Способ определения среднего значения периодических сигналов

(5)5 6 01 н 19/00 БРЕТЕН ТО ехнике элекпользовано в гральных хаго значени аксимально сть измер анная погр ожно опред ю: якешния среднего лов, согласно риодом диск- иода сигнала,ния сигнала, енные значеие определяТсрО 1/(8- 1=1 ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИ МУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Московский энергетический институт(56) Авторское свидетельство СССРЯ 1296953, кл. С 01 й 19/00, 1985.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГОЗНАЧЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ(57) Использование: изобретение относитсяк технике электроизмерений и может бытьиспользовано в приборах для измерения инИзобретение относится к троизмерений и может быть ис приборах для измерения инте рактеристик сигналов.Известен способ измере значения периодических сигна которому периодически, с пе ретизации Тд, меньшим пер измеряют мгновенные эначе суммируют измеренные мгнов ния сигнала, а среднее значен ют иэ соотношения: де О - мгновенное значение входного сигнала Оах, измеренное в момент времени . Тд, 01 ч- последнее мгновенное значение, измеренное в течение периода сигнала Т.Недостатком известного метода является ограниченная точность измерения средтегральных характеристик сигналов. Сущность изобретения: способ определения среднего значения периодических сигналов основан на измерении и суммировании мгновенных значений сигнала, измерении интервала между последним измеренным в течение периода мгновенным значением сигнала и концом периода, дополнительном умножении сигнала на непрерывную ступенчатую весовую функцию, а также измерении мгновеннных значений сигнала во втором периоде и нахождении среднего значения периодического синала по расчетной формуле. 2 ил., при которой приведеннму значению сигнала пог ния среднего значения, шностью измерения пери лить по следующему выр Значение отношения Тд к Т обычно не может быть меньшим определенной величины, поэтому известный метод имеет ограниченную точность.Выражение (2) получено следующим образом. При измерении среднего значения периодического сигнала погрешность измерения можно представить в виде суммы нескольких составляющих, одной иэ которых может являться ) ср - составляющая погрешности, вызванная погрешностью измерения периода.Целью предлол;енного способа является уменьшение составляющей у ср. Поэтому при анализе погрешности у р дискретное ребраэование (1) представляется в виде свертки синала с аналоговым окном с шириной, равной значению периода Т, измеренного с относительной погрешностью д т. Окноявляется нормированным,т.е, его площэд равна 1. Представив операцию измерения среднего значения в виде свертки;Оср - ОБхт Кпр 1 т,где Кврпрямоугольное окно с шириной Т(1 + дт);О, - входной сигнал, равный Овх внутри временного отрезка от 0 до Т, и равный 0 за пределами временного отрезка;1 т - импульсная периодическая единичная функция с периодом Т,Выделив преобразование Квр+ 1 т, можно провести синтез н наихудшей формысигнала О. которая приводит к приведенной погрешности измерения среднего значения, вызванной измерением периода с погрешностью д т, равной 2 д т. Для аналога значение д т равно Тд/Т, откуда следует выражение (2),Наиболее близким техническим решениек является способ измерения, включающий периодические измерения мгновенных значе ий сигнала с периодом дискретизации Тд .ньшим периода сигнала Т, суммирование измеренных в моменты времениТд мгновенных значений сигнала О, где в порядковый номер измерения, согласно которому с целью устранения описанного выше недостатка измеряют интервал времени между последним измерением мгновенного значения в течение периода сигнала и концом периода сигнала, определяют отношение длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значе;ий и делят полученную сумму согласно следующему выражениюОгр= ( , В" а Оц)/(11-1+ а ),(3)где - отношение длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значений Тд,При этом приведенная погрешность измерения среднего значения, вызванная погрешностью измерения периода д т, не превышает удвоенной погрешности измерения периода д т, которая определяется только точностью измерения а , Недостатком известного метода является ограниченная точность измерения среднего значения,обусловленная сильным влиянием относительной погрешности измерения периодад т на результат измерения среднего значе 5 нияО р,Целью изобретения является повышение точности измерения среднего значенияпериодического сигнала О,.