SU1366889A1 - Устройство дл измерени действующего значени напр жени в диапазоне инфразвуковых частот - Google Patents

Abstract

Изобретение служит дл  повьппе- ни  точности измерени  вольтметра ин- франизких частот. Устройство содержит квадратор 1, нуль-орган 3, пересчетный блок 4, сумматор 5, блок 6 делени , блок 7 извлечени  квадратного корн , генератор 8 импульсов,, элемент И 9, счетчик 10 импульсов и элемент ИЛИ 14. Введение блока 11 обнаружени  экстремума, элементов И 13, 15...17 и реверсивного счетчика 18 позвол ет интегрирование квадра; тично преобразованного напр жени  производить в- течение двух, смещенных по фазе и перекрывающихс  по времени , интервалов. Длительности последних равны между собой и кратны периоду, вьщел емому из измер емого напр жени  по его синфазным переходам через нуль. Начала интервалов интегрировани  задаетс  в моменты времени , . соответствующие нулю и максимуму мгновенного значени  измер емого напр жени . В св зи с этим погрешности измерени , вызванные неточностью вьщелени  периода на обоих интервалах интегрировани , противоположны по знаку и максимально близки по модулю , а следовательно, указанные погрешности компенсируютс . 1 з.п. ф-лы, 2 ил. о (О (Л

Description

со о а

00 00

;о

Изобретение относитс  к области электроизмерений и может быть использовано в вольтметрах инфранизких частот .

Цель изобретени  - повышение точности путем повышени  помехоустойчивости и снижени  вли ни  дрейфа нул 

На фиг. 1 изображена структурна  , схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы, по сн - нлцие работу устройства.

Устройство содержит квадратор 1, выполненный в виде преобразовател  квадрата мгновенного значени  напр - жени  в частоту, вход которого соединен с входной клеммой 2 и входом нуль-органа 3, выход которого соединен с первым входом пересчетного блока 4, сумматор 5, выход которого сое- динен с первым входом блока 6 делени , выход которого подключен к первому входу блока 7 извлечени  квадратного корн , генератор 8 импульсов,вы

ход которого соединен с первым входом

первого элемента И 9, второй вход которого соединен с первым входом пересчетного блока 4, а выход - со счетчиком 10 импульсов. Устройство.также содержит блок 11. обнаружени  экстре- мума, вход которого соединен с входной клеммой 2, а вькод - со вторым входом пересчетного блока 4. К выходу квадратора 1 через делитель 12 частоты на два подключен первый вход второго элемента И 13, второй вход которого подключен ко второму выходу пересчетного блока 4, а выход - к первому входу первого элемента ИЛИ 14 Первый вход третьего элемента И 15 соединен с выходом квадратора 1,второй вход соединен с третьим выходом , пересчетного блокач4, а выход - ко второму входу первого элемента ИЛИ 14 выход которого подключен к первому входу сумматора 5. Ко второму входу сумматора 5 подключен четвертый выход пересчетного блока 4. Первый вход четвертого элемента И 16 подключен к п тому выходу пересчетного блока 4, а его второй вход - к выходу генератора 8 импульсов. Первый вход п то- гй элемента И 17 соединен с шестым выходом пересчетного блока 4, а его второй вход - с вьгходом генератора 8 импульсов.

Первый вход реверсивного счетчика 18 подключен к четвертому выходу пересчетного блока 4, его второй вход

f 0

5

0 5 0 5 0 5

к выходу четвертого элемента И 16, третий вход - к выходу п того элемента И 17, а выход - с третьим входом пересчетного блока 4. Вькод счетчика 10 импульсов подключен ко второму зходу блока 6 делени . Седьмой выход пересчетного блока 4 соединен с третьим входом блока 6 делени  и вторым входом блока 7 извлечени  квадратного корн .

