Способ измерения амплитудных значений электрических сигналов

(51) РЕТЕНИ ОПИС ИЕ КОМУ СВИД СТ етики ци ьД Сл ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИПРИ ГКНТ СССР 1(56) Авторское свидетельство СССРУ 847218, кл. С 01 К 19/04, 1979.Авторское свидетельство СССР9 1441320, кл. С 01 К 19/04,15.10.86.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНЫХЗНАЧЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ(57) Изобретение может быть использовано для измерения фазового сдвигаэлектрических сигналов и позволяетповысить точность измерения. Устройство, реализующее способ, содержит формирователи (Ф) 1 и 2 временных интервалов, Ф 3 и 4 опорныхуровней, Ф 5 полупериода, Ф 9 и 10вспомогательных сигналов, задатчики,6-8 чисел, Ф 11 и 12 раэностныхсигналов, компараторы 13 и 14, элемент ИЛИ 15, генератор 16 пилообразного напряжения, ключ 17, аналогоцифровсй преобразователь 18, счетчики 19 и 20 импульсов, запоминающие блоки 21 и 22, мультиплексор 23, переключатель 24 режимов индикаи, цифроаналоговые преобразователи 25 и 26, делители 27 и 28 напряжения, регенеративные компараторы 29 и 30 и цифровой отсчетный блок 31, Согласно способу формируют и пар двухполярных опорных уровней + 7,; и + ,. Пары дополнительных сигналов формируют по Функциям агсэ 1 п 71 /11 о(с) и агсэп 7 Й,( ) . Вспомогательные сигналы формируют путем сравнения исследуемых сигналов с опорными уровнями, Временные интервалы АС; и Ь , измеряют между моментами перехода первого и второго исследуемых С сигналов и измеряют полупериод исследуемых сигналов. После этого определяют отношение результатов измерения временных интервалов к результату измерения полупериода, 7 ил. МФ509751 Составитель С. РыбинТехред М.Дидык Корректор Т. Палий актор Н. Яцо агарина, 10 о-издательский комбинат "Патент", г; Ужго с рои аз 5801/39 Тираж 714НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и 113035, Москва, Ж, Рауюская наб одписное крытиям при ГКНТ СС д, 4/53 1509751Изобретение относится к злектроиэмерительной технике и может быть использовано для измерения фазового сдвига электрических сигналов, в фа,зочувствительных вольтметрах, измери" телях мгновенной мощности, в анализаторах амплитудно- и фаэочастотного спектров и т.д.Цель изобретения - повышение точ-, 10 ности измерения.На фиг. 1 приведены временные диаграммы, поясняющие предлагаемый способ, на фиг. 2 блок-схема устрой-, ства для его реализации; на фиг.3-7 - 15 формирователь временных интервалов, формировательопорных уровней, формирователь полупериода, формирователь вспомогательных сигналов и формирователь разнастных сигналов устройст ва соответственно.Необходимо, измерить амплитудные значения Чщ и Ч сравниваемых по фазе сигналов- фазовый сдвиг сигналов.Для этого формируют опорные УРов,ни 71,; и Ч, где 1 = 1,2,3 и и пилообразный сигнал Ц(,(Г ) повышенной частрты.Измеряют значение полупериода исследуемых сигналов, например, путем 40 ,измерения временного интервала, ограниченного моментами перехода сигнала ц (г) нли ц(й) через уровни - ЬЧ и + ЬЧ в положительном и отрицательном направлениях. По ре зультату измерения формируют сигнал0,5 Т7 фгде К - коэффициент пропорционально-(сти.50.Затем сравнивают исследуемые сигналы с опорными уровнями Ч;, и Чв,( Равенства этих сигналов Ч, едпЯг; = Ч;Ч,ехпйГ(,= Ча(Чв 1,п (ЛЕВ;-Чу) = 7 ьЧ, вдп(йМ-М) = ЧМ Далее формируют вспомогательныесигналыЧ; = К(чд, /Ч ); (3) 77; = К(чв, /Чз ), (4)где К - коэффициент пропорциональности и дополнительные сигналы ц(г) = кагсвыЬт; /цв(с) и Цв, .(С) = Кагсе 1 пРй /Ць(Е.)1.ЭОпределяют разность дополнительньм сигналов каждой д-й пары:ц(о;(е) = цв; (г) - цв, (е)-К агсе 1 п- агсв 1 п 1 )1 а (5)Полученные разностные сигналы сравнивают с вспомогательными сигналами.1В момент времени С и й; их равенства, т.