Способ измерения амплитуды синусоидального напряжения инфранизкой частоты и устройство для его осуществления

/ сния , И ТОРСКОМ,Ф ТЕЛЬСТВ ньшенной ит ой ельство ССС/04, 1977 ИТУДЫ СИНУРАНИЗКОЙГО ОСУЩЕСТМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТН ПИСАНИЕ ИЗОБР(прототип),(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИНФЧАСТОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕВЛЕНИЯ.(57) 1. Способ измерения амплитудысинусоидального напряжения инфранизкой частоты, основанный на заряденакопительной емкости измеряемымнапряжением и вьщелении временногоинтервала, соответствующего положительному полупериоду измеряемогонапряжения, преобразовании его линейно нарастающего напряжения, запоминании его максимальной амплитуды,уменьшении запомненного напряженияв два раза, сравнении полученногов результате уменьшения сигнала слинейно нарастающим напряжением, запоминании амплитуды измеренного напряжения в момент равенства отмеченных напряжений, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышенияточности измерения, одновременно свыделением временного интервала,соответствующего положительномуполупериоду, выделяют отрицательныйполупериод измеряемого напряжения,затем запоминают его максимальнуюамплитуду, уменьшают ее в два раза,полученное в результате уменьшения,.80 1132242 А напряжение суммируют с уме в два раза максимальной ампл уд положительного полупериода.2. Устройство для измерения амплитуды синусоидального напряжения инфранизкой частоты, содержащее первый компаратор, первый вход которого соединен с общим выводом устройства и с одним из выводов, являющимся первым входом устройства, второй вход соединен с одним из выводов, являющимся вторым входом устройства, и с информационным входом первой запоминающей ячейки, а выход соединен с управля 10 щим входом первого ключа, с входом инвертора и через первый конденсатор -с входом первого расширителя импульсов и с входом пер,вого формирователя импульсов управле ния, выход которого соединен с управ-" ляющим входом второй запоминающей . ячейки, а вход через первый резистор- с .общим выводом устройства, первый согласующий усилитель, первый вход которого соединен с первой обкладкой второго конденсатора, с общим выводом устройства и через последователь но соединенные второй и третий клю. чи - с вторым входом первого согласу ющего усилителя, с второй обкладкой второго конденсатора, которая, через последовательно соединенные второй резистор и первый ключ соединена с выводом для подключения плюсового зажима источника питания, выходы пер вого расширителя импульсов и инвертора соединены соответственно с управляюшими входами второго и треть его ключей, выход первого согласующего усилителя соединен с информационным входом второй запоминающей1132242 Составитель Е,БерезовРедактор М.Петрова Техред И,Кастелевич Корректор М.Максииишинец Подписта СССР Заказ 97 5 а ЗО (м 8/38 Тираж 710 ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и от 113035, Москва, Ж, Раушска1132242 ячейки и с одним из входов второго компаратора, другой вход которого через третий резистор соединен с выходом второй запоминающей ячейки и через четвертый резистор с общим выводом устройства, выход второго компаратора через второй формирователь импульсов управления соединен с управляющим входом первой запоми,нающей ячейки, о т л и ч а ю щ е е - с я, тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый резисторы, второй расширитель импульсов, третья и четвертая запоминающие ячейки, третий компаратор, третий и четвертый Формирователи импульсов управления, второй согласующий усилитель, сумматор, третий конденсатор, четвертый, пятый и шестой ключи, причем первый вход второго согласующего усилителя соединен с первой обкладкой третьего конденсатора, с общим выводом устройства и через последовательно соединенные четвертый и пятый ключи - с вторым входом второго согласующего усилителя, с второй обкладкой третьего конденсатора, которая через последовательно соединенные пятый резистор и шестой ключ соединена с выводом для подключения плюсового зажима источника питания, выход первого компаратора соединен с управляющим входом пятого ключа, выход инвертора соединен с Изобретение относится к электро- измерительной технике и может быть использовано в радиоэлектронике и приборостроении при создании устрой" ства для измерения амплитуды сину соидального напряжения инФранизкой частоты.