Пересчетный блок 4 содержит мультивибратор 19, первый вькод которого соединен со входом первого одновиб- ратора 20 и первым входом первого элемента И 21, второй вькод мультивибратора 19 соединен с первым входом второго элемента И 22. Объединенные выводы первого 21 и второго 22 элементов И  вл ютс  первым входом пересчетного блока 4. Выход первого элемента И 21 подключен- к первому входу первого триггера 23. Выход второго элемента И 22 подключен к первому входу первого элемента ИЛИ 24 и первому входу второго триггера 25. Выход первого одновибратора 20  вл етс  четвертым выходом пересчетного блока, а также соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ 24 и вторым входом второго триггера 25, третий вход которого  вл етс  третьим входом пересчетного блока-4. Вькод первого элемента ИЛИ 24 подключен ко второму входу первого триггера 23 и первому входу третьего триггера 26.. Выход первого триггера 23  вл етс  первым вькодом пересчетного блока 4 и соединен с первым входом третьего элемента И 27 и первым входом четвертого элемента И 28,-второй вход которого  вл етс  вторым входом пересчетного блока 4. Вькод третьего элемента И 27  вл етс  п тым выходом пересчетного блока 4 и соединен с первым входом второго элемента ИЛИ 29, вькод которого  вл етс  вторым вькодом пересчетного блока 4. Вькод четвертого элемента И 28 соединен со вторым входом третьего триггера 26, первый вькод которого подключен ко второму входу третьего элемента И 27, а .его второй вькод  вл етс  третьим вькодом пересчетного блока 4. Первый вькод второго триггера 25 подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ 29 и  вл етс  шестым вькодом пересчетного блока 4. Второй вькод вто рого триггера 25 подключен к входу

10

второго одновибратора 30, выход которого  вл етс  седьмым выходом пе- расчетного блока 4..

На временных диаграммах прин ты следующие обозначени : U - измер емое напр жение, f,, - частота на выходе квадратора 1; U , U , U., U Uj , Uj , и Ujg - напр жени  на выходах нуль-органа 3, блока 11 обнаружени  экстремума, мультивибратора 19, триггеров 23 и 26, элемента И 27, триггера 25 и элемента ИЛИ 29 соответственно, N - число импульсов- в реверсивном счетчике 18, t „i и t ,- 15 моменты вы влени  синфазных перехо- .дов измер емого напр жени  через нуль соответствующие началу и концу выдел емого периода измер емого напр жени , - момент вы влени  максимального значени  измер емого напр - жени , t - момент окончани  интегрировани , Т - период измер емого напр жени , л Т. - погрешность определени  периода измер емого напр жени , ut - погрешность определени  момента

перехода измер емого напр жени  через 1

максимум, t - врем .

Устройство работает следующим образом , г

Цикл измерени  задаетс  мультивибратором 19. Началом цикла  вл етс  момент возникновени  высокого положительного потенциала (состо ни  логической единицы) на первом (верхнем на фиг. 1) выходе мультивибратора 19. Положительный период приводит к срабатыванию одновибратора 20, в результате чего на выходе последнего по вл етс  короткий импульс, устанавлива- до лов на выходе триггера 23 и втором кщий все разр ды сумматора 5 и счетчика 10 в состо ние логического нул  (низкого потенциала), а разр ды реверсивного счетчика 18 - в состо ние логической единицы. Импульс одно- 45 нератора 8 импульсов поступают на вибратора 20 используетс  также дл  сумг ирующий вход реверсивного счет- быстрого приведени  пересчетного бло- чика 18, вследствие чего промежуток ка в исходное состо ние, при котором все три триггера 23-26 устанавливаютс  в состо ние логического нул  по первому (пр мому) выходу. Установка указанных триггеров в состо ние логического нул  осуществл етс  импульсом одновибратора 20, воздействующим на второй вход триггера 25

