RU1798711C - Цифровой интегрирующий вольтметр - Google Patents

Abstract

Использование: дл  измерени  напр жени  цифровыми приборами врем импульсного типа. Сущность изобретени : уменьшение аддитивнрй составл ющей погрешности вольтметра. Устройство содержит входную клемму, резистивный блок, дв а ключа, интегратор на операционном усилителе с конденсатором в обратной св зи, то- козадающий резистор, источник опорного напр жени , нуль-орган, два счетчика, счетчик Джонсона, генератор тактовых импульсов , три триггера, два элемента И, клемму Пуск, мультиплексор, элемент ИЛИ, клемму Установка нул . 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в цифровых приборах врем импульсного типа .

Цель изобретени  - уменьшение аддитивной составл ющей погрешности вольтметра .

На фиг. 1 приведена функциональна  схема за вл емого цифрового интегрирующего вольтметра; на фиг. 2 - временные диаграммы и эпюры нулевой зоны шкалы, по сн ющие его работу: на фиг. 3 - схема аналога и временные диаграммы.

Цифровой интегрирующий вольтметр (см. фиг. 1) содержит входную клемму 1 измер емого напр жени  U, резистивный блок 2, ключи 3,4, интегратор 5 на операционном усилителе 6 и конденсаторе 7 обратной св зи, токозадающий резистор 8, источник 9 опорного напр жени , нуль-орган 10, счетчики 11,12 и счетчик 13 Джонсона , генератор 14 тактовых импульсов, триггеры 15,16,17, элементы И 18,19, клемму 20 Пуск, мультиплексор 21, элемент ИЛИ 22 и клемму 23 Установка 0. Входна  клемма 1 измер емого напр жени  через резистивный блок 2 и ключ 3, а источник 9 опорного напр жени  через ключ 4 и токозадающий резистор 8 подключены ко входу интегратора 5. Выход интегратора 5 соединен со входом нуль-органа 10, а выход нуль- органа - со сбросовым входом триггера 16, установочный вход которого подключен к выходу переполнени  счетчика 11 и.сбросовому входу триггера 15. Установочный вход триггера 15 соединен с клеммой 20 Пуск и счетным входом триггера 17. Выход триггера 15 подключен к управл ющему входу ключа 3 и первым входам элемента И 18 и элемента ИЛИ 22. Второй вход элемента 18 И соединен с выходом генератора 14 тактовых импульсов и входом счетчика 13. Пер- в.ый, второй и третий выходы счетчика 13 подключены соответственно к первому и второму, третьему, четвертому информационным входам мультиплексора 21. Первый

(Л

ч ю

управл ющий вход мультиплексора 21 соединен с выходом триггера 17, а второй - с клеммой 23 Установка 0. Выход мультиплексора 21 подключен к второму входу элемента 19 И, первый вход которого соединен с выходом триггера 16, входом исто чника 9 опорного напр жени  и вторым входом элемента ИЛИ 22. Выходы элемента ИЛИ 22, И 18, 19 подключены соответственно к управл ющему .входу ключа 4, входам счетчиков 11, 12.

В качестве ключей 3, 4 использованы микросхемы К590КН5, в качестве операционного усилител  б - К544УД1А, в качестве нуль-органа 10 - К521САЗ, в качестве счетчиков 11, 12, 13 - соответственно К564ИЕ9, К564ИЕ14 и К564ИЕ19, в качестве триггеров 15, 16, 17 - К564ТМ2. Источник 9 опорного напр жени  построен по схеме управл емого источника бипол рного опорного напр жени  (см. авторское свидетельство СССР № 1339530, кл. G 05 F 1/625). Генератор 14 построен по схеме генератора тактовых импульсов.- .:

Работа цифрового интегрирующего вольтметра по сн етс  фиг. 2, на которой изображено: 2а - напр жение на выходе интегратора при измерении положительного (I), нулевого (II) и отрицательного (III) напр жений , 26 - эпюра нулевой зоны шкалы вольтметра в режиме измерени  напр жени , 2в, г эпюры нулевой зоны шкалы вольтметра в режиме установки нул  дл  двух последовательностей счетных импульсов с запаздыванием и опережением по фазе.