Известен способ измерения амплитуды синусоидального напряжения, заключающийся в измерении мгновенного 1 О значения напряжения в момент времени, отстоящий на 3/4 периода от начала цикла измерения Г 11.Недостатком данного способа является низкая точность измерения ам управляющим входом шестого к:уча,вход первого расширителя импульсовсоединен через третий Формировательимпульсов управления с управляющимвходом третьей запоминающей ячейкии через второй расширитель импульсов с управляющим входом четвертогоключа, выход второго согласующегоусилителя соединен с инФормационнымвходом третьей запоминающей ячейкии с одним из входов третьего компаратора, одни из входов которогочерез шестой резистор соединен свыходом третьей. запоминающей ячейки и через седьмой резистор с общим выводом устройства, выход третьего компаратора через четвертый Формирователь импульсов управления соединен с управляющим входом четвертой запоминающей ячейки, инФормационный вход которой соединен с инФормационным входом первой запоминающей ячейки, сумматор, первый входкоторого через восьмой резистор соединен с выходом первой запоминающейячейки и через девятый резисторс общим выводом устройства, второйвход сумматора через десятый резистор соединен с выходом четвертойзапоминающей ячейки и через одиннадцатый резистор с общим выводомустройства, выход сумматора соединен с выводом, являющимся выходомустройства и предназначенным дляподключения измерительного прибора,плитуды синусоидального напряженияв случае, когда в измеряемом сигналеимеется постоянная составляющая.Это обусловлено тем, что при наличиипостоянной составляющей длительностьположительного полупериода, Фиксируемого по моментам перехода черезнуль измеряемого напряжения, оказывается не равной длительности отрицательного полупериода. В этом случаемомент измерения оказывается смещенным относительно максимального значения измеряемого сигнала, что иопределяет появление погрешностипри измерении.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения амплитуды синусоидального напряжения инфранизкой частоты, основанный на заряде накопительной емкости измеряемым напряжением, выделении временного интервала, соответствующего полупериоду измеряемого напряжения, преобразовании его линейно нарастающего напряжения, 1 О и запоминании его максимальной амплитуды, делении запомненного напряжения на два, сравнении полученного в результате деления сигнала слинейно нарастающим напряжением и запоминании в момент равенства указанных напряжений амплитуды измеряемого напряжения23.Недостатком этого. способа является низкая точность измерения амплитуды 2 О синусоидального напряжения, если в измеряемом сигнале содержится постоянная составляющая. Указанный недостаток обусловлен тем, что при наличии постоянной составляющей амплиту да положительного полупериода, фиксируемого в момент максимального значения измеряемого сигнала, оказывается не равной амплитуде отрицательного полупериода на величину этой составляющей, что и определяет появление погрешности измерения.1Цель изобретения - повышение точности измерения.Поставленная цель достигается 35 тем, что согласно сгособу измерения амплитуды синусоидального напряжения инфраниэкой частоты, основанному на заряде накопительной емкости измеряемым напряжением и вьделении временного интервала, соответствующего положительному полупериоду измеряемого напряжения, преобразовании его линейно нарастающего напряжения, запоминании его максимальной амплитуды, уменьшенин запомненного напряжения в два раза, сравнении полученного в результате уменьшения сигнала с линейно нарастающим напряжением, запоминании амплитуды измеренного напряжения в 50 момент равенства отмеченных напряжений, одновременно с вьделением временного интервала, соответствующего . положительному полупериоду, вьделяют отрицательный полупериод измеряемого 55 напряжения, затем запоминают его максимальную амплитуду, уменьшают ее в два раза, полученное в результате уменьшения напряжение суммируют с уменьшенной в два раза максимальной, амплитудой положительного полупериода.