е. при цо( (С,; ) = Чыяцо( (, ) = Чч(Чо( = Чщ,ЧОР ЧЮ 21 ф 15 5 150975 измеряют мгновенные значения пилообразного сигнала. Допустим, что11 о (г; ) 75По (г ) О 2По мгновенным значениям пилообразного сигнала 0(г , ) и Пе (Г; ) судят о 1-х амплитудных значениях сравниваемых по фазе сигналов, т.е. Докажем справедливость этих равенств.Запишем выражения (3) и (4) с учетом (1) и (2),с Чв; = К(агсв 1 п -- агсв 1 п - ) (6)Ч;Чл7, Ч20 Ч; = К (агсв 1 п- агсв 1 п д ), (7)Чпа ЧвПодставим в выражение (5) значения пилообразного сигнала Бю(Г) для 25 моментов времени Г и га .114 ь (г у )К (агсв 1 п - агсв 1 п11 (г. ) П (г30(9) Сравним между собой выражения (6) и (8),(7) и(9). Они попарно равны между собой, если Бо(г 1 ) = Чт 40(0 (Г, ) = Чщ,что и требовалось доказать.Устройство для реализации способа (фиг,2) содержит формирователи 1 и 2 временных интервалов, формирователи 4 3 и 4 опорных уровней, формирователь 5 полупериода, три задатчика 6 и 7 чисел, формирователи 9 и 10 вспомогательных сигналов, формирователи 11 и 12 разностных сигналов, компараторы 50 13 и 14, логический элемент ИЛИ 15, генератор 1 6 пилообразного напряжения, ключ 17, аналого-цифровой преобразователь 18, счетчики 19 и 20 импульсов, запоминающие блоки 21 и 22, мультиплексор 23, переключатель 24 режимов индикации, цифрованалоговые преобразователи 25 и 26, делители 27 и 28 напряжений, регенеративные ком 1 6параторы 29 и 30 и цифровой отсчетный блок 31.Причем первые входы формирователей 1 и 2 соединены с первыми, входами компараторов 29 и 30, с первой и второй входными клеммами устройства соответственно. Второй и третий входы формирователей 1 и 2 соединены с первым и вторым входами формирователей 11 и 12 и с первым и вторым выходами формирователей 3 и 4 соответственно. Выходы формирователей 1 и 2 соединены с первыми входами формирователей 9 и 10 соответственно, вторые и четвертые входы которых подключены соответственно к первому и четвертому выходам формирователя 5, чей вход соединен с первым входом формирователя 1. Третьи входы формирователей 9 и 10 соединены, соответственно, со счетными входами счетчк.(ов 19 и 20, с первым и вторым входами элемента ИЛИ 15, с выходами компараторов 13 и 14 и с вторыми входами формирователей 3 и 4. Третий и четвертый входы формирователей 3 и 4 объединены и подключены к второму и третьему выходам формирователя 5. Пятый, шестой и седьмой входы формирователей 3 и 4 опорных уровней соединены с выходами задатчика чисел 6. Восьмые входы формирователей 3 и 4 объединены и подключены к четвертому выходу формирователя 5. Первые входы компараторов 13 и 14 соединены с выходами формирователей 9 и 10, а вторые входы - с выходами формирователей 11 и 12 соответственно.Установочные входы счетчиков 19 и 20 соединены с выходами задатчиков 7 и 8 чисел, входы установки нуля объединены и подключены к четвертому выходу формирователя 5, а выходы - к установочным входам запоминающих блоков 21 и 22 соответственно. Информационные входы блоков 21 и 22 объединены и подключены к выходу преобразователя 18, чей .вход соединен с выходом ключа 17. Управляющий вход ключа 17 подключен к выходу элемента ИЛИ 15, а сигнальный вход соединен с третьими входами формирователей 11 и 12 и с выходом генератора 16.Выходы запоминающих блоков 21 и 22 соединены с входами цифроаналоговых преобразователей 25 и 26 соответственно, а также с первым и вторым ин 1509751формационными входами мультиплексора 23, выходы которого соединены с вхо-дами блока 31 и выходной шиной, а уп. равляющие входы подключены к выходам переключателя 24. Вход последнего со 5 единен с клеммой напряжения питания,Выходы цифроаналоговых преобразователей 25 и 26 являются аналоговы. ми выходами устройства и соединены через делители 25 и 28 напряжений с вторыми входами компараторов 29 и 30 соответственно, выходы которых подключены к первым входам формирователей 3 и 4 соответственно. 