Устройство для измерения максимального значения сигналов

 

Союз Советских

Социалистических

Республик ()739424

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬСТВУ

»

Ф

1 т, -..ф / (6I ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 12.12,77 (21) 2553633/18 21 (5I ) М. Кл. с присоединением заявки Ю

Государственный комитет

СССР ао делам изобретений и открытий

G 01 R 19/04 (23) Приоритет

Опубликовано 05.06.80. Бюллетень № 21

Дата опубликования описания 05.06.80 (53) УДK 621.317. .7(088.8) N. М. Гельман

- » »»» ("» .;.,, . (72) Автор изобретения (7i ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО

ЗНАЧЕНИЯ СИГНАЛОВ .!

1 2

Изобретение относится к измеритель- первые входы которых соединены паралной технике и может быть использовано дельно, второй вход опорного компаратов электроизмерительных устройствах и си- ра подключен к общей шине устройства, стемах автоматического регулирования а второй вход измерительного компаратодля измерения максимального значения ра соединен с выходом генератора ступенсигналов и процессов, в том числе редко:- чатого напряжения (21. повгоряюшихся и одиночных, Недостатком известного устройства явИзвестны аналоговые измерители экс- ляется снижение быстродействия с расшитремальных значений сигналов, основ»аи- рением диапазона измеряемых сигналов ные на принципе интегрирования и преоб- по уровню- и, как следствие, увеличение l0 разования спектра этих сигналов (1). динамической погрешности.

Недостатками являются невысокая точ- цель изобретения — повышение бысгро- ность измерений и ограниченность спектра .действия устройства в широком диапазоне измеряемых сигналов. уровней измеряемых сигналов.

Наиболее близким по технической суш15

Поставленная цель достигается тем, ности к предлагаемому является аналого- что в устройство для измерения максицифровое устройство для измерения экст- мального значения сигналов, содержащее ремума сигналов, работающее на принципе . выходной кодовый регистр, генератор стусравнения последовательных значений сиг- пенчатого напряжения, а также опорный нала со ступенчато изменяющимся уравно- и измерительный компараторы, первые вешивающим опорным напряжением и со- входы которых соединены параллельно, втодержашее выходной кодовый регистр, гене«рой вход компаратора подключен к обшей ратор ступенчатого напряжения, а также шине устройства, а второй вход измериизмерительный и опорный компараторЫ, тельного компаратора соелинен с выходом

3 7394 генера тора ступенчатого напряжения, ввелены коммутатор аналогового сигнала, входной делитель, входными шинами .включенными между входом устройства и общей шиной, соответствующие выходы кото5 рого подключены к соответствующим входам коммутатора аналогового сигнала, логический элемент И, два логических элемента ИЛИ, группа триггеров, ключ элемент временной задержки, распределитель импульсов, декадный делитель, группа ключевых элементов, шунтирующих старшие декады декадного делителя, входом включенного между общей шиной устройства и выходом генератoph ступенчатого 15 напряжения, группа дополнительных измерительных компараторов, первые входы которых соединены параллельно и подключены к аналоговому выходу коммутатора аналогового сигнала, а второй вход каждого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к соответствующей ступени одной из декад декадного делителя, выход каждого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к пер- 25 вому входу триггера, вторые входы триггеров соединены параллельно и подключены к выходу первого логического элемента ИЛИ, первый вход которого подсоединен к выходу элемента временной задержки и 5п первому входу второго логического эпементаИЛИ, второй вход которого соединен со входами сброса генератора ступенчатого напряжения, распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала, выход З5 измерительного компаратора подключен к второму входу первого логического элемента ИЛИ, входы запуска генератора, ступенчатого напряжения и распределителя импульсов соединены с первым входом ло- 4р гического элемента И, второй вход которого соединен с подключенным к одним из выходов распределителя импульсов, а выход логического элемента И соединен со входом запуска коммутатора аналогового 45 сигнала и вторым входом второго логического элемента ИЛИ, кодовые выходы распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала и выходы группы триггеров подключены к соответствующим входам 5O кодового регистра, к которому через ключ подсоединены также выход опорного компаратора и выход одного из дополнительных измерительных компараторов, а вход элемента временной задержки подключен к вы- 55 ходному кодовому регистру непосредственно..

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства.

