Устройство для измерения максимального значения сигналов

(22) Заявлено 12.12.77 (21) 2553633/18-21 (51) М, Кл. с присоединением заявки Ю Государстееиимй комитет СССР ао делам изобретений и открытий.7 ( 088.8) Дата опубликования описания 05,06.80 М. М. Гельман(71) Заявитель 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ СИГНАЛОВ1Изобретение относится к измерителной технике и может быть использованов электроизмерительных устройствах истемах автоматического регулированиядля измерения максимального значениясигналов и процессов, в том числе редкповторяющихся и одиночных,Известны аналоговые измерители эктремальных значений сигналов, основанттые на принципе интегрирования и преобразования спектра этих сигналов 11.Недостатками являются невысокая тоность измерений и ограниченность спектизмеряемых сигналов,Наиболее близким по технической сности к предлагаемому является аналогцифровое устройство для измерения экстремума сигналов, работающее на принцисравнения последовательных значений синала со ступенчато изменяющимся уравнвешивающим опорным напряжением и сдержащее выходной кодовый регистр, гератор ступенчатого напряжения, а такжеизмерительный и опорный компараторьт,ь-т первые входы которых соединены параллельно, второй вход опорного компаратора подключен к общей шине устройства,а второй вход измерительного компаратора соединен с выходом генератора ступено- чатого напряжения 21,Недостатком известного устройства явс-ляется снижение быстродействия с расширением диапазона измеряемых сигналовпо уровню. и, как следствие, увеличение1 Одинамической погрешности.ч- цель изобретения - повышение бысгро-ра действия устройства в широком диапазонеуровней измеряемых сигналов.уЩие15Поставленная цель достигается тем,о- что в устройство для измерения максимального значения сигналов, содержащеепе . выходной кодовый регистр, генератор стуг- пенчатого напряжения, а также опорныйо- З и измерительный компараторы, первыео-входы которых соединены параллельно, втонерой вход компаратора подключен к обшейшине устройства, а второй вход измерительного компаратора соединен с выходом сиО П И С А Н И Е )739424ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬСТВУ3 7394 генератора ступенчатого напряжения, ввелены коммутатор аналогового сигнала, входной делитель, входными шинами .включенными между входом устройства и общей шиной, соответствующие выходы кото 5 рого подключены к соответствующим входам коммутатора аналогового сигнала, логический элемент И, два логических элемента ИЛИ, группа триггеров, ключ элеУ мент временной задержки, распределитель импульсов, декадный делитель, группа ключевых элементов, шунтирующих старшие декады декадного делителя, входом включенного между общей шиной устройства и выходом генератора ступенчатого 15 напряжения, группа дополнительных измерительных компараторов, первые входы которых соединены параллельно и подключены к аналоговому выходу коммутатора аналогового сигнала, а второй вход каждого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к соответствующей ступени одной из декад декадного делителя, выход каждого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к пер вому входу триггера, вторые входы триггеров соединены параллельно и подключены к выходу первого логического элемента ИЛИ, первый вход которого подсоединен к выходу элемента временной задержки и зо первому входу второго логического элемен- таИЛИ, второй вход которого соединен со входами сброса генератора ступенчатого напряжения, распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала, выход З 5 измерительного компаратора подключен к второму входу первого логического элемента ИЛИ, входы запуска генератора, ступенчатого напряжения и распределителя импульсов соединены с первым входом ло О гического элемента И, второй вход которого соединен с подключенным к одним из выходов распределителя импульсов, а выход логического элемента И соединен со входом запуска коммутатора аналогового 45 сигнала и вторым входом второго логического элемента ИЛИ, кодовые выходы распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала и выходы группы триггеров подключены к соответствующим входам 50 кодового регистра, к которому через ключ подсоединены также выход опорного компаратора и выход одного из дополнительных измерительных компараторов, а вход элемента временной задержки подключен к вы ходному кодовому регистру непосредственно,На чертеже представлена структурнаяэлектрическая схема устройства. 