Способ измерения среднего значения периодических сигналов

(511 4 С О 1 К 19/О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ с. 8 ГО ЗН ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Авторское свидетельство СССРУ 209584, кл. С 01 К 19/00, 21.06,66.Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М.: Советское радио, 1977,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕ АЧЕ НИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к технике электроизмерений. Может быть использовано в приборах для измерения интегральных характеристик сигналов.Юх Цель изобретения - повышение точностиизмерения. Предложенный способ заключается в следующем, Периодически измеряют мгновенные значения сигнала спериодом, меньшим периода сигнала.Суммируют измеренные мгновенные значения, Среднее значение определяетсяисходя из полученной суммы, количества измерений, а также величины интервала между последним измерением мгновенного значения и концом периодасигнала. Устройство для реализациипредложенного способа содержит дискретизатор 1, сумматор 2, вычислительный блок 3, устройство 4 выделенияпериода, одновибраторы 5, 6, элеменИ 7, генератор 8 тактовой частоты,счетчики 9, 10, элементы 11, 15 задержки, элементы ИЛИ 12, 13, блок 14запуска 1 з.п. ф - лы, 2 ил.Изобретение относится к техникеэлектроизмерений и может быть использовано в приборах для измерения интегральных характеристик сигналов.Цель изобретения - повышение точности измерения путем учета некратности частоты выборок мгновенных значений сигнала и частоты сигнала.На Фиг. 1 изображена структурнаясхема устройства для осуществленияспособа измерения среднего значенияпериодических сигналов; на фиг. 2 -функциональная схема вычислительногоблока, входящего в состав устрой 15ства,Способ измерения среднего значения периодических сигналов заключается в том, что периодически измеряютмгновенные значения сигнала с перио 20дом, меньшим периода сигнала, суммируют измеренные мгновенные значенияи делят полученную сумму. Дополнительно измеряют интервал времени между последним измерением мгновенногозначения и концом периода сигнала,вычисляют отношение измервнного интервала времени к периоду измерениямгновенных значений сигнала, передсуммированием мгновенных значенийумножают на полученное отношение последнее измеренное мгновенное значение сигнала, а сумму делят на суммучисла измерений мгновенных значенийи отношения измеренного интервалавремени к периоду измерения мгновенных значений, уменьшенную на единицу.Для повышения точности перед суммированием мгновенных значений умножают первое и последнее мгновенное40значение на отношение измеренного ин;тервала времени к периоду измерениймгновенных значений, увеличенное наединицу и делят пополам,Устройство, реализующее предлага-,45емый способ, содержит дискретизатор 1, сумматор 2, вычислительныйблок 3, устройство 4 выделения периода, первый 5 и второй 6 одновибраторы элемент И 7, генератор 8 тактовойчастоты, первый 9 и второй 10 счетчи 50ки элемент 1 задержки, первый 2 ивторой 13 элементы ИЛИ, блок 14 запуска и элемент 15 задержки. Вход уст.ройства через дискретизатор 1 и сумматор 2 соединен с первым входом вычислительного блока 3, а через устройство 4 выделения периода - со входом одновибраторов 5 и 6 и первым входом элемента И 7. Выход генератора 8 тактовой частоты соединен со вторым входом элемента И 7, выход которого соединен со счетным входом счетчика 9, Выход переполнения счетчика 9 соединен со счетным входом счетчика 10, а. через элемент 11 задержки - с первым входом элемента ИЛИ 12 и с первым входом элемента ИЛИ 13. Выход блока 14 запуска соединен с управляющим входом устройства 4 выделения периода, входом установки в ноль счетчика 10, вторым входом элемента ИЛИ 12 и входом установки в ноль сумма. тора 2, Выход элемента ИЛИ 12 соединен со входом установки в ноль счетчика 9. Выход одновибратора 5 соединен со вторым входом элемента ИЛИ 13, выход которого соединен с управляющим входом дискретизатора 1 и через элемент задержки 15 - с управляющим входомсумматора 2. Выход дискретизатора 1 соединен со вторым входом вычислительного блока 3. Информационные выходы счетчиков 9 и О соединены соответственно с третьим и четвертым входами вычислительного блока 3, Выход одновибратора 6 соединен с пятым входом вычислительного блока 3, выход которого является выходом устройства.