24 4

Устройство содержит измерительный вход 1 устройства, входной делитель 2, коммутатор 3 аналогового сигнала с входами запуска 4 и сброса 5, выходом 6 аналогового сигнала и кодовым выходом

7, логический элемент 8 И, опорный компаратор 9, генератор 10 ступенчатого напряжения с выходом 11 и входами запуска 12 и сброса 13, распределитель 14 импульсов с входами сброса 15 и запуска

16 и кодовым выходом 17, группа ключевых элементов 18, группа дополнительных измерительных компараторов 19, декадный делитель со ступенями (декадами)

20-23 соответственно: R; R-10

R. 10 (> и К 10 " ", группа триггеров 24, первый логический элемент 25

ИЛИ, измерительный компаратор 26, ключ

27, выходной кодовый регистр 28, элемент 29 временной задержки, второй логический элемент 30 ИЛИ, общая шина 31.

Устройство работает следующим образом. . В исходном состоянии все шунтирую.щие ключевые элементы 18 закрыты сигналами распределителя 14 импульсов, при этом соответствующие ступени 20-22 декадного делителя оказываются закороченными, опорный 9 и все измерительные компараторы 19 и 26 через коммутатор

3 аналогового, сигнала подключены к измерительному входу 1 устройства, ключ

27 закрыт для передачи сигналов; положение триггеров 24 и состояние кодовых выходов 7 коммутатора 3 и 17 распределителя 14 импульсов, соответствуют нулевой информации. Единичный уровень выходного напряжения генератора 10 ступенчатого напряжения (ГСН) выбирается в границах одной или нескольких предпоследних младших лекал кода, исходя из требований быстродействия и точности измерений, а также количества, ступеней 23 декадного делителя. Совместно с измерительными компараторами 19 и 26 ступени

23 образуют аналого-цифровой преобразовагель (АЦП) счи1ывания, работающий в пределах одной или нескольких младших декад кода. Количество декад А1ЯП обусловлено требуемым быстродействием устройства и допустимой погрешностью измерений (числом уровней квантования).

Указанные требования обеспечиваются выбором оптимального соотношения между значением уровня единичной ступени напряжения генератора 10 и числом ступеней 23 декадного делителя с компараторами 19, т.е. числом уровней квантования

5 739424 6 единичной ступени генератора 10 и, соответственно, измеряемого сигнала, исходя из возможного быстродействия гейератора ступенчатого напряжения и компараторов, с учетом временных характеристик изме- 5 ниа на работу устройства благодаря исряемого сигнала. Выходное напряжение генератора 10 распределяется по степеням

23 с равным и постоянным прирашением, образуя равномерную шкалу квантования измеряемого сигнала по уровню в указан.ных выше пределах. ров запоминаются в группе триггеров 24, Сигнал сравнения опорного компаратора 9 в начальный период измерения с ростом измеряемого сигнала не оказывает илияЕсли максимум измеряемого сигнала повышает уровень Д первой ступени reнератора 10, то по мере возрастания этого сигнала последовательно срабатывает группа дополнительных измерительных компараторов 1 9 и измерительный. компаратор 26.Сигналом компаратора: 26 переключается генератор 10, на входе которого формируется напряжение, равное двум ступеням 2 5 одновременно сигналом компаратора 26 сбрасываются в исходное нулевое состояние группа триггеров 4, а 4 а распределитель импульсов 14 по этому сигналу размыкает ключевой элемент

18 первой ступени 22 декадного делителя, непосредственно подключенной к цепочке ступеней 23, т.е. к ЛПП, Так как при

Если предел измерения и амплитуда напряжения генератора 10 ступенчатого

И напряжения равны Л = 10 L, rae й—

15 число декад, требуемое количество уровней квантования сигнала Р, диапазон предK ставления чисел Л11П считывания 10, где K- количество декад АЦП„тс ве10 10" личина единичной ступени ГСН Д = — р — °

Устройство работает в широком диапазоне уровней напряжения входных сиг налов, однако амплитуда выходного напряжения ГСН выбирается равной условному младшему пределу. При изменении уровня входного сигнала по мере его нарастания коммутатором 3 аналогового сигнала включаются соответствующие ступени входного делителя 2 и на компараторы 9, 19 и 26 всегда передается измеряемый сигнал в уменьшенном масштабе в границах условного младшего предела. Это обеспечивает повышение быстродействия устройства и уменьшение динамической погрешности.

