социалистических

Республик (б1) Дополнительное к авт. свпд-ву (22) Заявлено 17.04.76 (21) 2346283/21 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.04.78. Бюллетень № 16 (45) Дата опубликования описания 21.04.78 (51) М. Кл. - Н 03К 13/02

Государственный комитет

Совета Министров СССР ло делам изобретений и пткрьпий (53) УДК 681.325(088.8) (72) Авторы изобретения

В, М. Фролов, И. Ф. Островский и Б. В. Султанов

Пензенский филиал Всесоюзного научно-исследовательского технологического института приборостроения (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР ЭФФЕКТИВНЫХ ЗНАЧЕНИИ

Изобретение относится к области цифровой электроизмерительной техники.

Известен вольтметр эффективных значений на основе интегрирующих преобразователей напряжения с квадратической характеристикой преобразования, содержащий преобразователь напряжение — код, счетчик, генератор опорного напряжения, ключи и цифровое отсчетное устройство (11. Его недостатками является низкая точность, определяемая метрологическими характеристиками интегрирующих преобразователей и низкое быстродействие, обусловленное тем, что процесс измерения состоит из нескольких циклов.

Известен также цифровой вольтметр эффективных значений, содержащий входной персключатель, преобразователь напряжения B частоту, блок управления, ключи, генератор опорной частоты, преобразователь код — частота, реверсивный счетчик, счетчик, преобразователь код — напряжение и цифровое отсчетнос устройство (ЦОУ), Один из сигнальных входов переключателя связан с входной клеммой прибора, а другой — с выходом преобразователя код — напряжение; выход переключателя подключен к входу преобразователя напряжения в частоту, выход которого соединен с сигнальными входами одного из ключей и одного из преобразователей код — частота; управляющий вход этого ключа связан с управляющпм входом другого ключа и подключен к выходу блока управления, два других выхода которого соединены с управляющим входом переключателя и с входом сброса счетчика соответственно; выход первого ключа соединен с управляющим входом первого преобразователя код — частота, сигнальный вход второго ключа связан с сигнальным входом первого преобразователя код — частота и с

10 выходом генератора опорно"; выход этого ключа подключен к управляющему входу второго преобразователя код — частота, а выходы обои.; преобразователей код — частота соединены с разноименными входами ревер15 сивного счетчика, выход которого, в свою очередь, связан с входом счетчика; кодовые входы последнего соединены с управляющими входами преобразователя код — напряжение и цифрового отсчетного устройства (2). Точ20 ность такого прибора ограничивается наличием аналогового переключателя в цспи входного сигнала, метрологическими характеристиками преобразователя код — напряжение, а также погрешностью дискретности, которая

25 нс может быть обеспечена достаточно малой в силу того, что создание высокочастотных преобразователей напряжение — частота с квадратичной характеристикой, обладающих достаточно высокими метрологическими пока30 зателями, является сложной технической за405312 йа -Ьа . U„„>