24 4Устройство содержит измерительный вход 1 устройства, входной делитель 2, коммутатор 3 аналогового сигнала с входами запуска 4 и сброса 5, выходом 6 аналогового сигнала и кодовым выходом 7, логический элемент 8 И, опорный компаратор 9, генератор 10 ступенчатого напряжения с выходом 11 и входами запуска 12 и сброса 13, распределитель 14 импульсов с входами сброса 15 и запуска 16 и кодовым выходом 17, группа ключевых элементов 18, группа дополнительных измерительных компараторов 19, декадный делитель со ступенями (декадами) 20-23 соответственно; Р; К.10К 10 (и й 10 " ", группа триггеров 24, первый логический элемент 25 ИЛИ, измерительный компаратор 26, ключ 27, выходной кодовый регистр 28, элемент 29 временной задержки, второй логический элемент 30 ИЛИ, общая шина 31. Устройство работает следующим образом,. В исходном состоянии все шунтирующие ключевые элементы 18 закрыты сигналами распределителя 14 импульсов, при этом соответствующие ступени 20-22 декадного делителя оказываются закороченными, опорный 9 и все измерительные компараторы 19 и 26 через коммутатор 3 аналогового, сигнала подключены к измерительному входу 1 устройства, ключ 27 закрыт для передачи сигналов; положение триггеров 24 и состояние кодовых выходов 7 коммутатора 3 и 17 распределителя 14 импульсов, соответствуют нулевой информации, Единичный уровень выходного напряжения генератора 10 ступенчатого напряжения (ГСН) выбирается в границах одной или нескольких предпоследних младших декад кода, исходя из требований быстродействия и точности измерений, а также количества. ступеней 23 декадного делителя. Совместно с измерительными компараторами 19 и 26 ступени 23 образуют аналого-цифровой преобразователь (АЦП) считывания, работающий в пределах одной или нескольких младших декад кода. Количество декад АЦП обусловлено требуемым быстродействием устройства и допустимой погрешностью измерений (числом уровней квантования). Указанные требования обеспечиваются выбором оптимального соотношения Между значением уровня единичной ступени напряжения генератора 10 и числом ступеней 23 декадного делителя с компараторами 19, т.е. числом уровней квантования5 739424единичной ступени генератора 10 и, соот- роветственно, измеряемого сигнала, исходя Сиз возможного быстродействия гейератораступенчатого напряжения и компараторов, изс учетом временных характеристик изме ниряемого сигнала. Выходное напряжение ге- инератора 10 распределяется по степеням ра23 с равным и постоянным прирашением,образуя равномерную шкалу квантованиялоизмеРЯемого сигнала по УРовню в Указан Р а,ных выше пределах. Если максимум измеряемого сигналаповышает уровень Д первой ступени генератора 10, то по мере возрастания этого сигнала последовательно срабатывает группа дополнительных измерительных компараторов 1 9 и измерительный. компаратор 26.Сигналом компаратора: 26 переключается генератор 10, на вхоле которого формируется напряжение, равное двум ступеням 2 Ь одновременно сигналом компаратора 26 сбрасываются в исходное нулевое состояние группа триггеров 4,ао 4 распределитель импульс ов 1 4 по этому сигналу размыкает ключевой элемент18 первой ступени 22 декадного делителя, непосредственно подключенной к цепочке ступеней 23, т,е. к ЛЦП, Так как при Если предел измерения и амплитуда напряжения генератора 10 ступенчатогоИнапряжения равны Л = 10 Б, где И -15 число декад, требуемое количество уровней квантования сигнала Р, диапазон предо ставления чисел ЛЦП считывания 10, где К- количество декад ЛЦПтоп ве 10 10" личина единичной ступени ГСН Д= - р -Устройство работает в широком диапазоне уровней напряжения входных сиг- налов, однако амплитуда выходного напряжения ГСН выбирается равной условному младшему пределу. При изменении уровня входного сигнала по мере его нарастания коммутатором 3 аналогового сигнала включаются соответствующие ступени входного делителя 2 и на компараторы 9, 19 и 26 всегда передается измеряемый сигнал в уменьшенном масштабе в границах условного младшего предела. Это обеспечивает повышение быстродействия устройства и уменьшение динамической погрешности,В исходном состоянии выходное напряЗ 5 жение генератора 10, установленное на уровне первой ступени, равно Ь . Это напряжение распределяется по измерительным компараторам 19 в соответствии с дискретными ступенями декады (или декад) 23, Число декад делителя равно И, каждая из которых содержит по 9 дискрет-/ ных ступеней, а младшая декада (или младшие декады) содержит 10 дискретных ступеней 23. Величина ступеней 20-23- 45 составляет соответственно: й ; й 108,.10й 10 ее в младшей декаде. Таким образом, опорное чапряжение, образуемое делителем на каждом измерительном компараторе 19, отличается от соседнего компаратора на величинуакС появлением на вхоле 1 измеряемого сигнала он сравнивается в компараторах 19 с совокупностью дискретных уровней напряжения на ступенях 23 делителя и по мере возрастания измеряемого сигнала последовательно срабатывают комнараторы 19. Сигналы сработавших компаратов запоминаются в группе триггеров 24,игнал сравнения опорного компаратора 9начальный период измерения с ростоммеряемого сигнала не оказывает влияя на работу устройства благодаря исользованию ключа 27, Этот ключ отпиется только по сигналу "меньше" илиавно" опорного компаратора 9, при усвии предварительной его подготовки сиглом измерительного компаратора 19.