В исходном состоянии выходное напряЗ5 жение гене рато ра 1 О, установ лен н ое на уровне первой ступени, равно Ь . Это напряжение распределяется по измерительным компараторам 19 в соответствии с дискретными ступенями декады (или декад) 23. Число декад делителя равно И каждая из которых содержит по 9 дискрет/ ных ступеней, а младшая декада (или младшие декады) содержит 10 дискретных ступеней 23. Величина ступеней 20-23

45 составляет соответственно: В ; R. 10

К-10 ; и R 10 (" в младшей декаде. Таким образом, опорное чапряжение, образуемое делителем на каждом измерительном компараторе 19, отличается от соседнего компаратора на величину

)1а

С появлением на входе 1 измеряемого сигнала он сравнивается в компараторах

19 с совокупностью дискретных уровней напряжения на ступенях 23 делителя и по мере возрастания измеряемого сигнала последовательно срабатывают комнараторы 19. Сигналы сработавших компаратопользованию ключа 27. Этот ключ отпирается только по сигналу "меньше" или

"равно" опорного компаратора 9, при условии предварительной его подготовки сиг налом измерительного компаратора 1 9.

Если максимальное значение измеряемого сигнала не превышает уровня первой ступени Ь генератора 10,„ то в соответствии с максимумом сигнала срабатывает только часть компараторов 19. Когда в процессе уменьшения измеряемого сигнала его значение достигнет потенциала обшей шины 31, то соответствующим сигналом опорного компаратора 9 откроется подготовленный ключ 27 и единичный код, соответствуюший измеренному максимуму сигнала, с группы триггеров 24 по сигналу с выхода ключа 27 перепишется в выходной кодовый регистр 28.

Ключ 27 во избежание ложного срабатывания в HcxolBIoM состоянии устройства блокирован выходным сигналом одного из компараторов 19, к опорному входу которого подключень| ступень 23 делителя с минимальным уровнем напряжения, равным —. С началом измерения упомянуd

1Ок тый компаратор 19 срабатывает первым и деблокирует ключ 27, подготавливая его для последуюшей передачи сигнала опорного компаратора 9. Опорный уровень опорного компаратора 9 может быть задан отличным от потенциала обшей шины

31. В этом случае для деблокирования ключа 27 используется сигнал компаратора 1 9 с соответствующим опорным уровнем.

7 73 этом с увеличением напряжения генерато.. ра 10 пропорционально возросло и сопро тивление делителя (общее сопротивление ступеней 23 равно сопротивлению одной ступени 22), то приращение напряжения на соседних ступенях 23 делителя сохраЬ нится прежним, равным — -, но возрас„Чо 1 тает при этом на каждой ступени 23 по абсолютному значению на величину Ь.

По мере возрастания измеряемого сигнала описанный процесс сравнения этого сигнала с равномерной шкалой уровней квантования, формируемой на ступенях 23 и изменяющейся на величину Ь в соответствии с ростом напряжения генератора

10 и последовательным включением (пеблокировкой) отдельных ступеней 20-22 в" каждом такте, повторяется до тех пор, . пока не появится максимум сигнала (если он не превышает условного младшего предела, т.е. амплитудй генератора 10 ступенчатого напряжения). В такте достижения измеряемым сигналом максимума, сработает соответствую|цее число компараторов 19, сигналы которых запомнит группа триггеров 24. После достижения максимума измеряемый сигнал начнет, уменьшаться. При переходе измеряемым сигналом уровня потенциала общей шины, появившийся сигнал сравнения бпорного компаратора 9 (через подготовленйый в первом такте сравнения ключ 27) поступит в выходной кодовый регистр 28. В соответствии с этим сигналом производится считывание единичного кода с группы триггеров 24 и сигналов кода с кодового выхода 17 распределителя 14 импульсов в кодовый. регистр. 28. Сигналы кода распределителя 14 импульсов, соответствую,щие количеству деблокированных ступеней

22-20 делителя, являются числовым эквивалентом старших разрядов кода, а код группы триггеров 24 — числовым эквиваI лентом младших разрядов кода. Указанный код в совокупности является числовым значением максимума измеряемого сигнала. По сигналу с выхода ключа 27 с задержкой по времени в элементе вре менной задержки 29 на период считывания кодов в регистр 28, выполняется сброс всего устройства в исходное состояние.

Если максимум измеряемого сигнала превышает условный младший предел, то при достижении измеряемым сигналом амплитуды генератора 10, в последнем таке сравнения на уровне условного младше10

15 измеряемого максимума.

При считывании кодов в выходной ре20

55 го предела, сигналом измерительного компаратора 26, через подготовленный в начале этого такта элемент 8 И (элемент

8 И подготавливается сигналом последнего выхода распределителя 14), все устрсйство сбрасывается в исходное состояние, эа исключением коммутатора 3 аналогового сигнала. Указанным сигналом сравнения компаратора 26 коммутатор 3 переключает все компараторы 9, 19 и 26 с измерительного входа 1 устройства к первой ступени входного делителя 2. Далее процесс измерения повторяется аналогично вышеописанному вплоть до появления гистр 28 одновременно считывается и код с кодового выхода 7 коммутатора 3, который характеризует масштаб измеряемой величины.