р,Цель достигается тем, что в известном10 способе измерения среднего значения периодических сигналов, включающем периодические измерения мгновенных значенийсигнала с периодом дискретизации Тд,меньшим периода сигнала Т, суммирование"5 измеренных в моменты времени 1. Тд мгновенных значений сигнала О 1, где - порядковый номер измерения, измерениеинтервала времени между последним измерением м новенного значения в течение пе 20 риода сигнала и концом периода сигнала,определение отношения длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значений и делениеполученной суммы, согласно изобретению,25 умножают сигнал на ступенчатую весовуюфункцию р, равнуюпри 1, изменяющемсяот 1 до Й - 1, где Й - порядковый номерпервого измерения мгновенного значенияпосле окончания периода, и равную 2 Й - 1л40 при, изменчощемся от И дг 2 Ы 3, измеряют мгновенные значения умноженногосигнала р О, а также изьеряют мгновенныезна;ения си; ала О, при 1, изменяющемся(М - 1 + а)2где а - отношение длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значений Тд.В отличие от прототипа в предлагаемомспособе содержатся новые признаки - умнсжение измеряемого сигнала на непрерывную ступенчатую весовую функцию р,измерение мгновенных значений умножен ного синала с периодом дискретизации Тд.Положительный эффект достигается эасчет того, что благодаря умножению измеряемого сигнала на ступенчатую весовуюфункцию р, равную при, изменяющемся от 1 55 до 8-1 и равную 2 Л 1-2-1 при 1, изменяющемся отй до 2 М-З, измерению мгновенных значенийумноженного сигнала р.О 1, а также измерениюмгновенных значений сигнала 01 при 1, изменяющемся от М до 2 И, и определениисреднегозначения Ор по выражению (4), 1824588способ позволяет измерять среднее значение периодического сигнала с приведенной погрешностью у,р, не превышающей удвоенного квадрата относительной погрешности измерения периода д т, что повышает точность измерения усрд т г(6) Начиная с момента М Тддо(2 й). Тд, измеряют также (фиг, 2 ж) мгновенные значения сигнала 0 и суммируют эти значения в сумме Яг ги - зЯг -,Г После измерения мгновенного значения Огмсреднее значение сигнала Оср вычисляют по выражению 51+ 2 а Яг + сР Ог и - 1Оср (8)(М - 1+а)г Устройство. реализующее способ (фиг, 1). содержит формирователь 1, один вход которого соединен с входной шиной Ох, а второй вход соединен с шиной "Запуск". выход формирователя 1 соединен с входами запуска генераторов счетных импульсов 2 и На фиг. 1 представлен пример структурной схемы устройства, реализующего способ; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устросйства,Предлагаемый способ осуществляется следующим образом, В момент начала периода сигнала формируют первую ступеньку весовой функции р, равную 1 (фиг,2 е), умножают измеряемый сигнал Ох (фиг. 2 Ь) на р и измеряют мгновенное значение умноженного сигнала. Через отрезок времени, равный периоду дискретизации Тд, р увеличивают на 1, измеряют мгновенное значение р . 01 и суммируют измеренные значения в сумме 51. Этот процесс продолжается до момента окончания периода, В следующий момент времени й, Тд измеряют временной интервал между моментом окончания периода и й , Тд (фиг. 2 г) р(1) уменьшается на 1, измеряют мгновенное значение р, 01 и суммируют в 31, В момент (2 й - 2), Тд значение 51 определяется следующим образом: 3, а также с входом ключевого элемента2 ИЛИ 4, Выход генератора 2 соединен свходом ключевого элемента 2 ИЛИ 5, входомключевого элемента 2 И 6, а также с входом5 сброса генера 1 ора 3, Выход элемента 5 соединен с вторым входом элемента 4, со счетным входом реверсивного счетчика 7, атакже с входом запуска аналого-цифровогопреобразователя (АЦП) мгновенного значе 10 ния 8 и с входом запуска сумматора 9. Входуправления реверсивного счетчика 7 соединен с выходом формирователя 1. Выход "=0"счетчика 7 соединен с вторыми входамиключевых элементов 5 и 6. Выходная шина15 счетчика 7 соединена с цифровым входомумножающего цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 10, вход опорного напряжения которого соединен с входной шинойОвх, а выход соединен с входом АЦП 8. Вы 20 ход АЦП 8 соединен с входом сумматора 9,Выход генератора 3 соединен с входом счетчика 15, Выход элемента 4 соединен с входом запуска АЦП 11, с входом запускасумматора 12, а также с входом счетчика 13,25 выход элемента 6 соединен с вторым входом запуска АЦП 11, а также с входом запуска вычислительного блока 14. Входыданных вычислительного блока 14 соединены с выходами блоков 13, 15. Шина "За 30 пуске соединена с входами сброса в "0"содержимого блоков 7, 9 - 13 (на фиг. 1 последнее соединение условно не показано).35 Может быть реализовано на элементах серий К 555, К 521, К 572, К 427,Устройство, реализующее способ (фиг.1), работает следующим образом, Короткий40 импульс по шине "Запуск" (фиг. 2) сбрасывает е "0 содержимое счетчиков 7, 1, 13 исумматоров 9, 12, а также состояние выхода"-0" счетчика 7, Импульс "Запуск" запускаетформирователь 1. Формирователь 1 форми 45 рует на своем выходе сигнал высокого уровня иа время, равное периоду исследуемогосигнала (диаграмма б фиг. 2 б), По положительному фронту сигнала запускается генератор 2., вырабатывающий50 последовательность коротких тактовых импульсое с периодом Тд.