15Причем каждый из формирователей временных интервалов 1 и 2 (фиг.З) включает в себя два компаратора 32 и 33 и триггер 34. Первые входы компараторов 32 и 33 объединены и явля ются первым входом формирователя, вторым и третьим входами которого являются вторые входы компараторов 32 и 33 соответственно. Выходы компараторов 32 и 33 соединены соот ветственно с входом установки единицы и входом установки нуля триггера 34, чей выход является выходом формирователя.Каждый из формирователей 3 и 4 опор ных уровней (фиг.4) состоит из триггера 35, синхронизированного генератора 36 импульсов, двух логических элементов И-НЕ 37 и 38, реверсивного 39. импульсов с прДустаноВкой, ДВух цифоаналоговых преобразователей 40 и 41 двух усилителей 42 и 43 и источника 44 напряжения смещения, Счетный вход триггера 35 является первым входом формирователя, вторым входом которого является управляющий вход .генератора 36, выход которого соединен с первыми входами элементов И-НЕ 37 и 38, чьи вторые входы подключены к парафазным выходам триггера 35, входы ус тановки нуля и единицы которого являются соответственно третьим и четвертым входами формирователя, Выходы элементов И-НЕ 37 и 38 соединенысоответственно с суммирующим и вычитающим входами счетчика 39, установочные входы которого являются пятым, шестым и седьмым входами формирователя, восьмым входом которого является вход установки нуля счетчика 39. и выходов счетчика 39 соединены с одноименными входами преобразователя 40, а ивыход - с одноименными входами преобразователя 41. Выходы преобразователей 40 и 41 подключены соответственно к прямым входам усилителей 42 и 43, инверсные входы которых объединены и соединены с выходом источника 44, Выходы первого и второго усилителей 42 и 43 являются первым и вторым выходами формирователя.Формирователь 5 полупериода (фиг.5) содержит источник 45 опорного напряжения, два компаратора 46 и 47, триггер 48, переключатель 49, логический элемент 2 И-ИЛИ 50, одновибратор 51, два логических элемента И-НЕ 52 и 53 и формирователь 54 импульсов сброса.Первые входы компараторов 46 и 47 объединены и являются входом формирователя, Вторые входы компараторов 46 и 47 соединены соответственно с первым и вторым выходами источника 45 Выходы компараторов 46 и 47 подключе- ны соответственно к входам установки единицы и нуля триггера 48, прямой выход которого соединен с вторым входом элемента 2 И-ИЛИ 50, чей третий вход подключен к инверсному выходу триггера 48. Первый вход логического элемента 2 И-ИЛИ 50 соединен с первым входом элемента И-НЕ 52 и подключен к первому выходу переключателя 49, вход которого соединен с клеммой питания, а второй выход подключен .к четвертому входу элемента 2 И-ИЛИ 50 и к первому входу элемента И-НЕ 53, второй вход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ 52 и подключен к прямому выходу одновибратора 51, чей вход соединен с выходом логического элемента 2 И-ИЛИ 50 и является первым выходом формирователя, вторым и третьим выходами которо - го являются выходы логических элементов И-НЕ 52 и 53 соответственно. Четвертым выходом формирователя является выход формирователя 54, вход которого подключен к выходу первого компаратора 46.Каждый из формирователей 9 и 10 вспомогательных сигналов (фиг.б) включает в себя два логических эле-мента И-НЕ 55 и 56, генератор 57 импульсов, два счетчика 58 и 59 импульсов, цифровой блок 60 деления, логический элемент ИЛИ 61 и цифроаналоговый преобразователь 62. Первые входы элементов И-НЕ 55 и 56 являются соответственно первым и вторым входами формирователя, Вторые входы соединены с выходами генера 1509751 10тора 57, а выходы - со счетными .входами счетчиков 58 и 59 соответственно, .