При переключении масштаба для запуска коммутатора 3 используется сигнал компаратора 26, запускающий генератор

10 и распределитель 14 ил пульсов. Указанные функциональные элементы можно

I технически реализовать таким образом, чтобы после полного цикла их действия переход в исходное состояние выполнялся автоматически очередным сигналом запуска. Однако в общем случае, а также в. интересах надежности, для сброса целесообразно использовать цепи со вторым элементом 30 ИЛИ. При этом сигнал сброса появляется на соответствующих входах 13 генератора 10 и 15 распределителя 14 импульсов, с задержкой в элементе 8 И и элементе 30 ИЛИ достаточной для надежной работы указанных функциональных элементов.

Благодаря сочетанию ступенчатого и параллельного уравновешивания в границах условного младшего предела в устройстве обеспечивается слежение за измеряемым сигналом со скоростью перевышающей скорость его изменения на элементарных участках, заданных уровнями квантования.

В сочетании с масштабным преобразованием достигается повышение быстродействия в широком диапазоне изменения уровней измеряемых сигналов.

Вместе с тем, адаптивная перестройка делителя на выходе генератора ступенчатого напряжения в соответствии с формируемым уровнем напряжения (квантования) обеспечивает постоянство абсолютной погрешности квантования по уровню в пределах одного кванта, т.е. †„ „ - Относитель15

9 739 ная погрешность измерений с расширением предела при этом уменьшается.

Использование единичного кода обеспечивает повышение информационной надежности. Потери информации, обусловленные

5 случайным сбоем ипи даже отказом элементов в отдельных разрядах могут быть восстановлены по данным соседних разрядов. Систематический отказ в этом случае легко диагностируется по результатам щ нескольких циклов измерения.

Прч измерении периодических сигналов устройство может быть использовано в режиме накопления данных, Формула изобретения

Устройство для измерения максимального значения сигналов, содержашее выходной кодовой регистр, генератор ступенчатого напряжения, а также опорный и измерительный компараторы, первые входы которых соединены параллельно, второй вход опорного компаратора подключен к общей шине устройства, а второй вход измерительного компаратора соединен с выходом генератора ступенчатorо напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с це- зр лью повышения быстродействия в широком, диапазоне уровней измеряемых сигналов, в устройство введены коммутатор анал6гового сигнала, входной делитель, входными шинами включенный между входом устройства и общей шиной, соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам коммутатора аналогового сигнала, логический элемент И, два логических элемента ИЛИ, группа тригге- 40 ров, ключ, элемент временной задержки, распределитель импульсов, декадный делитель, группа ключевых элементов, шунтирующих старшие декады декадного делителя, входом включенного между общей шиной45 устройства и выходом генератора ступенчатого напряжения, группа дополнительных измерительных компараторов, первые входы которых соединены параллельно и подкпю424 10 чены к аналоговому выходу коммутатора аналогового сигнала, второй вход каждого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к соответствующей ступени из декад декадного делителя, выход каждого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к первому входу группы триггеров, вторые входы группы триггеров соединены параллельно и подключены к выходу первого логического элемента ИЛИ, первый вход которого подсоединен к выходу элемента временной задерж ки и первому входу второго логического элемента ИЛИ, второй вход которого соединвн с входами сброса генератора ступенчатого напряжения, распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала, Bblход измерительного компаратора подключен к второму входу первого логического элемента ИЛИ, входы запуска генератора ступенчатого напряжения и распределитель импульсов соединены с первым входом логического элемента И, второй вход которого соединен с одним из выходов распределителя импульсов, а выход логического элемента И соединен с входом запуска коммутатора аналогового сигнала и вторым входом второго логического элеменга ИЛИ, кодовые выходы распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала и выходы группы триггеров подключены к соответствующим входам кодового регистра, к которому через ключ под соединены также выход опорного компаратора и выход одного из дополнительных измерительных компараторов, а вход элемента временной задержки подключен к выходному кодовому регистру непосредственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 . Биделко В. Q., Иванов Б. P. Принципы построения определителей экстремума сигнала". — В сб. Измерения, контроль, автоматизация, 1977, N-. 1.

2. Нетребенко К. А. Компенсационные схемы амплитудных вольтметров и указателей экстремума. М., "Энергия", 1967, с. 24-28, рис. 1-1Зв.