1 " й

7 Ä + Г, = J." = — const, 50 да

3 дачеи. Кроме того, это устройство обладает низким быстродействием, так как процесс измерения состоит из двух циклов.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия устройства. Указанная цель достигается тем, что в цифровой вольтметр эффективных значений, содержащий первый и второй ключи, первьш и второй преобразователи код — частота, реверсивным счетчик, счетчик, цифровое отсчетное устройство и генератор опорной IBOTQTbi> пр 1 1ем Bblxo, f II(pBOI o KJIIoild связ;1н с управля;ощим входом первого преобразователя ко j— частота, выход которого соединен с входом суммирования реверсивного счетчика, cnl нальпый вход второго ключа подключен к выходу генератора опорной час1оты, а вход цифрового о1счетного устройства подсоединен к выходу первого счетчика, согласно изобретени1о введены преобразователь напряжения в интервал времени, третий, четвертый и пятый ключи, элементы совпадения кодов, триггер, второй счетчик и делитель частоты, причем выход преобразователя напряжения в и1ггервал времени соединен с управляющими входами первого и второго ключей, а вход квантования — — с выходом первого преобразователя код — частота; сигнальный вход первого преобразователя код — частота соединен с выходом первого ключа; вход делителя частонгbl подключе1 к выходу генератора опорной частоты, его первый выход соединен с тактирующим входом преобразователя напряжения в интервал времени и с входом сброса первого преобразователя код — частота, второй выход — с сигнальным входом первого ключа и управляющим входом второго преобразова.тели код —:астота, а тре1ий выход подключен к входу сброса второго преобразовагеля код— часто- ы, к входу сброса второго счетчика, к первому раздельному входу триггера, а также к в. оду сброса первого счетчика; сигнальный вход второго преобразователя код — частота подключен к выходу генератора опорной частоты; управляющие входы элементов совпадения кодов подсоединены к параллельным выходам реверсивного счетчика и второго счетчика, а пх выход подключен к второму раздельному входу триггера, причем выход последнего подключен к управляющим Входам третьего, четвертого и пятого ключей, сигнальный входы которых соединены соответственно с выходом второго преобразователя код — частота, первого преобразователя код— частота и генератора опорной частоты; Bbfxoды третьего, четвертого и пятого ключей подключены соответственно к входам вычитания реверсивного счетчика, второго счетчика и первого счетчика.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого вольтметра; на фиг. 2 — временные диаграммы, иллюстрирующие процесс получения информации о значении входного сигнала, 10

15 0

4

Вольтметр содерж1гг .1реобразователь 1 напряхкения в,fffepnaл времени, первый ключ

2, второй кл1оч 3, первый преобразователь 4 код — частота, Biopoii преобразователь 5 код— частота, третий кл оч b, четвертый ключ 7, рсверсивный счетчик 8, элемент 9 совпадения кодов, счетчик 10, триггер 11, пятьш ключ 12, цифровое отс IPTiloc уcTpolicTBo 13, c cT÷IIII 14, генератор 15 опорной частоты и делитель 16 частоты. Из::-.еряемое напряжение подается на вход 17 преобразователя 1, зыход которого связан с управл1иощими входами кл1очей 2 и

3, а вход квантования — с выходом преобра.зователя 4. Выход кл1оча 2 соединcH с уираB ляющим Bxoäoм, а выход ключа 3 — с сигнальным входом преобразователя 4. Разноименные входы счетчика 8 подсоединены к выходу преобразователя 4 и к выходу ключа б, сигнальный вход которого соединен с выходом преобразователя 5. Выход генератора

15 связан с сигнальными входами ключей 3 и

12, с сигнальным входом преобразователя 5 и с входом делителя 1б, первый выход которо1о соединен с тактирующим входом преобразователя 1 и с входом сброса преобразователя

4, второй выход — с сигнальным входом ключа 2 и с управляющим входом преобразователя 5, а трстпш выход подключен к водам сброса преобразователя 5, счетчика 1О и к одному из раздельных входов триггера 11, а также к входу сброса счет шка 14. Выход счетчика 14 подсоединен к входу устройства

13, а вход — к Bxo+5 кл1оча 12. Управляющие входы элемента 9 подсоединены к параллельным выходам счетчиков 8 и 10, а его выход подключен к зторому раздельному входу триггера 11, выход ко1орого подсоединен к управляющим входам ключсй б, 7 и 12. Вход счетчика 10 связан с выходом ключа 7, сигнальный вход которого подключен к выходу преобразователя 4, Процесс преобразования напряжения в интервал времени описывается системой уравнений где .с — — постоянная времени интегратора, Т вЂ” время преобразования преобразователя

1, т. е. длительность элементарного цикла преобразования цифрового вольтметра;

Т, и Т, —:информативные интервалы времени;

Up †- образцовое напряжение преобразователя 1;

U„ — входное напряжение.

Решение этой системы дает функци1о преобразования вида

7,= "=7 . 7а

На время Т1 на выходе преобразователя 1 появляется сигнал, разрешающий прохождение импульсов через ключи 2 и 3. В преобразова5 тель 4 за это время поступает количество импульсов, равное

У х 7 о где U,- (t) — мгновенное значение входного си ?тала;

f? — частота слелования импульсов на втоpod? выходе делителя 16.