Известно устройство для осуществления известного способа измерения амплитуды синусоидального напряжения инфранизкой частоты, содержащее формирователь линейно нарастающего напряжения, включающий первый компаратор, первый и второй резисторы, первый, второй и третий ключи, расширитель импульсов, первый и второй конденсатор, согласующий усилитель, Устройство содержит также первую и вторую запоминающие ячейки, первый и второй формирователи импульсов управления, четвертый и третий резисторы, второй компаратор. При этом первый вход первого компаратора соединен с общим выводом устройства и с одним из выводов, являющимся первым входом устройства, второй вход соединен с информационным входом первой запоминающей ячейки, а выход соединен с управляющим входом первого ключа, с входом инвертора и через первый конденсатор - с входом первого расширителя импульсов и с входом первого формирователя импульсов управления выход которого соединен с управляющим входом второй запоминающей ячейки, а вход через первый резистор - с общим выводом устройства, первый согласующий усилитель, первый вход которого соединен с первой обкладкой второго конденсатора, с общим выводом устройства и через после-, довательно соединенные второй. и третий ключи - с вторым входом первого согласующего усилителя, с второй обкладкой второго конденсатора, которая через последовательно соединенные второй резистор и первый ключ соединена с выводом для подключения плюсового зажима источника питания, выходы расширителя импульсов и инвертора соединены соответственно с управляющими входами второго и третьего ключей, выход согласующего усилителя соединен с информационным входом второй запоминающей ячейки и с одним из.входов второго компаратора, другой вход которого через третий резистор соединен с выходом второй запоминающей ячейки н чер.з четвертый резистор с общим выводом устройства, выход второго компаратора через второй формирователь им 3 11322 пульсов управления соединен с управляющим входом первой запоминающей ячейки, выход которой соединен с выводом, являющимся выходом устройства и предназначенным для подключения измерительного прибора.Недостатком, этого устройства является низкая точность измерения амплитуды синусоидального напряжения при наличии в измеряемом сигнале постоянной составляющей. 1Цель изобретения - повышение точности измерения.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измеренйя амплитуды синусоидального напряжения инфранизкой частоты, содержащее первый компаратор, первый вход которого соединен с общим выводом устройства и20 с одним из выводов,являющимсяпервым входом устройства, второй вход соединен с одним из выводов, являющимся. вторым входом устройства, с информационным входом первой запоминающей25 ячейки, а выход соединен с управляющим входом первого ключа, с входом инвертора и через первый конденсатор - с входом первого расширителя импульсов и с входом первого формирователя импульсов управления, выход которого ЗО соединен с управляющим входом второй запоминающей ячейки, а вход через первый резистор - с общим выводом устройства, первый согласующий усилитель, первый вход которого соеди нен с первой обкладкой второго конденсатора, с общим выводом устройства и через последовательно соединенные второй и третий ключи - с вто-рым входом первого согласующего уси лителя, с второй обкладкой второго конденсатора, которая через последовательно соединенные второй резистор и первый ключ соединена с выводом для подключения плюсового зажима 45 источника питания, выходы. первого расширителя импульсов и инвертора соединены соответственно с управляющими входами второго и третьего ключей, выход первого согласующего БО усилителя соединен с информационным входом второй запоминающей ячейки и с одним из входов второго компаратора, другой вход которого через третий резистор соединен с выходом вто рой зап 6 минающей ячейки и через четвертый резистор с общим выводом устройства, выход второго компаратора ,42 6через второй формирователь импуль-сов управления соединен с управляющим входом первой запоминающей ячейки, введены пятый, шестой седьмой, восьмой, девятый, десятый, одинннадцатый резисторы, второй расширитель импульсов, третья и четвертая запоминающие ячейки, третий компаратор, третий и четвертый формирователи импульсов управления, второй согласующий усилитель, сумматор, третий конденсатор, четвертый,пятый и шестой ключи, причем первый вход второго согласующего усилителя соединен с первой обкладкой третьего конденсатора, с общим выводом устройства и через последовательно соединенные.