чьи входы установки нулясоединены с выходом элемента ИЛИ61, входы которого являются третьим и четвертым входами формирователя. Выходы счетчиков 58 и 59 соединены соответственно с входами Делимое" и "Делитель" блока 60 деления,выходыкоторого подключены к одноименным входам преобразователя 62,выход которого является выходом формирователя.Каждый из формирователей 11 и 12разностных сигналов (фиг, 7) содержит два блока 63 и 64 деления, двафункциональных (арксинусных) преобразователя 65 и 66, а также блок 67вычитания. Первые входы блоков 63 и64 деления являются соответственнопервым и вторым входами формирователя, третьим входом которого являются объединенные между собой вторыевходы блоков 63 и 64 деления, чьивыходы соединены с входами преобразователей 65 и 66 соответственно.Выходы преобразователей 65 и 66 соединены с входами блока 67 вычитания,чей выход является выходом формирователя.Устройство работает следующим образом,На первые входы формирователей1 и 2 временных интервалов поступаютисследуемые сигналы Б (1) и Б (г.).Одновременно эти сигналы поступаютна первые входы регенеративных компараторов 29 и 30. Сигнал П (й) поступает на вход Формирователя 5 полупериода,С помощью Формирователя 3 (и 4)Формируются опорные уровни Ч и Ч;,которые подаются на входы формирователей 11 и 12 разностных сигналов, атакже на входы формирователей 1 и 2Поскольку не все входы.цифроаналогового преобразователя 41 подключены квыходу счетчика 39, то на его выходенапряжение будет меньше напряженияцифроаналогового преобразователя 40на постоянную величину Ч . Для перекрытия всего диапазона измененияамплитудных значений исследуемыхсигналов, т.е, значений +Чи ма фвыходйые сигналы преобразователей 40и 41 смещают на половину их диапазона, что достигается использованиемусилителей 42 и 43, а также источника 44 напряжения смещения. В реэультате выходное напряжение усилителя 42, равное Ч;, изменяется в5пределах +Ч, , а усилителя 43 " впределах йЧ, - ЛЧ, где ЛЧ:ф= 6 Ч(КЧ - Ч 1 - Ч = сопвс, а Кукоэффициент усиления усилителей 42и 43.После каждого такта измеренияамплитудных значений исследуемых сиг. налов осуществляется дискретное изменение опорных уровней Ч,; и.ЧЯ(при 6 Ч = Ч; - Чсопят) пу 15 тем подачи на суммирующий или вычитающий входы реверсивного счетчика39 с выходов элементов И-НЕ 37 или38. Причем знак изменения опорныхуровней (т,е. их возрастание или убывание) зависит от того, на какой извходов счетчика 39 поступают импульсы.Управление работой счетчика 39 осуществляется с помощью задатчика 6чисел, триггера 35, элементов И-НЕ25 37 и 38 и синхронизированного генератора 36 импульсов,Исходное значение опорного уровняЧ;(а следовательно и Ч) устанавливают с помощью задатчика 6 чисел и30 источника 44 напряжения смещения.Знак изменения опорных уровней определяется состоянием триггера 35. Присостоянии логической единицы на егопрямом входе осуществляется суммирование импульсов, поступающих насчетчик 39 с выхода генератора 36через элемент И-НЕ 37, а при состоянии логической единицы на инверсномвыходе триггера 35 - вычитание им 40 пульсов, т.е. в первом случае обеспечивается дискретное увеличениезначений опорных уровней Ч,; и Ча во втором случае - их уменьшение.Первоначальное состояние тригге 45 ра 35 зависит от знака полупериодасигнала П( ), в течение которого,осуществляется измерение временногоинтервала, равного полупериоду сигнала. Значениеполупериода можетбыть измерено как в положительный,так и в отрицательный полупериод сиг.нала 111. Это достигается путемустановки переключателя 49 в верхнее. или нижнее положения соответственно. В результате иа первый или55:четвертый входы элемента 2 И-ИЛИ 50поступает положительный потенциал, разрешающий прохождение импульса, длительностью 0,5 Т с прямого илиинверсного выходов триггера 48 наодновибратор 51 и через первый выход формирователя 5 - на вторыевходы формирователей 9 и 10,5Импульс длительностью 0,5 Т формируется с помощью триггера 48, управляемого выходными импульсами компараторов 46 и 47. Причем в качестве опорных уровней компараторов 1046 и 47 используются соответственносигналы - АЧ - 0 и + Ч - 0 с первого и второго выходов источника 45опорного напряжения, На первые входы.