Цифровой интегрирующий вольтметр работает по методу двухтактного интегрировани  со смещенным нулем. .

Работа схемы в режиме измерени  напр жени . С поступлением сигнала Пуск опрокидываетс  триггер 15, который своим выходом непосредственно и через элемент ИЛИ 22 замыкает соответственно ключи 3, 4, а также открывает элемент И 18, разреша  прохождение тактовых импульсов гене-, ратора 14 на счетчик 11. На вход интегратора 5 поступает измер емое напр жение U и опорное напр жение U0 со знаком минус в качестве смещающего. Частота тактовых импульсов генератора 14 и емкость счетчика 11 выбраны из услови  равенства времени полного заполнени  счетчика 11 первому такту интегрировани . Пусковой перепаде выхода счетчика 11 возвращает в исходное состо ние триггер 15 и опрокидывает триггер 16. Триггер 15 своим выходом размыкает ключи 3, 4 и закрывает элемент И 18. прекраща  тем самым прохождение тактовых импульсов генератора на вход счетчика 11. Опрокидывание триггера 16 приводит к изменению пол рности источника опорного напр жени  Do, замыканию через элемент ИЛИ 22 ключа 4 и открыванию элемента И 19. На вход интегратора подключаетс  опорное напр жение положительной пол рности. Начинаетс  второй такт - разр д интегратора. В это врем  на вход счетчика. 12 через мультиплексор 21 поступают счетные импульсы с

первого быхода счетчика 13 Джонсона. Последовательность этих импульсов образована из последовательности тактового генератора, поделенной счетчиком Джонсона в п раз. В режиме измерени  напр жени 

5 открыт первый или второй вход мультиплексора в зависимости от состо ни  триггера 17, атак как оба эти входа закорочены, то на счетчик 12 поступает один и тот же сигнал. Разр д интегратора продолжаетс  до до0 стижени  выходным напр жением интегратора исходного уровн . Этот момент фиксируетс  нуль-органом ТО, который своим выходным сигналом возвращает триггер 16 в исходное состо ние. Возврат триггера

5 16 приводит .к размыканию ключа 4, переключению пол рности источника опорного напр жени  и закрыванию элемента 19 И дл  прохождени  счетных импульсов на счетчик 12. Число, записанное в счетчике,

0 пропорционально измер емому напр жению . Счетчик 12  вл етс  реверсивным счетчиком, наход щимс  в режиме вычитани  от момента начала счета до достижени  своего нулевого состо ни  и в режиме сло5 жени  после перехода через нулевое состо ние . Емкость счетчика выбрана из услови  совпадени  момента возврата выходного напр жени  интегратора в исходное состо ние при нулевом измер емом напр жении

0 с переходом счетчика в нулевое состо ние. Тогда, при измерении положительных напр жений (см. фиг. 2) возврат интегратора в исходное состо ние наступает до перехода счетчика в нулевое состо ние, а при измере5 нии отрицательных напр жений - после .этого перехода.

Работа схемы в режиме установки нул . В этом режиме схема работает аналогично режиму измерени  напр жени  со следую0 щими особенност ми. Поступление сигнала Установка нул  на клемму 23 приводит к тому, что мультиплексор 21 открыт по третьему или четвертому входу в зависимости от состо ни  триггера 1.7, который мен ет свое

5 состо ние с приходом каждого сигнала Пуск, Третий и четвертый входы мультиплексора 21 подключены соответственно к второму и третьему выходам счетчика 13 Джонсона. Особенностью счетчика Джонсона  вл етс  равенство частот сигналов на