четвертый и пятый ключи - с вторым входом второго согласующего усилителя, с второй обкладкой третьего конденсатора, которая через последовательно соединенные пятый резистор и шестой ключ соединена с выводом для подключения плюсового зажима источника питания, выход первого компаратора соединен с управляющим входом пятого ключа, выход инвертора соединен с управляющим входом шестого ключа, вход первого рас-. ширителя импульсов соединен через третий формирователь импульсов управления с управляющим входом третьейзапоминающей ячейки и через второй расширитель импульсов с управляющим входом четвертого ключа, выход второго согласующего усилителя соединен с информационным входом третьей запоминающей ячейки и с одним из входов третьего компаратора, один из входов которого через шестой резистор соединен с выходом третьей запоминающей ячейки и через седьмой резистор с общим выводом устройства, выход третьего компаратора через четвертый управляющий формирователь импульсов управления соединен с управляющим входом четвертой запоминающей ячейки, информационныйвход которой соединен с информационным входом первой запоминающейячейки, сумматор, первый вход которого через восьмой резистор соединен с выходом первой запоминающей ячейки и через девятый резистор с общим выводом устройства, второй вход сумматора через десятый резистор соединен с выходом четвертой запоминающей ячейки и через одиннадцатый резистор с общим выводом устройства,выход сумматора соединен с выводом, являющимся выходом устройства и предназначенным для подключения измерительного прибора.На фиг. 1 представлена структурная 5 схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - эпюры напряжения в различных точках схемьц на фиг. 3 - экспериментальные кривые изменения абсолютной погрешности 10 устройства-прототипа и предлагаемого устройства.Устройство содержит первый формирователь 1 линейно нарастающего напряжения, включающий первый компара тор 2, инвертор 3, первый 4, второй 5,и третий. 6 ключи, а также дифференцирующую цепь, содержащую первый конденсатор 7 и первый резистор 8, расширитель 9 импульсов, второй ре эистор 10, второй. конденсатор .1.1 и первый согласующий усилитель 12,Устройство содержит также первый 13, второй 14, третий 15 и четвертый 16 формирователи импульсов управления,25 второй 17 и третий 18 компараторы, сумматор 19, первую 20, вторую 21, третью 22 и четвертую 23 запоминающие ячейки, третий 24, четвертый 25, пятый 26,шестой 27,седьмой 28,восьмой 0 29,девятый 30,десятый 31,одиннадцатый 32 резисторы, четвертый.33, пятый 34 и шестой 35 ключи, расширитель 36 импульсов, третий конденсатор 37, второй согласующий усилитель 38. 35 Первый вход первого компаратора 2 соединен с общим выводом устройства и с одни иэ выводов, являющимся первым входом устройства, второй вход соединен,с информационным входом пер вой запоминающей ячейки 20 и с одним из выводов, являющимся вторым входом устройства, а выход соединен с управляющим входом первого ключа 4, а также с входом инвертора 3 и через 45 первый конденсатор 7 - с входом пер" вого расширителя 9 импульсов и с входом первого формирователя 13 импульсов управления. Выход формирователя 13 соединен с управляющим вхо дом второй запоминающей ячейки 21, а вход через первый резистор 8 - с общим выводом устройства. Первый вход первого согласующего усилителя 12 соединен с первой обкладкой второго 55 конденсатора 11, с общим выводом устройства и через последовательно соединенные второй 5 и третий 6 ключи - с вторым входом. первого согласующего усилителя 12, а также с второй обкладкой второго конденсатора 11, которая через последовательно соединенные второй резистор 10 и первый ключ 4 соединена с выводом для подФключения плюсового зажима источника питания, Выходы первого расширителя 9 импульсов и инвертора 3 соединены соответственно с управляющими входами второго 5 и третьего 6 ключей, Выход первого согласующего усилителя 12 соединен с информационным входом второй запоминающей ячейки 21 и с одним из входов второго компаратора 17, другой вход которого через третий резистор 24 соединен с.