Частота ня выходе преобразователя 4 равна

М11 U,- (t) T Uq (t) Т 2 о1 о) Гo1 та то15 гле Т,; — емкость счетчиков преооразователя 4;

S — постоянный коэффициент деления делителя 16 по второму выходу; г. — частота генератора 6 опорной части.

Тогда за время Т элементарного цикла преобразования на выходе преобразователя 4 появляется число импульсов, равное

Ю9л: f$ ° 7,: fo KV ()

>o >o

В конце элементарного цикла преобразования импульс тактовой частоты f, сбрасывает управляющий с тетчик преобразователя 4 в ноль, после чего он готов к новом) циклу преобразования. Длительность элементарного преобразования Т значительно меттьтпе периода Т исслечуемого сигнала, поэтому в течение одного цикла преобразования напря>тсение

U,. (т) можно полагать неизметтиым. В результате сумм?трован??я V,, за время преобразования Т„(для минимизации гогрешности от некратности Т целому числу периодов U„(t), Т„долж?то в несколько десятков раз превышать впемя периоля входного переменного напряжения), определяемое периочом следования импульсов с третьего выхода чслителя частоты 16, тт дальнейшей цифровой обработки полт тенной суммы пот чается результат, линейно связанттый с эффективным значением входного напряжения. Накопление методической погрешности в цифровом вольтметре устраняется путем квантования, заключающегося в синхронизации выходных импульсов преобразователя 1 члительностью Тт со счетными (квантующими) импульсами на выхоле преобразователя 4.

Вышеописанный процесс иллюстрируется временными диаграммами, представленными на сдвиг. 2. где 18 — ттмпульсьт тактовотт частоты f, на первом выходе лелителя частоты 16;

1 I

19 — импульсы частоты

Т, „Т (n — постоянный коэффициент) на третьем выходе делителя 16, задающей время преобразования; 20 — импульсы на выходе преобпазователя 4; 21 — ттмпульсьт на вьтхоче преобразователя 5; 22 — значения кочов в ревепгивном счетчике 8 (пунктпрпяя линия) тт в счетчике 10 (сплошная линия); 23 — импульсы на выходе элемента 9; 24 — сигнал на выходе триггера 11.

605М2

V„o f,t 1 tfo — — .o -- — j?i ° г:те t — теку?нее зна тептте впеметттт.

Л - — - емкость г?ет шков пр обрязовятеля 5.

К? — — — I?oc TQBHI? I.III коэффициент. .р

Лг, S

В результате этого значенце кола в счетчике 10 возрастает, а текущее значеттие кода в реверсивном счетчике 8 убывает. В момент времени t2 коды в реверсттввом счетчике 8 и в счетчике 10 становятся равными и на выходе элемента 9 совпадения кодов появляетгя импульс, который, вызывая срябатьтвянттг триггера 11, закрывает ключи 6 и 7. Г1оглг этого код в счетчике 10 перестает изменяться и ост".åòñÿ постоянным до конца цикла преобразования Т„, а кол в реверсивном счет шке

8 увелпчивяcTcë за с. ет суммиDoâяния пачек

?т.лпульсов .ттт,, продолжающих поступать на его вход суммирования. В мо .ттеттт врехтетттт 4 приходит импульс частоты т, . который сбрасывает в ноль счетчики 10 и 14 и прсобразователь 5 тт вызывает срабатываьпте триггера

11. Далее начинается следующий цикл преобр азования.

Процесс изменения кода в реверсивном с тетчике 8 за время Т„одного ?цикла преобра40 зовянття описывается системой уравнений т,„ т„. т„ К tdt XN у Ат р

T,„+T„, = T„= const т„, т„, т„ тп, I К,tdt = PN„+ У.Ю„= 5 И„,— == р т„ т„

= т" U „(odf=кт„ (сс (i?di р Тл

= КТ„У .

55 Откуда

Т„" U,p — К,G,Ф.