Первый импульс через открытый элемент 5 проходит на счетный вход реверсивного сче 1 чика 7 и увеличивает содержимое55 счетчика на 1. Весовая функция р е течениеотрезка времени 0-Тд равна 1, Следующийтактовый импульс увеличивает содержимое7 на 1 и р равна 2 в течение ТдТд, Перемножающий ЦАП 10 (например, К 427 ПА 1 А,Б) выполняет умножение входного сигналаОвх на н.з;грерыеную ступенчатую весовуюфункцию р, задаеаему;о на цифровом входеЦАП 10 сос,;едстесм счетчика 7 Мгноеен 1824588,(9)а=На 50 55ФОср = Ови 1 КТР 1 т ные значения перемножаемого напряжения р Овх измеряют при помощи АЦП 8 с периодом дискретизации Гд и суммируют в сумматоре 9, формируя значение суммы 31 (6). Описанный процесс продолжается до момента окончания периода, когда задний фронт формирователя 1 запускает генератор 3, вырабатывающий последовательность коротких тактовых импульсов с периодом дискретизации Тд, значительно меньшим Тд диаграмма г фиг. 2), Эти импульсы подсчитываются в счетчике 15, Окончание генерации 3 происходит в момент поступления на вход сброса 3 следующего тактового импульса с порядковым номером М, Содержимое счетчика 10 равно числу импульсов М генератора 3, заполнивших интервал времени между задним фронтом формирователя 1 и первым поступившим тактовым импульсов генератора 2. Изменение состояния выхода 1 вызывает переключение режима работы реверсивного счетчика 7 на вычитание. Тактовый импульс с номером ч диаграмма д фиг, 2) вызывает уменьшение р на 1. Процесс уменьшения р продолжается до момента достижения О, Изменение состояния выхода "=0" счетчика 7 закрывает ключевой эл мент 5 и открывает ключевой элемент б. После окончания периода тактовые импульсы с номером М - 2 М - 1 (диаграмма ж фиг. 2) поступают на входы запуска АЦП 11. Эти импульсы подсчитываются в счетчике 13. Значение 32, равное сумме мгновенных значений Оч - О 2 и(7), формируется в сумматоре 12, Мгновенное значение О 2 ис выхода АЦП 11 подается на вход вычислительного блока 14. Вычислительный блок 14 может быть реализован как на дискретных элементах цифровой техники, так и на процессорных элементах, и используется для арифметической операции вычисления Оср по формуле (8). Вычислительный блок 14 по импульсу начала вычисления с выхода элемента б реализует вычисление а по форму- ле и вычисление Оср по формуле (8),Анализ предложенного способа позволяет вывести выражение (5) для погрешности измерения Оср, обусловленной погрешностью измерения периода д т. Как указано в пояснении для выражения (2), операцию (4) можно записать в виде свертки 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 где Ктр - треугольное окно, являющееся результатом свертки двух прямоугольных окон Кпр с шириной Т(1 . д т),Выделив преобразование Ктр1 т, можно провести синтез наихудшей формы сигнала Ох, которая приводит к приведенной погрешности иэмере 2 ния среднего значения уср, равной 2, д, (5),Для прямоугольного окна, примененного в прототипе, погрешность ср определяется по выражению (9).Таким образом, при осуществлении предложенного способа погрешность измерения у ср по сравнению с проготипом уменьшается в 1/ дт раз.При погрешности измерения периода д т, равной 17 ь, для вольтметра цифрового микропроцессорного Ф 4853, разработанного на кафедре информационно-измерительной техники Московского энергетического интситута и реализующего известный способ. погРешность У ср не пРевосходит 27 ь, ДлЯ опытного образца, смоделированного и испытанного так же и реализующего предложенный способ, погрешность у ср не превосходит 0,02,Формула изобретения Способ определения среднего значения периодических сигналов, заключающийся в том, что периодиче;ки измеряют мгновенные значения сигн а а с периодом дискретизации Тл, меньши 1 периода сигнала Т, суммируют измеренные в моменты времениТп мгновенные значения Ь сигнала, где- порядковый номер измерения, измеряют интервал времени между последним измерением мгновенного значения в течение периода сигнала и концом периода сигнала, определяют отношение а длительности измеренного интервала времени к периоду измерений мгновенных значений и находят среднее значение Оср периодического сигнала по расчетной формуле, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности, умножают периодический сигнал на непрерывную ступенчатую весовую функцию р, равнуюпри , изменяющемся от 1 до ч -1, где М - порядковый номер первого измерения мгновенного значения сигнала после окончания периода, и равную 2 М - 2-при , изменяющемся от М до 2 М - 3, измеряют мгновенные значения умноженного сигнала р О и суммируют их, а мгновенные значения Ь сигнала измеряют при , изменяющемся от ч до 2 ч - 1. и опредепяют1824588 10 среднее значение периодического сигналапо выражению- 1 + гг) лу оставитель Л,фоминехред М.Моргентал Коррект еда кто ка Тираж Подписное твенного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 1 акао 2 ИПИ Госуда и ГКНТ ССС роиоводственно-издательский комбинат Патент, г, Ужгород, ул, Гагарина, 10