выходом второй запоминающей ячейки 21 и через четвертый резистор 25 с общим выводом устройства. Выход второго компаратора 17 через второй формирователь 14 71 импульсов управления соединен с управ-"ляющим входом первой запоминающей,ячейки 20. Первый вход второго согласующего усилителя 38 соединен с первой обкладкой третьего конденсатора 37, с общим .выводом устройства и через последовательно соединенныечетвертый 33 и пятый 34 ключи - свторым входом второго согласующего усилителя 38, а также с второй обкладкой третьего конденсатора 37, которая через последовтельно соединенные пятый резистор 26 и шестой ключ 35 соединена с выводом для подключения плюсового зажима источника питания, Выход первого компаратора 2 соединен с управляющим входомпятого ключа 34. Выход инвертора 3соединен с управляющим входом.шестого ключа 35. Вход первого расширителя 9 импульсов соединен через третийформирователь 15 иьщульсов управления с управляющим входом третьей запоминающей ячейки 22 и через второй расширитель 36 импульсов с управляю" щим входом четвертого ключа 33, Выход второго согласующего усилителя 38 соединен с информационным входом третьей запоминающей ячейки 22 и с одним из входов третьего компаратора 18, один из входов которого через шестой резистор 27 соединен с вьмодом третьей запоминающей ячейки 22 и через седьмой резистор 28 с, общим выводом устройства. Выход третьего компаратора 18 через четвертыйформирователь 16 импульсов управлеРния соединен с управляющим входом четвертой запоминающей ячейки 23, информационный вход которой соединен с информационным входом первой запоминающей ячейки. Первый вход . 5 сумматора 19 через восьмой резистор 29 соединен с выходом первой запоминающей ячейки 20 и через девятый резистор 30 с общим выводом устройства. Второй вход сумматора 19 через 10 десятый резистор 3 1 соединен с выходом четвертой запоминающей ячейки 23 и через одиннадцатый резистор 32 с общим выводом устройства. Выход сумматора 19 соединен с выводом, яв ляющимся выходом устройства и предназначенным для подключения измерительного прибора. При этом второй расширитель 36 импульсов, третий конденсатор 37, второй согласующий 20 усилитель 38, пятый резистор 26, четвертый 33, пятый 34 и шестой 35 ключи образуют второй Формирователь39 линейно нарастающего напряжения.Устройство работает следующим25 образом. При включении к входным выводам синусоидального напряжения инфранизкой частоты (фиг. 2.1) на выходе ком- З 0 паратора 2 формируются прямоугольные импульсы (Фиг. 2.2). Положительным импульсом с выхода компаратора 2 замыкается ключ 4, а ключ 6 запирается импульсом с выхода инвертора 3. 35 Вследствие этого на участке А-Б (фиг, 2.2) конденсатор 11 линейно заряжается через резистор 10 (Фиг. 2,5). На резисторе.8 выделяются дифференциальные импульсы (фиг. 2, 3),40 соответствующие моментам перехода, входным сигналом через нулевое значение. На каждый отрицательный импульс расширителем 9 формируется управляющий импульс длительностью 1 45 (фиг. 2.4), под.действием которого кшюч 5 размыкается, предотвращая разряд конденсатора 11. После окончания управляющего импульса конденсатор 11 быстро разряжается через замкну тые ключи 5 и 6. В результате этого на выходе усилителя 12 Формируется линейно нарастающее напряжение1 (фиг. 2.5), амплитуда которого О 1 1 а пропорциональна длительности поло жительного полупериода входного сигнала. Формирователем 13 на каждый отрицательный импульс с выхода дифференцирующей цепи Формируется импульс записи (Фиг. 2.6), которым на время задержки 11 замыкается входной ключ запоминающей ячейки 21, Параметры формирователя 13 выбраны так, чтобы выполнялось условие 1 5 ( (1 . В этом случае в ячейке 21 записывается напряжение 011 ц равное мак;симальному