его выходах и сдвиг фазы, определ емый периодом сигнала на его входе. Т.о. в режиме установки нул  на вход счетчика 12 попеременно поступают последовательности счетных импульсов, сдвинутых по фазе относительно друг друга. На фиг. 2в, г представлены эпюры нулевой зоны шкалы вольтметра дл  двух последовательностей счетных импульсов. Оцифрованные точки обозначают моменты поступлени  на счетчик 12 счетных импульсов. Сравнива  между собой эпюры 26, в, г, можно заметить, что счетные импульсы на фиг. 2в отстают на (0,5n-1)q/n, а на фиг. 2г опережают на (0,5п- 1)q/n по фазе импульсы, поступающие на счетчик 12 в режиме измерени  напр жени  (фиг. 26). Если второй такт интегрировани  заканчиваетс  в интервале +2 - +1, вольтметр индуцирует показание +2, если в ин- тервале-М -0, то-И, если в интервале 0 --1, то 0, если в интервале -1 - -2, то -1... Погрешность квантовани  определ етс  ступенью квантовани  q. Если в процессе установки нул  совместить окончание второго такта интегрировани  с серединой интервала 0 - -1 (фиг. 26), то погрешность квантовани  принимает минимальное значение, равное ± 0,5q. Практически установка нул  выгл дит следующим образом. При закороченном входе вольтметра и периодическом поступлении сигнала Пуск регулировкой операционного усилител  добиваютс  стабильных нулевых показаний вольтметра. Это говорит о том, что окончание второго такта интегрировани  попадает в интервал О (фиг. 2в) - -1 (фиг. 2г). В противном же случае при окончании второго такта интегрировани  до точки 0 (фиг. 2в) вольтметр попеременно индицирует 0/+ 1. Если же окончание второго такта наступает после точки -1 (фиг. 2г), то вольтметр индицирует попеременные 0/-1. Ширина нулевой зоны О (фиг. 2в) - -1 (фиг. 2г) определ етс  коэффициентом делени  п счетчика Джонсона. При п, равном 10, ширина нулевой зоны составл ет 0,2q. При этом погрешность квантовани  не превышает 0,6q. Соответственно снижаетс  и аддитивна  составл юща  погрешности, в пределе стрем ща с  к этому значению.

За вл ема  схема цифрового интегрирующего вольтметра выгодно отличаетс  от прототипа. В прототипе гарантированное минимальное значение аддитивной составл ющей погрешности составл ет+q. В за вл емом же вольтметре это значение

снижено до ± (0,5-И /n)q, где п - коэффициент делени  счетчика Джонсона.

Повышение точности измерени  напр жени , представл ющего собой информативный параметр объекта контрол , приводит к повышению безопасности проведени  работ на контролируемом объекте, а также повышает конкурентоспособность вольтметров на мировом рынке.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Цифровой интегрирующий вольтметр, содержащий интегратор, к входу которого подключены входна  клемма измер емого напр жени  через последовательно соединенные резистивный блок и первый ключ и источник опорного напр жени  - через последовательно соединенные второй ключ и токозадающий резистор, выход интегратора соединен с входом нуль-органа, выход

   которого соединен со сбросовым входом первого триггера, установочный вход первого триггера соединен с выходом переполнени  первого счетчика и сбросовым входом второго триггера, установочный вход которого соединен с клеммой Пуск, выход - с управл ющим входом первого ключа и первым входом первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, выход первого

   триггера соединен с первым входом второго элемента И, выход которого подключен к входу второго счетчика, выход первого элемента И соединен с входом первого счетчика , отличающийс  тем, что, с целью

   уменьшени  аддитивной составл ющей погрешности вольтметра, в него введены третий триггер, счетчик Джонсона, мультиплексор, элемент ИЛИ и клемма Установка 0, при этом вход третьего триггера

   соединен с клеммой Пуск, выход - с первым управл ющим входом мультиплексора, второй управл ющий вход которого подключен к клемме Установка 0, вход счетчика Джонсона соединен с выходом

   генератора тактовых импульсов, первый, второй и третий выходы счетчика Джонсона соединены соответственно с первым, вторым , третьим и четвертым информационными входами мультиплексора, выход

   которого соединен с вторым входом второго элемента И, первый вход элемента ИЛИ соединен с выходом второго триггера, второй - с выходом первого триггера и входом источника опорного напр жени , а выход элемента ИЛИ соединен с управл ющим входом второго ключа.

   и

   К

   +г

   Ч Ч Ч

   о Фие.З

   -r-t