Вычислительный блок 3 содержит устройства 16-19 выборки и хранения (УВХ), сумматор 20, перемножитель 21, инвертор, 22, масштабный элемент 23, сумматор 24 и делитель 25. Первый, второй, третий и четвертый входы вычислительного блока 3 соединены соот-. ветственно со входами устройств 6-19 выборки и хранения, управляющие входы которых соединены с пятым входом вычислительного блока 3. Выход устройства 16 выборки и хранения соединен с первым входом сумматора 20. Выход устройства 7 выборки и хранения соединен с первым входом перемножителя 21 и через инвертор 22 - со вторым входом сумматора 20. Выход устройства 18 выборки и хранения через масштабный элемент .23 соединен со вторым входом перемножителя 21 и первым входом сумматора 24. Выход 18 устройства выборки и хранения соединен со вторым входом сумматора 24, выход которого соединен со входом делителя 25. Выход перемножителя 2 соединен с третьим входом сумматора 20, выход которого соединен со входом делимого деи1. +сУ), (1)аТгде д = --- отношение измеренногоТ,интервала времени к периоду измерения35 мгновенных значений сигнала.Более точно среднее значение сигнала определяется из выражения 40 ь 1+4(2) Для анализа погрешности способа можно рассмотреть усреднение синусоидального сигнала, равное Ц, = ЧвЖ 21 И), (3) где Чм и Е - амплитуда и частота из меряемого напряжения.Для удобства дальнейшего анализа выражения (1) и (2) представим соответственно в следующем виде:11 55ч, -- -Е ч. + (д.-1) ч 3 (4)и+дп 1о Ч, Ч + Ч +3 129695 лителя 25, Выход делителя 25 является выходом устройства.Для реализации вычислений вычислительный блок 3 должен содержать пятое устройство выборки хранения (не пока вано), информационный вход которого должен быть подключен к выходу дискретизатора 1, а управляющий вход - к выходу одновибратора 5.Сущность способа измерения среднего значения периодических сигналов заключается в следующем.Начиная от начала периода сигнала измеряют его мгновенные значения Ч, с периодом Т . Последнее мгновенное 15 значение измеряют через интервал времени аТ с Т после измерения предпоследнего мгновенного значения Ч Измеряют интервал ьТ . При этом плоощадь, ограниченная кривой изменения 20Н - 1 сигнала во времени, равна Е Ч Т +оф:О + П дТо, а период Т сигнала выражается следующимобразом:т = (т)-1)Т, + ьт,.25Среднее значение периодического сигнала равно1 о к оЧо (п) Т +ьТ и+д.о о 30+ - - ядп (2 йд - ) 2 Й,Частота Г, выборок выбирается больше частоты измеряемого сигнала,(1 О) так, чтобы выполнялось неравенство- сс 1. В этом случае выражения (9)и (О) можно упростить. В результатеполучимо "Ф 1-д.)1) ( - ), (11)о 3 4д -1(5)Измерения (выборки) мгновенных значений измеряемого сигнала производятся, начиная с момента времени С=О, чеоез интервалы времени Т, = 1/Г где Г, - частота выборок. Среднее значение синусоидального напряжения (3) за период равно нулю. Поэтому при подстановке (3) в выражения (4) и (5) получим значения абсолютных погрешностей измерения, отношение которых к Ч дает соответствующие приведенные погрешности(12)Максимальные значения погрешностей имеют место при д-= 1/2 для выражения (11) и при д.= - для выраженияП2зОЬ "- --(14)смаке, 12 ЕоПри измерении косинусоидального напряжения 0= Чсоз(221), проводя аналогичный расчет, получим соответственно значения погрешностей8 , ю 2,7 (у-) (15) м3 ( - ) (16)ъмакс 20При измерении синусоидального напряжения с произвольной фазой ЧП (1) = Чзп(2 ЭГ+у) погрешностьЬкрав:намакс 1 максмаксгде 8. и 3 - значения погрешнос 1 мака 1 маистей, рассчитываемые по формулам (14),(15), (16) и (17) соответственно.