значению линейно нараста 1 ющего напряжения, Напряжение Ома, деленное резисторами 24 и 25 пополам, поступает на первый вход компаратора 17, на второй вход которого поступает. линейно нарастающее напряжение с выхода усилителя 12. В момент равенства напряжений на входах компаратора 17 на его выходе возникают перепады напряжения. По положительным перепадам напряжений в моменты времени Фд, 1 е (точки Л, Е на Фиг.2.5) формирователем 14 формируются управляющие импульсы длительностью 1 (Фиг. 2.7), временное положение которых соответствует моментам про-. хождения входным сигналом через максимум амплитуды напряжения Оа положительного полупериода. На время 1замыкается входной ключ запоминающей ячейки 20. В результате этого на выходе ячейки 20, начиная с момента времени 1 Э (Фиг. 2. 5), устанавливается постоянное напряжение (Фиг. 2.8) равное амплитуде положительной полуволны входного сигналаО 11=ОДфОо,где Об - истинное значение амплитуды синусоидального напряжения инфранизкой частоты;"о - величина постоянной составляющей напряжения.1Напряжение Ос, уменьшенное на резисторах 29 и 30 пополам, поступает на неинвертирующий вход сумматора 19. Отрицательным импульсом с выхода компаратора 2 запирается ключ 34, а ключ 35 замыкается импульсом с выхода инвертора 3. На участке Б-В (Фиг. 2.2) конденсатор 37 линейно заряжается через резистор 26. (Фиг. 210), На каждый положительный импульс с выхода дифференцирующей. цепи (Фиг. 2.3) расширителем 36 импульсов Формируется управляющий импульс длительностью(Фиг. 2.9), под действием которого ключ 33 размыкается, предотвращая разряд конд 1 фсатора 37. После окончания управляющего импульса конденсатор 37 быстро разряжается через замкнутые ключи 33 и 34В результате на выходе усилителя 38 формируется линейно нараста 5 ющее напряжение (фиг. 2,10), амплиту 11да которого Ощ 1 пропорциональна длительности отрицательного полупериода входного сигнала. Формирователем 15 каждый положительный импульс с выхода дифференцирующей цепи формируется импульс записи (фиг. 2. 11), которымлна время 13 замыкается входной ключ запоминающей ячейки 22, Параметры формирователя 15 выбраны так, чтобы выполнялось условие 1. В этом случае в ячейке 22 записываетсяЦнапряжение 0 , равное максимальному значению линейно нарастающегоИнапряжения. Напряжение О м, деленное на резисторах 27 и 28 пополам, поступает на первый вход компаратора 18, на второй вход которого поступает линейно нарастающее напряжение с выхода усилителя 38. В моменты равенства напряжений на входах компаратора 18 на его выходе возникают перепады напряжений По положительным перепадам напряжейий в моменты времени 1 ц, 1 к (точки И, К, на фиг.2.10)30 формирователем 16 формируются управЪ ляющиа импульсы длительностью Е , (фиг. 2. 12), временное положение которых соответствует моментам прохождения входным сигналом через макй симум амплитуды напряжения Оа отрицательного полупериода. На время Ь замыкается входной ключ запоминающей ячейки 23. В результате на выходе ячейки 23, начиная с момента 0 времени Сц (точка И на фиг. 2.10), устанавливается постоянное напряжениеЭто напряжение, деленное резисторами 31 и 32 пополам, поступает навторой вход (инвертирующий) сумматора 19. На выходе сумматора устанавливается напряжение, равное О-О, ) 2. т.е. истинной амплитуде синусоидального напряжения инфранизкой частоты (фиг, 2.13), Это напряжение на выходе устройства может бьть измерено любым вольтметром постоянного тока.На фиг. 3 приведены экспериментальные кривые изменения абсолютной погрешности прототипа (кривая б ) и предлагаемого изобретения (кривая о ) в зависимости от величины постоянной составляющей в измеряемом сигнале. Из анализа графиков следу-. ет, что погрешность прототипа растет пропорционально величине постоянной составляющей, а то время как погрешность предлагаемого изобретения практически не зависит от величины постоянной составляющей и приблизительн1Дапредл авиа нулю. щее ное устройство, реалиэу гаемый способ, позволяе мплитуду синусоидальног инфранизкой частоты с б й точностью, чем устрой ип. зм напряя тво ысок рото(фиг. 2.13), равное амплитуде напряжения отрицательной полуволны входного сигнала Оа=О-Оо.1)