нуль-органа 3 и блока 11 обнаружени  экстремума. На выходе нуль-органа 3 в моменты перехода измер емого напр жени  через нуль (начала положительных полуволн на фиг. 2а) возникают короткие импульсы, а на выходе блока 11 обнаружени  экстремума короткие импульсы возникают в моменты достижени  измер емым напр жением экстремального значени  (максимума положительной полуволны на фиг.2а). Высокий потенциал на первом выходе мультивибратора 19 раз{)ешает прохождение выходньк импульсов нуль-органа 3 через элемент И 21 на первый вход триггера 23. В результате первый же выходной импульс нуль-органа 3, прошедший через элемент И 21 в момент

20 времени t , устанавливает триггер 23 в состо ние логической единицы. Соответствующий этому состо нию высокий потенциал на выходе триггера 23 разрешает прохождение импульсов

25 через элемент И 9 с выхода генератора 8 импульсов на вход счетчика 10. Кроме этого, высокий потенциал на выходе триггера 23 разрешает прохождение импульсов через элемент

30 И 28 с выхода блока 11 обнаружени  экстремума на первый вход триггера 26. Первый же выходной импульс блока 11 обнаружени  экстремума, прошедший через элемент И 28 в момент

35 времени t л устанавливает триггер 26 в состо ние логической единицы по первому выходу. До момента времени , т.е. в промежутке времени наличие высоких потенциа- юв

выходе триггера 26 приводит к наличию высокого потенциала на выходе элемента И 27, благодар  чему откры элемент И 16. Импульсы с выхода ге50

времени запоминаетс  в реверсивном счетчике 18 в виде числа, соответствующего количеству импуль- . сов, поступивших на его суммирующий вход. С элемента И 27 высокий потенциал передаетс  также на выход элемента ИЛИ 29, благодар  чему открыт 55 элемент И 13. В результате на прот непосредственно и через элемент ИЛИ 24 на вторые входы триггеров 23 и 26, Измер емое напр жение U поступает одновременно на входы квадратора 1,

0

5

о лов на выходе триггера 23 и втором 5 нератора 8 импульсов поступают на сумг ирующий вход реверсивного счет- чика 18, вследствие чего промежуток

нуль-органа 3 и блока 11 обнаружени  экстремума. На выходе нуль-органа 3 в моменты перехода измер емого напр жени  через нуль (начала положительных полуволн на фиг. 2а) возникают короткие импульсы, а на выходе блока 11 обнаружени  экстремума короткие импульсы возникают в моменты достижени  измер емым напр жением экстремального значени  (максимума положительной полуволны на фиг.2а). Высокий потенциал на первом выходе мультивибратора 19 раз{)ешает прохождение выходньк импульсов нуль-органа 3 через элемент И 21 на первый вход триггера 23. В результате первый же выходной импульс нуль-органа 3, прошедший через элемент И 21 в момент

0 времени t , устанавливает триггер 23 в состо ние логической единицы. Соответствующий этому состо нию высокий потенциал на выходе триггера 23 разрешает прохождение импульсов

5 через элемент И 9 с выхода генератора 8 импульсов на вход счетчика 10. Кроме этого, высокий потенциал на выходе триггера 23 разрешает прохождение импульсов через элемент

0 И 28 с выхода блока 11 обнаружени  экстремума на первый вход триггера 26. Первый же выходной импульс блока 11 обнаружени  экстремума, прошедший через элемент И 28 в момент

5 времени t л устанавливает триггер 26 в состо ние логической единицы по первому выходу. До момента времени , т.е. в промежутке времени наличие высоких потенциа- юв

выходе триггера 26 приводит к наличию высокого потенциала на выходе элемента И 27, благодар  чему открыт элемент И 16. Импульсы с выхода гелов на выходе триггера 23 и втором нератора 8 импульсов поступают на сумг ирующий вход реверсивного счет- чика 18, вследствие чего промежуток

времени запоминаетс  в реверсивном счетчике 18 в виде числа, соответствующего количеству импуль- сов, поступивших на его суммирующий вход. С элемента И 27 высокий потенциал передаетс  также на выход элемента ИЛИ 29, благодар  чему открыт элемент И 13. В результате на прот жении промежутка времени t „,-t , импульсы с выхода квадратора поступают через делитель 12 частоты на два, открытый элемент И 13 и элемент ИЛИ 14

на информационньй вход сумматор Элемент И 15 в это-врем  заперт ким потенциалом, снимаемым с пе выхода триггера 26.