60 На время Т„открывается лля прохождения ттмпульсов опорной частоты fo ключ 12, и в г тетчпке 14 запигьтвяетгя число, пропорцттональное эффективному значению входного напряжения U,- (t), KQTopoå фиксируется и обра65, атывается устройством 13. В конце времени

Пачки пмп) льсов .Ч,, с преобразователя 4 непрепьтвтто погтупатот ття ттх0ч с ммиповя.тия певерсттвного счст титра 8 В то теттт времени т, когда ттмп льс тягтотьт f; пергбрягттттяе-. и тр?тгггр 11, те ? гяхтттм откпт-.твяя клто ттт 6 и 7, на вход с тетчттка 10 начиняют ттогтуттятт, пачки ттхтпс льсов У.,;. я ття вхоч вт т титянття пенс рспвного счетчика 8 поступа тот ?? ?ттрн льст.т литтейно ттзменятощгйгя тягтотт? с преобря: овя10 т л 5.

605312

7

Т„i счетчик 14 сбрасывается импульсом f после чего on готов к следующему циклу измерения.

Таким образом, быстродействие предлагаемого вольтметра обусловлено временем Т одного цикла преобразования вместо двух циклов в известном устройстве.

Для исключения переходного прсцесса, возникающего в подобного рода системах прп скачкообразном изменении входного сигнала, и заключающегося в регулировании информативного времени Т„;., служит счетчик 14, который ооеспечивает изменение кода встречное развертке кода в реверсивном счетчике 8.

Погрешность дискретности в устройстве определяется значением выходной частоты генератора 15 опорной частоты, которая может быть на несколько порядков больше максимально достижимой выходной частоты преобразователя напряжения в частоту.

Формула изобретения

Цифровой вольтметр эффективных значенийпй, содержащий первый и второй ключи, первый и второй преобразователи код — частота, реверсивный счетчик, первый счетчик, пнсЬровое отсчетное устройство и генератор опорной ча тоты, причем вы: од первого ключа свя:1H с управляющим входом первого преобразователя код — часто-,а, выход которого соединен с входом сух.мнрования реверсивного счет шк., спг taë.,ный в.;."д второго ключа подсоединен к выходу генератора опорной частоты, вход цифрового отс- етного устройства подсоединен к выходу первого счетчика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в него введены преобразователь напряжения в интервал времени, третий, четвертый и пятый ключи, элементы совпадения кодов, триггер, второй счетчик и делитель частоты, прпчем выход преобразователя напряжения в интервал времени соединен с управляющими входами первого и второго ключей, а вход квантования — с выходом первого преобразователя код — частота, сигнальный вход первого преобразователя код — частота соединен с выходом второго ключа, вход делителя частоты подключен к выходу генератора опорной частоты, а его первый выход соединен с тактирующим входом преобразователя напряжеш;я в интервал времени и с входом сброса первого преобразователя код — частота, второй выход соединен с сигначьным входом первого ключа и управляющим входом второго преобразователя код — частота, третий выход подключен к входу сброса второго преобразователя код †часто, к в. оду сброса второго счетчика и к перво.лу раздельному входу триггера, а также к входу сброса первого счетчика, сигнальный вход второго преобразователя кол — астота подключен к выходу генератора опорной частоты, управляю цие входы элементов совпадения кодов подсоединены к параллельным выходам реверсивного счетчика и второго счетчика, а их выход подклю25 чен к второму раздельному входу триггера, причем выход последнего подключен к управляющим в:одам третьего четвертого и пятого ключей, сигнальные входы которых соединены соответственно с выхо."ами второго преобра50 зователя код — частота, первого преобразователя код — частота и генератора опорной чато "ы, пчп этом вь;. ..о; ы третьего, четвертого н пятого ключей подключены соответственно к входам вычитания реверсивного счетчика, 35 второго счет шка и первого с тетчика.

Источники информации, принятые но внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР ¹ 367389, 40 кл. G 01R 19j26, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР № 94701, кл. G 01R 13/02, 1973.

605312

4 о (Г г

2 / ДЯДЕ (I IJ) l ("! В Ц П/ Щ i l t/ ИШО-: |

) 3 ,!

9п (.2, (F ! 1

/п1 (Т/7i! п

Гп(тп "п2, Фиг. 2

Составитель Д. Голубович

Техред А. Камышникова

Редактор А. Громов

Корректоры: Е, Мохова и T. Добровольская

Заказ 592/15 Изд. Аь 412 Тираж 1087 Подписное

НПО Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Типография, пр. Сапунова, 2