Максимальный выигрыш в точности 30измерения достигается нри расчете искомого среднего значения по формуле(2). При расчете по формуле (2) пог ягрешность будет меньше в в (г/1 )3раэ для синусоидального напряженияи 1,3 (й/Е, ) раз для касинусоидального напряжения. На практике частотавыборок устанавливается не менее чемв десять раз больше максимальной час. -40тоты измеряемого сигнала, поэтомупредлагаемый способ обеспечивает повышение точности измерения синусои-.дального сигнала более чем в 300 раз 45и косинусоидального сигнала - болеечем в 100 раз,При измерении среднего значения сигналов произвольной формы предла 50 гаемый способ также обеспечивает повышение точности измерения. Исключение составляют только сигналы прямоугольной формы, для которых единственным путем повышения точности измерения является увеличение отношения Е /й, т.е. при заданном диапазоне частот измеряемого сигнала - увеличение частоты выборок. Предлагаемый способ может быть использован для измерения не топько среднего э:начения периодических сигналов, но и других интегральных характеристик периодических сигналов. При этом в выражения (1) и (2) вместо мгновенных значений измеряемого сигнала следует подставить их абсолютное значение при измерении средневыпрямленного напряжения, квадрат мгновенных значений при измерении действующего значения напряжения (результат будет пропорционален квадрату действующего значения напряжения) и произведение мгновенных значений тока и напряжения при измерении активной мощности.Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. От блока 14 запуска поступает короткий импульс который обнуляет счетчик 10, а через элемент ИЛИ 12 - счетчик 9, запускает устройство 4 выделения периода и обнуляет сумматор 2, Устройство 4 выделения периода формирует на своем выходе сигнал высокого уровня на время, равное периоду исследуемого сигнала. По положительному фронту сигнала с выхода устройства 4 выделения периода открывается элемент И 7 и запускается одновибратор 5, который через элемент ИЛИ 3 запускает дискретизатор 1, который производит первую выборку мгновенного значения измеряемого сигнала, Через открытый элемент И 7 на счетный вход счетчика 9 от генератора 8 тактовой частоты начинакт поступать импульсы высокой частоты. После каждого переполнения счетчика 9 происходит его сброс в ноль через элемент 11 задержки и элемент ИЛИ 12 (время задержки выбирается больше времени выборки в дискретизаторе 1), прибавление единицы к содержимому счетчика 10 и запуск дискретизатора 1 через элемент ИЛИ 3. В результате этого в счетчике О накапливается число, равное числу выборок, а дискретизатор 1 осуществляет выборки мгновейных значений измеряемого сигнала, которые через время задержки, определяемое элементом 15 задержки и достаточное для завершения переходного процесса в дискретизагоре 1, суммируются в сумматоре 2. По окончании периода измеряемого сигнала закрывается элемент И 7 и запус53 ла и частоты сигнала, что обеспечивает повышение точности измерения. Формула изобретения 1н Б = --- ( Ц +1,11 )с = и+.е ф:1 где О. одно из измеренных мгновенных значений, В;последнее измеренное мгновенное значение, В;число измерений мгновенныхзначений;отношение длительности измеренного интервала времени кпериоду измерений мгновенных значений. 2. Способ по п, 1, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, первое и последнее слагаемые суммы определяют по соот- ношениямЧгде Ч иЧ- соответственно первоеи последнее слагаемыесуммы;- первое измеренное мгновенное значение. 1. Способ измерения среднего значения периодических сигналов, включающий периодические измерения мгновенных значений сигнала с периодом, меньшим периода сигнала, суммирование измеренных мгновенных значений и деФ ление полученной суммы, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют интервал времени между последним измерением мгновенного значения и концом периода сигнала и определяют, среднее значение сигнала У по соот- ношениюШароши кто Заказ 773/47 ВНдписное г ни Ра 13 э д о-полиграфическ изводст Тираж 731 ИИПИ Государствен о делам изобрет Москва, Ж, комитета и открыт ская наб едприятие, г Ужгород, ул. Проектная