компараторов 46 и 47 поступает 15сигнал Б (ь), по которому и выделяются временные интервалы длительностью 0,5 Т.Допустим, что переключатель 49 установлен в положение, показанное 20 на фиг, 5, соответствующее выделению временного интервала, равного полу- периоду, в положительный полупериод сигнала (1) (Фиг.1).В момент времени перехода сигнал 25 ПсТ) через опорный уровень - ЬЧ на вь 1 ходе компаратора 46 формируется короткий импульс, который поступает на вхоп, установки единицы триггера 48 и на вход формирователя 54 импульсов 30 сброса.Последний формирует. импульс сброса длительностью, достаточной для установки в нуль счетчиков импульсов19, 20, 39, 58 и 59, 35Задним Фронтом импульса длительностью 0,5 Т запускается одновибратор 51, который формирует импульсы предварительной установки исходного состояния триггера 35 блока 3 (или 4), 40 В зависимости от положения переключателя 49, разрешающий потенциал поступает на первые входы элементов И-НЕ 52 и 53. В данном случае он поступает на первый вход элемента 5 И-НЕ 52, тем самым разрешая прохождение выходного импульса одновибратора 51 на .вход установки нуля триггера 35. В результате с каждым тактом измерения опорные уровни 74 и Чь будут смещаться вниз, т.е. уменьшаться на определенные дискретнь 1 е значения напряжения ЙЧ, Значение напряжения 6 Ч определяется числом им 3пульсов, генерируемых генератором 36 в течение времени действия синхроимпульса, поступающего на его управляющий вход. Соответствующим подбором числа импульсов в пачке, устанавливается заданное значениенапряжения ЙЧ.При достижении исследуемого сигнала измеренного амплитудного значения У,(или У; ) с помощью регенеративных компараторов 29 (или 30) формируется короткий импульс, поступающий на первый вход формирователя 3 (или 4) опорных уровней, который изменяет первоначальное состояние триггера 35 на противоположное. В результате знак изменения опорных уровней Ч; (или Ч, ) меняется на противоположный. Это обеспечивает измерение амплитудных значений исследуемых сигналов как при отрицательном, так и при положительном значении производной, что увеличивает число тактов измерения, а следовательно, и число измерений за полу- период или период сигнала.Опорные уровни Ч; и Ч с первого и второго выходов Формирователей 3 и 4 поступают на второй и третий входы формирователей 1 и 2 временных интервалов соответственно.Эти входы соединены с вторыми входами компараторов 32 и 33 (Фиг.4), на первые входы которых поступает исследуемый сигнал . В результате сравнения на выходах компараторов 32 и 33 появляются короткие импульсы, управляющие работой триггера 34. Последний обеспечивает Формирование временных интервалов Ь 1 1 ил Д С ;,Временные интервалы 11, и б, с выходов формирователей 1 и 2 временных интервалов поступают на первые входы первого и второго формирователей 9 и 1 О вспомогательных сигналов. На вторые входы формирователей 9 и 10 поступают временные интервалы длительностью 0,5 Т с первого выхода Формирователя 5 полу- периода.