Цифровой интегрирующий вольтметр

(5)5 6 01 К 9 И ЕТ ЕЛЬСТ АВТОРСКОМУ ые цифровыес. 37.1276137, кл,ИРУЮЩИЙ ия напря времяим- уменьшение адд погрешности воль ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ И(57) Использование: для измеренжения цифровыми приборами Изобретение отн ной технике и может цифровых приборах в пэ,Цель изобретения тивной составляющеи метра. осится к измеритель- быть использовано в ремяимпульсного тиНа фиг. 1 приведена функциональная схема заявляемого цифрового интегрирующего вольтметра; на фиг. 2 - временные диаграммы и эпюры нулевой зоны шкалы, поясняющие его работу; на фиг. 3 - схема аналога и временные диаграммы.Цифровой интегрирующий вольтметр (см. фиг, 1) содержит входную клемму 1 измеряемого напряжения О, резистивный блок 2, ключи 3, 4, интегратор 5 на операционном усилителе 6 и конденсаторе 7 обратной связи, токозадающий резистор 8, источник 9 опорного напряжения, нуль-орган 10, счетчики 11, 12 и счетчик 13 Джонсона, генератор 14 тактовых импульсов, триггеры 15, 16, 17, элементы И 18, 19, клем 7 С)8711 А 1 пульсного типа. Сущность изобретения: уменьшение аддитивнрй составляющей погрешности вольтметра. Устройство содержит входную клемму, резистивный блок, два ключа, интегратор на операционном усилителе с конденсатором в обратной связи, токозадающий резистор, источник опорного напряжения, нуль-орган, два счетчика, счетчик Джонсона, генератор тактовых импульсов, три триггера, два элемента И, клемму "Пуск", мультиплексор, элемент ИЛИ, клемму "Установка нуля", 3 ил,му 20 "Пуск", мультиплексор 21, элемент ИЛИ 22 и клемму 23 "Установка 0", Входная клемма 1 измеряемого напряжения через резистивный блок 2 и ключ 3, а источник 9 опорного напряжения через ключ 4 и токо- задающий 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 переполнения 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 управляющему 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. Первый, второй и третий выходы счетчика 13 подключены соответственно к первому и второму, третьему, четвертому информационным входам мультиплексора 21, Первыйуправляющий 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 источника 9 опорного напряжения и вторым входом элемента ИЛИ 22. Выходы элемента ИЛИ 22, И 18, 19 подключены соответственно к управляющему,входу ключа 4, входам счетчиков 11, 12.В качестве ключей 3, 4 использованы микросхемы К 590 КН 5, в качестве операционного усилителя 6 - К 544 УД 1 А, в качестве нуль-органа 10 - К 521 САЗ, в качестве счетчиков 11, 12, 13 - соответственно К 564 ИЕ 9, К 564 ИЕ 14 и К 564 ИЕ 19, в качестветриггеров 15, 16, 17 - К 564 ТМ 2, Источник 9 опорного напряжения построен по схеме управляемого источника биполярного опорного напряжения см, авторское свидетельство СССР М 1339530, кл. 6 05 Р 1625). Генератор 14 построен по схеме генератора тактовых импульсов,Работа цифрового интегрирующего вольтметра поясняется фиг, 2, на которой изображено: 2 а - напряжение на выходе интегратора при измерении положительного , нулевогои отрицательногонапряжений, 2 б - эпюра нулевой зоны шкалы вольтметра в режиме измерения напряжения,2 в, г - эпюры нулевой зоны шкалы вольтметра в режиме установки нуля для двух последовательностей счетных импульсов с запаздыванием и опережением по фазе,Цифровой интегрирующий вольтметр работает по методу двухтактного интегрирования со смещенным нулем.Работа схемы в режиме измерения напряжения. С поступлением сигнала "Пуск" опрокидывается триггер 15, который своим вьходом непосредственно и через элемент ИЛИ 22 замыкает соответственно ключи 3, 4, а также открывает элемент И 18, разрешая прохождение тактовых импульсов генератора 14 на счетчик 11. На вход интегратора 5 поступает измеряемое напряжение О и опорное напряжение .4 со знаком минус в качестве смещающего. Частота тактовых импульсов генератора 14 и емкость счетчика 11 выбраны из условия равенства времени полного заполнения счетчика 11 первому такту интегрирования. Пусковой перепад с выхода счетчика 11 возвращает в исходное состояние триггер 15 и опрокидь 1 вает триггер 16. Триггер 15 своим выходом размыкает ключи 3, 4 и закрывает элемент И 18, прекращая тем самым йрохождение тактовых импульсов генератора на вход счетчика 11, Опрокидывание тригге 510 ра 16 приводит к изменению полярности источника опорного напряжения О, Замыканию через элемент ИЛИ 22 ключа 4 и открыванию элемента И 1.9. На вход интегратора подключается опорное напряжение. положительной полярности. Начинается второй такт - разряд интегратора, В это время на вход счетчика. 12 через мультиплексор 21 поступают счетные импульсы с первого выхода счетчика 13 Джонсона, Последовательность этих импульсов образована из последовательности тактового генератора, поделенной счетчиком Джонсона в и раз. В режиме измерения напряжения открыт первый или второй вход мультиплексора в зависимости от состояния триггера 17, а так как оба эти входа закорочены, то на счетчик 12 поступает один и тот же сигнал,Разряд интегратора продолжается до до стижения выходным напряжением интегратора исходного уровня. Этот момент фиксируется нуль-органом 10, который своим выходным сигналом возвращает триггер 16 в исходное состояние, Возврат триггера 25 16 приводит.