Если максимальное значение измеряемого сигнала не превышает уровня первойступени Ь генератора 10, то в соответствии с максимумом сигнала срабатьеваеттолько часть компараторов 1 9. Когла впроцессе уменьеееения измеряемого сигнала его значение достигнет потенциала общей шины 31, то соответствующим сигналом опорного компаратора 9 откроетсяподготовленный ключ 27 и единичный код,соответствующий измеренному максимумусигнала, с группы триггеров 24 по сигналу с выхода ключа 27 перепишется ввыходной кодовый регистр 28.Ключ 27 во избежание ложного срабатывания в исходном состоянии устройстваблокирован выходным сигналом одного изкомпараторов 19, к опорному входу которого подключенье ступень 23 делителя сминимальным уровнем напряжения, равным - С началом измерения упомянуЬ1 а етый компаратор 19 срабатывает первыми леблокирует ключ 27, подготавливаяего для последующей передачи сигналаопорного компаратора 9, Опорный уровеньопорного компаратора 9 может быть задан отличным от потенциала обшей шины31, В этом случае для деблокированияключа 27 используется сигнал компаратора 19 с соответствующим опорнымуровнем,7 73 этом с увеличением напряжения генерато ра 10 пропорционально возросло и сопротивление делителя (общее сопротивление ступеней 23 равно сопротивлению одной ступени 22), то приращение напряжения на соседних ступенях 23 делителя сохраЬнится прежним, равным- -, но возрасЧо 1тает при этом на каждой ступени 23 по абсолютному значению на величину Ь,По мере возрастания измеряемого сигнала описанный процесс сравнения этого сигнала с равномерной шкалой уровней квантования, формируемой на ступенях 23 и изменяющейся на величину Ь в соответствии с ростом напряжения генератора 10 и последовательным включением (деблокировкой) отдельных ступеней 20-22 в" каждом такте, повторяется до тех пор, . пока не появится максимум сигнала (если он не превышает условного младшегопредела, т.е, амплитудй генератора 10 ступенчатого напряжения). В такте достижения измеряемым сигналом максимума, сработает соответствуюцее число компараторов 19, сигналы которых запомнит группа триггеров 24. После достижения максимума измеряемый сигнал начнет, уменьшаться. При переходе измеряемым сигналом уровня потенциала общей шины, появившийся сигнал сравнения бпорного компаратора 9 (через подготовленйый в первом такте сравнения ключ 27) поступит в выходной кодовый регистр 28, В соответствии с этим сигналом производится считывание единичного кода с группы триггеров 24 и сигналов кода с кодового выхода 17 распределителя 14 импульсов в кодовый. регистр, 28. Сигналы кода распределителя 14 импульсов, соответствую,щие количеству деблокированных ступеней 22-20 делителя, являются числовым эквивалентом старших разрядов кода, а код группы триггеров 24 - числовым эквивалентом младших разрядов кода. Указанный код в совокупности является числовым значением максимума измеряемого сигнала. По сигналу с выхода ключа 27 с задержкой по времени в элементе временной задержки 29 на период считывания кодов в регистр 28, выполняется сброс всего устройства в исходное состояние. Если максимум измеряемого сигнала превышает условный младший предел, то при достижении измеряемым сигналом амплитуды генератора 10, в последнем таке сравнения на уровне условного младше 5 10 15 измеряемого максимума. При считывании кодов в выходной ре 20 25 30 35 40 45 50 55 го предела, сигналом измерительного компаратора 26, через подготовленный в начале этого такта элемент 8 И (элемент8 И подготавливается сигналом последнего выхода распределителя 14), все устрсйство сбрасывается в исходное состояние,эа исключением коммутатора 3 аналогового сигнала. Указанным сигналом сравнения компаратора 26 коммутатор 3 переключает все компараторы 9, 19 и 26 с измерительного входа 1 устройства к первой ступени входного делителя 2. Далеепроцесс измерения повторяется аналогично вышеописанному вплоть до появления гистр 28 одновременно считывается и код с кодового выхода 7 коммутатора 3,который характеризует масштаб измеряемой величины. При переключении масштаба для запуска коммутатора 3 используется сигналкомпаратора 26, запускающий генератор 10 и распределитель 14 импульсов. Указанные функциональные элементы можнотехнически реализовать таким образом,чтобы после полного цикла их действияпереход в исходное состояние выполнялсяавтоматически очередным сигналом запуска. Однако в общем случае, а также в.