За промежуток времени tj,-t вход сумматора 5 поступает числпульсов равное . V-V

N

и ijt

И1t,

и.

Mi иг

|-Sf,(.t)dt |-Ju ,(t)dt,

де N, ,

Ц1 U1

число импульсов, поступивших на вход сумматора 5 за промежуток времени t,, -t ,, , f(t) - мгновенна  частота

на выходе кйадратора 1, S . - коэффициент преобразовани  (чувствительность ) квадратора, Uy(t) - мгновенное значение измер емого напр жени  и.

х t - врем .

Коэффициент -- в выражении

(1)

обозначает коэффициент передачи делител  12 частоты на два.

В момент времени t на втором выходе триггера 26 устанавливаетс  низкий потенциал. Низкий потенциал сохран етс  также на втором выходе триггера 25. В результате на вьосодаз4 элементов И 27 и ИЛИ 29 устанавливаютс  низкие потенциалы, что приводит к запиранию элементов И 13 и 16. В реверсивном счетчике 18 к моменту времени t оказываетс  записанным число импульсов, пропорциональное временному интервалу ty,-ty.

В то же врем  высокий потенциал на первом выходе триггера 26 открывает элемент И 15, в результате чего выходные импульсы квадратора проход т на вход сумматора 5 через элемен И 15, мину  делитель 12 частотй на два. Такое состо ние устройства сохран етс  до опрокидывани  мультивибратора 19. После опрокидывани  мультивибратора 19 элемент И 21 запираетс , а элемент И 22 открываетс . В результате первый же импульс, прошедший в момент времени t с выхода нуль-органа 3 через элемент И 22 на первый вход триггера 25, устанавливает его первьй (пр мой) выход в состо ние логической единицы. Этот же импульс, пройд  дополнительно через элемент ИЛИ 24, воздействует на вторые входы триггеров 23 и 26, в

0

результате чего они устанавливаютс  в состо ние логического нул . Установка триггера 23 в состо ние логического нул  приводит к запиранию элемента И 9. в результате чего прохождение импульсов на вход счетчика , 10 прекращаетс . Поскольку в течение цикла установка триггера 23 в состо ние логической единицы (в момент t ) и его возврат в состо ние логического нул  (в момент t) осуществл етс  с помощью импульсов нуль- органа 3, которые формируютс  по син15 фазным переходам измер емого напр жени  через ноль, то тем самым триггер 23 выдел ет временной интервал ty, -t, равный целому числу периодов измер емого напр жени . Чтобы

0 обеспечить выделение временного интервала , равного не менее одного периода, продолжительность импульса на первом выходе мультивибратора 19 выбираетс  больше пе25 риода нижней частоты измер емого напр жени . Интервал ti,,-t, запоминаетс  в счетчике 10 в виде числа импульсов, поступивших на его вход через элемент И 9 с выхода генера30 тора импульсов 8:

Nio(4,-t.,)fo-nT,

(2)

где N

5

п Т

0

число импульсов, записанных в счетчике 10 за интервал времени tj,,, частота генератора 8 импульсов ,

1,2,3--. - целое число, период измер емого напр жени .

Число N импульсов, поступающих на вход сумматора 5 за временной промежуток t, , определ етс  выражением 5

N, X i f .(t)dt S U4t)dt(3) J

Как было указано вьше, в момент

триггер 26 устанав-пиваетс  в со0

К1

сто ние логического нул , что привод дит к запиранию элемента И 15. Одновременно триггер 25 устанавливаемс  в состо ние логической единицы по первому (пр мому) выходу, в результа- 5 те чего открываютс  элементы И 13 и И 17 и импульсы с выхода генератора В импульсов проход т на вычитающий вход реверсивного счетчика 18. Когда все разр ды реверсивного счетчика