к размыканию ключа 4, переключению полярности источника опорного напряжения и закрыванию элемента 19 И для прохождения счетных импульсов на счетчик 12. Число, записанное в счетчике, ЗО пропорционально измеряемому напряжению. Счетчик 12 является реверсивным счетчиком, находящимся в режиме вычитания от момента начала счета до достижения своего нулевого состояния и в режиме слоЗ 5 жения после перехода через нулевое состояние. Емкость счетчика выбрана из условия совпадения момента возврата выходного напряжения интегратора в исходное состояние при нулевом измеряемом напряжении 40 с переходом счетчика в нулевое состояние.Тогда, при измерении положительных напряжений (см. фиг. 2) возврат интегратора в исходное состояние наступает до перехода счетчика в нулевое состояние, а при измере нии отрицательных напряжений - после.этого перехода.Работа схемы в режиме установки нуля.В этом режиме схема работает аналогично режиму измерения напряжения со следую щими особенностями, Поступление сигнала"Установка нуля" на клемму 23 приводит к тому, что мультиплексор 21 открыт по третьему или четвертому входу в зависимости от состояния триггера 17, который меняет свое 55 состояние с приходом каждого сигнала"Пуск", Третий и четвертый входы мультиплексора 21 подключены соответственно к второму и третьему выходам счетчика 13 Джонсона. Особенностью счетчика Джонсона является равенство частот сигналов на5 10 подключены входная клемма измеряемого напряжения через последовательно соеди ненные резистивный блок и первый ключ и 20 25 30 35 4.0 45 55 его выходах и сдвиг фазы, определяемый периодом сигнала на его входе. Т.о, в режиме установки нуля на вход счетчика 12 попеременно поступают последовательности счетных импульсов, сдвинутых по фазе относительно друг друга. На фиг, 2 в, г представлены эпюры нулевой зоны шкалы вольтметра для двух последовательностей счетных импульсов. Оцифрованные точки обозначают моменты поступления на счетчик 12 счетных импульсов, Сравнивая между собой эпюры 2 б, в, г, можно заметить, что счетные импульсы на фиг, 2 в отстают на (0,5 п)р/и, а на фиг, 2 г опережают на (0,5 п)р/и по фазе импульсы, поступающие на счетчик 12 в режиме измерения напряжения (фиг. 26). Если второй такт интегрирования заканчивается в интервале +2 - +1, вольтметр индицирует показание +2, если в интервале 1 - О, то+1, если в интервале 0 - -1, то О, если в интервале -1 - -2, то -1 Погрешность квантования определяется ступенью квантования р, Если в процессе установки нуля совместить окончание второго такта интегрирования с серединой интервала 0 - -1 (фиг, 2 б), то погрешность квантования принимает минимальное значение. равное + 0,5 р, Практически установка нуля выглядит следующим образом. При закороченном входе вольтметра и периодическом поступлении сигнала "Пуск" регулировкой операционного усилителя добиваются стабильных нулевых показаний вольтметра. Это говорит о том, что окончание второго такта интегрирования попадает в интервал 0 (фиг. 2 в) - -1 (фиг, 2 г). В противном же случае при окончании второго такта интегрирования до точки 0 (фиг, 2 в) вольтметр попеременно индицирует О/+ 1, Если же окончание второго такта наступает после точки -1 (фиг. 2 г), то вольтметр индицирует попеременные О/-1, Ширина нулевой зоны 0 (фиг, 2 в) - -1 (фиг. 2 г) определяется коэффициентом деления и счетчика Джонсона. При и; равном 10, ширина нулевой зоны составляет 0,2 р, При этом погрешность квантования не превышает 0,6 р, Соответственно снижается и аддитивная составляющая погрешности, в пределе стремящаяся к этому значению, 5Заявляемая схема цифрового интегрирующего вольтметра выгодно отличается от прототипа. В прототипе гарантированное минимальное значение аддитивной составляющей погрешности составляет+р, В заявляемом же вольтметре это значение снижено до (0,5+1/п)р, где и - коэффициент деления счетчика Джонсона.Повышение точности измерения напряжения, представляющего собой информативный параметр объекта контроля,приводит к повышению безопасности проведения работ на контролируемом объекте,а также повышает конкурентоспособностьвольтметров на мировом рынке,Формула изобретенияЦифровой интегрирующий вольтметр,содержащий интегратор, к входу которого источник опорного напряжения - 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 переполнения первого счетчика и сбросовым входом второго триггера, установочный вход которого соединен с клеммой "Пуск", выход - с управляющим 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, отличающийся тем,что,сцелью уменьшения аддитивной составляющей погрешности вольтметра, в него введены третий триггер, счетчик Джонсона, мультиплексор, элемент ИЛИ и клелма "Установка 0", при этом вход третьего триггера соединен с клеммой "Пуск", выход - с первым управляющим входом мультиплексора, второй управляющий 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 напряжения, а выход элемента ИЛИ соединен с управляющимвходом второго ключа.1798711 Одых Составитель Г,РассмотроваТехред М,Моргентал Корректор М.Тка Реда кт аз 769 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комйтета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж; Раушская наб., 4/5 агарина, 1