интересах надежности, для сброса целесообразно использовать цепи со вторым элементом 30 ИЛИ, При этом сигнал сбросапоявляется на соответствующих входах 13генератора 10 и 15 распределителя 14импульсов,с задержкой в элементе 8 Ии элементе 30 ИЛИ достаточной для надежной работы указанных функциональныхэлементов. Благодаря сочетанию ступенчатого и параллельного уравновешивания в границах условного младшего предела в устройстве обеспечивается слежение за измеряемым сигналом со скоростью перевышающей скорость его изменения на элементарных участках, заданных уровнями квантования. В сочетании с масштабным преобразованием достигается повышение быстродействия в широком диапазоне изменения уровней измеряемых сигналов,Вместе с тем, адаптивная перестройка делителя на выходе генератора ступенчатого напряжения в соответствии с формируемым уровнем напряжения (квантования) обеспечивает постоянство абсолютной погрешности квантования по уровню в пределах одного кванта, т.е. 1 Относитель15 9 .739 ная погрешность измерений с расширением предела при этом уменьшается.Использование единичного кода обеспечивает повышение информационной надежности. Потери информации, обусловленные5 случайным сбоем ипи даже отказом элементов в отдельных разрядах могут быть восстановлены по данным соседних разрядов, Систематический отказ в этом случае легко диагностируется по результатам 10 нескольких циклов измерения. Прч измерении периодических сигналовустройство может быть использовано врежиме накопления данных,формула изобретения Устройство для измерения максимального значения сигналов, содержашее выходной кодовой регистр, генератор ступенчатого напряжения, а также опорный и измерительный компараторы, первые входы которых соединены параллельно, второй вход опорного компаратора подключен к общей шине устройства, а второй вход измерительного компаратора соединен с выходом генератора ступенчатого напряжения, о т и и ч а ю щ е е с я тем, что, с це- ЗО лью повышения быстродействия в широком, диапазоне уровней измеряемых сигналов, в устройство введены коммутатор аналогового сигнала, входной делитель, входными шинами включенный между входом устройства и общей шиной, соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам коммутатора аналогового сигнала, логический элемент И, два логических элемента ИЛИ, группа тригге О ров, ключ, элемент временной задержки, распределитель импульсов, декадный делитель, группа ключевых элементов, шунтирующих старшие декады декадного делителя, входом включенного между общей шиной 45 устройства и выходом генератора ступенчатого напряжения, группа дополнительных измерительных компараторов, первые входы которых соединены параллельно и подкпю 424 10чены к аналоговому выходу коммутатора аналогового сигнала, второй вход каждого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к соответствующей ступени из декад декадного делителя, выход каждого дополнительного измерительного компаратора подсоединен к первому входу группы триггеров, вторые входы группы триггеров соединены параллельно и подключены к выходу первого логического элемента ИЛИ, первый вход которого подсоединен к выходу элемента временной задерж ки и первому входу второго логического элемента ИЛИ, второй вход которого соединвн с входами сброса генератора ступенчатого напряжения, распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала, выход измерительного компаратора подключен к второму входу первого логического элемента ИЛИ, входы запуска генератора ступенчатого напряжения и распределитель импульсов соединены с первым входом логического элемента И, второй вход которого соединен с одним из выходов распределителя импульсов, а выход логического элемента И соединен с входом запуска коммутатора аналогового сигнала и вторым входом второго логического элемента ИЛИ, кодовые выходы распределителя импульсов и коммутатора аналогового сигнала и выходыгруппы триггеров подключены к соответствующим входам кодового регистра, к которому через ключ подсоединены также выход опорного компаратора и выход одного из дополнительных измерительных компараторов, а вход элемента временной задержки подключен к выходному кодовому регистру непосредственно. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Циделко В. Д., Иванов Б. Р. Принципы построения определителей экстремума сигнала". - В сб. Измерения, контроль,автоматизация, 1977, Ио 1.2, Нетребенко К. А. Компенсационныесхемы амплитудных вольтметров и указателей экстремума. М., "Энергия", 1967,с. 24-28, рис. 1-1 Зв,