установ тс  в состо ние логического нул , последующий входной импульс в момент переводит все разр ды в состо ние логической единицы (фиг. j- 2к) . Возникаклций при этом положительный перепад напр жени  на выходе последнего разр да реверсивного счетчика 18 подаетс  на счетный вход триг- гера 25, вызыва  его опрокидывание. ю В результате на первом выходе триггера 25 возникает состо ние логического нул , что приводит к запиранию элемента И 17 по второму входу и запрету прохождени  импульсов на вычитающий 15 вход реверсивного счетчика 18. Низкие, потенциалы на обоих входах элемента ИЛИ 29 вызывают по вление низкого потенциала на его выходе, чем обеспечиваетс  запирание элемента И 13, Про-2о хождение импульсов с выхода квадратора 1 на вход сумматора 5 прекращаетс .

Поскольку на временном интервале импульсы квадратичного преобразовател  (квадратора) 1 поступают 25 на вход сумматора 5 через делитель 12 частоты на два, то их количество N 4 . определ етс  выражением

kl-tk

ЧгПГГ S fi(t) u ,(t)dt(4)3o

ki

Суммарное количество N5 импульсов,

поступивших на вход сумматора 5 за цикл измерени  равно

N,

-4 f V- И1 41 м-г

+ N,

и

- t

Поскольку обратный счет в реверсивном счетчике 18 осуществл етс  с той же частотой, что и пр мой, то тем самым при обратном счете обеспечиваетс  воспроизведение временного промежутка, фиксированного в реверсивном счетчике 18 при пр мом счете. Следовательно, временной промежуток

t| -t равен временному промежутку Учитыва  это, а также принима  во внимание выражени  (1)-(4), выражение (5) можно представить следующим образом.

ui -tKi

5 )dt+S J )dt+|- -u (t)

- ui ,1.

-HI

Sn J u;((t)dt. (6)

0

B момент времени t на втором выходе триггера 25 устанавливаетс  состо ние логической единицы. Возникающий при этом положительный перепад запускает одновибратор 30. Короткий вькодной импульс о дновибратора 30 воздействует на вход записи блока 6 делени  и вход установки в ноль блока 7 извлечени  квадратного, корн  Благодар  этому информаци  с сумматора 5 и счетчика 10 переноситс  в блок 6 делени , а блок 7 извлечени квадратного корн  обнул етс . В результате выполнение операции делени  на выходе блока 6 делени  по вл етс  число N, импульсов.

г. i

° с

где К, - коэффициент пропорциональности дл  блока 6 делени . Указанное число импульсов посту- пает на блок 7 извлечени  квадратного корн . В результате выполнени  операции извлечени  квадратного корн  в выходном счетчике блока 7 записываетс  число

25 2

4)3o

,

35

)

45

50

55

N ,K:yN,KjKj- х-1 - u5((t)dt - (8) - о J

о

где К - коэффициент пропорциональности дл  блока 7 извлечени  квадратного корн .

I S Обеспечение услови  1

о

позвол ет получить рез-ультат на выходе блока 7 извлечени  квадратного корн , численно равным действующему

значению измер емого напр жени .

Заканчиваетс  цикл измерени  в момент перехода мультивибратора 19 в состо ние логической единицы по первому выходу. Дл  нормальной работы устройства длительность на первом выходе мультивибратора 19 должна быть не менее одного периода, а продолжительность паузы между импульсами должна составл ть около полутора периода нижней частоты измер емого напр жени .

Повьшение точности в предлагаемом устройстве (по сравнению с известным) достигаетс  благодар  тому, что интегрирование квадратично преобразованного напр жени  производитс  в течение двух смещенных по фазе и перекрывающихс  во времени интервалов t,,- t и , длительности которых равны между собой и кратны периоду, выдел емому из измер емого напр жени  по его синфазным переходам через ноль , (выражение (6) и фиг.26). Начала ийтервалов интегрировани  задаетс  в менты времени, соответствующие нулю и максимуму мгновенного значени  измер емого напр жени , в св зи с чем погрешности измерени , вызванные неточностью выделени  периода (горизонтально застрахованные участки на фиг, 26) на обоих интервалах интегрировани  противоположны по знаку и максимально близки по модулю. В результате интегрировани  по обоим интервалам указанные погрешности компенсируютс , благодар  чему точность измерени  напр жени  значительно воз- растает..