С помощью формирователя 9 (10) осуществляется измерение временных интервалов Ь ; и 0,5 Т ( а , и 0,5 Т) путем подсчета с помощью счетчиков 58 и 59 выходных кпульсов генератора 57 за время; и 0,5 Т (й; и 0,5 Т). Коды чисел14 01 з = о 0,5 Тгде Й - частота импульсов генератора 57,поступают на цифровой блок деления 60. В результате на вход цифроаналоговых преобразователей 62 формирователей 9 и 1 О поступают коды чиселН.; = е/0,5 ти равные отношению временного интервала Ь(или дй; )на полупериод,С помощью цифроаналоговых преобразователей 62 коды Б 4, и Н 6, преобразовываются во вспомогательные напряжения Чы и Ч,Предварительная установка в нульсчетчиков 58 и 59 формирователя 9(10)осуществляется выходными импульсамиформирователя 54 блока и выходнымиимпульсами компаратора 13(14) в моменты времени начала процесса измерения и окончания каждого такта сравнения вспомогательного и разностногосигналов. Процесс сравнения осуществляется с помощью компараторов 13 и15, на первые входы которых поступают вспомогательные сигналы Т 6 и77;, а на вторые входы - разностныесигналы вида (5),Раэностные сигналы формируются спомощью формирователей 11 и 12. Дляэтого на их входы поступают опорныеуровни 7 и Т, с выходов формирователя 3 и 4. На третьи входыформирователей 11 и 12 поступает пилообразный сигнал П (1) с выхода генератора 1 6. Эти сигналы поступают навходы блоков деления 63 и 64 форми-рователя 11(12).С помощью блоков деления 63 и 64 формируются сигналы,мгновенные значения которых равныотношениям Ч; й(Е) и Ч, йо (с)соответственно. Эти сигналы поступают на функциональные арксинусныепреобразователи 65 и 66, После преобразования на входы блока 67 вычитания поступают преобразованные сигналы Юэ, и Т,. На выходы блока 67вычитания, а следовательно, и формирователя разностных сигналов в целом появляется сигнал Ою,.С выходов формирователей 11 и 12разностные сигналы поступают на вторые входы компараторов 13 и 14. Вмоменты времени равенства вспомога тельных и раэностного сигналов изме ряют мгновенные значения пилообразного, сигнала Б(й) с помощью аналого-цифрового преобразователя 18,Коды чисел Ж , или И ; с выхо,дов аналого-цифрового преобразователя 18 поступают на информационные входы запоминающих блоков 21 и 22, На управляющие входы запоминающих блоков 21 и 22 поступают коды адреса ячеек памяти с выходов счетчиков 19 и 20 с предустановкой. При записи информации в запоминающие блоки 21 и 22 код адреса на выходе счетчика 19 или 20 устанавливается с прихо 10 15 дом очередного импульса с выхода компаратора 13 или 14, При считывании информации код адреса устанавли-вается вручную с помощью задатчика7 или 8 чисел,20 С выходов запоминающих блоков 21 и 22 коды чисел И,п,; и М ,о; поступают на входы мультиплексора 23 и цифроаналоговых преобразователей 25 и 26. Последние преобразуют коды чисел И,; и Ю ;в аналоговые сигналы, например в напряжения .; иС выходов мультиплексора 23 коды чисел И и 1; в зависимости от положения переключателя 24 поступают на выходную шину и отсчетный блок 31, где индицируются. 25 30 35 Формула изобретения Способ измерения амплитудных зна" чений электрических сигналов, заключающийся в том, что формируют пилообразный сигнал Т. повышенной частоты, 2 и пар, где и = 1,2,31, +1, вспомогательных сигналов, и пар преобразованных по функции арксинуса дополнительных сигналов, формируют разности парных дополнитель 40 45 ных сигналов, сравнивают полученные разностные сигналы со вспомогательными сигналами и измеряют в моменты их равенства мгновенные значения пилообразного сигнала, амплитудные значения исследуемых электрических сигналов определяют по результатам измерений пилообразного сигнала, о т 50 лью повышения точности, предварительно формируют и пар двухполярных опорных уровней +7; и +7 пары дополнительных сигналов формируют 55л и ч а ю щ и Й с я тем что с це1509751 16 Йг по функциям агсз 3.п 1,и7 Ыагсзп , а вспомогательные сиг 11 р й фн алы формируют путем сравнения исследуемых временных интервалов ,,; и Д С , между моментами перехода и е рво го и второго исследуемых сигналов через 1-ю пару опорных уровней, измеренния полупериода - исследуемых сигналов и25определения отношения результатов измерения временных интервалови Ь т ; к результату измерения полутпериода - .2