МО

Claims (2)

1. Устройство дл  измерени  действующего значени  напр жени  в диапазоне инфразвуковых частот, содержащее квадратор, выполненный в виде преобразовател  мгновенного значени  напр жени  в частоту, вход которого соединен с входной клеммой и входом нуль-органа, выход которого соединен с первым входом пересчетного блока, сумматор, выход которого соединен с первым входом блока делени , .выход которого подключен к первому входу блока извлечени  квадратного корн , генератор импульсов, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом пересчетного блока, а выход - со счетчиком импульсов , отличающеес  тем что, с целью повышени  точности, в него дополнительно введены блок обнаружени  экстремума, вход которого соединен с входной клеммой, а выход с вторым входом пересчетного блока, делитель частоты на два, вход которого соединен с выходом квадратора,второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу делител  частоты на два,- второй вход - к второму выходу пересчетного блока, а выход - к первому входу первого элемента ИЛИ, третий элемент И, первьй вход которого соединен с выходом квадратора, второй вход - с третьим выходом и пересчетного блока, а выход - с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с четвертым выходом пере-

ю - 15

136688910

О- счетного блока, четвертый

, - 20

25

30

зь

40

45

50

55

элемент И, первый вход которого соединен с п тым выходом пересчетного блока, второй вход - с выходом генератора импульсов , п тый элемент И, первый вход которого соединен с шестым выходом пересчетного блока, а второй вход - с выходом генератора импульсов, реверсивный счетчик, первый вход которого соединен с четвертым выходом пересчетного блока и вторым входом счетчика импульсов, второй вход - с выходом четвертого элемента И, третий вход - с выходом п того элемента И, а выход - с третьим входом пересчетного блока, выход счетчика импульсов подключен к второму входу блока делени , а седьмой выход пересчетного блока - к третьему входу блока делени  и второму входу блока извлечени  квадратного корн .

2. Устройство по п. 1, о т л и- чающеес  тем, что пересчетный блок содержит мультивибратор, первьй, второй, третий четвертый элементы И, первьй и второй элементы liJTM, первьй, второй триггеры, первый и второй од- новибраторы, при этом первьй выход мультивибратора соединен с входом первого одновибратора и первым входом первого элемента И,- второй выход мультивибратора соединен с первым входом второго элемента И, обьединенные вторые входы первого и второго элементов И  вл ютс  первым входом пересчетного блока, выход первого элемента подключен к первому входу первого триггера выход второго элемента И подключен к первому входу первого элемента ИЛИ и первому входу второго триггера, выход первого одновибратора  вл етс  четвертым выходом пересчетного блока, а также соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и вторым входом второго триггера,третий вход которого  вл етс  третьим входом пересчетного блока, выход первого элемента ИЛИ подключен к второму входу первого триггера и первому входу третьего триггера, выход первого триггера  вл етс  первым выходом пересчетного блока и соединен с первым входом третьего элемента И, первым входом четвертого элемента И, второй вход которого  вл етс  вторым входом пересчетного блока, выход третьего элемента И  вл етс  п тым выходом пересчетного блока и соедииен с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого  вл етс  вторым выходом пересчетного блока, выход четвертого элемента И соединен с вто рым входом третьего триггера, первый выход которого подключен к второму входу третьего элемента И, а второй выход  вл етс  третьим выходом nejpe366889 2

счетного блока, первый выход второго триггера соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ и  вл етс  шес- с тын выходом пересчетного блока, а второй выход второго триггера подключен к входу второго одновибратора, выход которого  вл етс  седьмым выходом пересчетного блока.

фиг. 2