Многоотсчетный цифровой вольтметр время-импульсного преобразования

(23) Приоритет Государственный комитет СССРОпубликовано 15,07.80. Бюллетень26Дата опубликования описания 18,07.80 по делам изобретений н открытий(72) Авторы изобретения Пензенский политехнический институт(54) МНОГООТСЧЕТНЫЙ ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в измерительной технике, автоматике и вычислительной технике,Известный цифровой вольтметр времяимпульсного преобразования, содержащий элемент сравнения пилообразного Чи измеряемого ЧХ напряжений, триггер,генератор пилообразного напряжения, ключ,генератор эталонной частоты и счетчикимпульсов, причем выход генераторапилообразного напряжения подключен кодному из входов элемента сравнения,измеряемое напряжение подключено ковторому входу элемента сравнения, выход последнего через триггер соединенсо входом ключа, второй вход которогоподключен к выходу генератора эталонной частоты, а выход ключа соединен совходом счетчика импульсов. Интервал щвремени между пусковым импульсом, вырабатываемым при запуске генераторапилообразного напряжения и стоп-импульсом, вырабатываемым элементом сравнения в момент .равенства ЧХ и Чт,фиксируется триггером. Интервал пропорционален величине измеряемого напряжения Чх и при заполнении его импульсами эталонной частоты получается цифровой эквивалент, пропорциональныйнапряжению /Х 111Основной недостаток вольтметра -низкое быстродействие, так как в немосуществляется последовательный счетимпульсов,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, является многоотсчетный цифровой вольтметр времяимпульсного преобразования, содержащийгенератор эталонной частоты, генераторпилообразного напряжения с ключами почислу разрядов отсчета, элементы Ина три входа, счетчики импульсов, блокцифрового отсчета, элемент сравнения иблок выделения разности, входы которогоподключены к источнику измеряемогонапряжения и к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход через35 3 7488элемент сравнения, другой вход ко-торого соединен с общей шиной, и триг гер подключен к первйм входам элемейтов И на три входа,а выходы элемен-,тов И подключены к счетчикам импульсов и блоку цифрового отсчета,К йрибору уравйовешивающего преобразованияпредъявляются жесткие требования кстабильности компенсирующего напряжения, так какпогрешность задания компенсирующего напряжения /есть погрешность измерения. Кроме того,суммирование пилообразного и компенсирующего напряжений приводит к необходимости подключения источника пилообразного напряжения к общей шине черезисточник компенсирующего напряжения 2,Недостаток этого вольтметра - большая сложность конструкции, низкая помехозащищенность. 20Цель изобретения повышение помехозащищенности.Она достигается тем, что в многоотсчетный цифровой вольтметр время-импульсного преобразования, содержащий гене-.ратор пилообразного напряжения с ключами по числу разрсдов отсчета, генераторэталонной частоты, элементы И на тривхода, счетчики импульсов, блок цифрового отсчета, элемент сравнения и блоквыделения разности, входы которого подключены к источнику измеряемого напряжения и к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход - через элемент сравнения, другой вход которогосоединен с общей шиной, и триггер подключен к первым входам элементов Ина три входа, а выходы элементов Иподключены х счетчикам импульсов иблоку цифрового отсчета введены элемент задержки, элементы И на два входа, пороговые элементы, число которыхна единицу меньше количества разрядовотсчета, логический блок и по"два триггера на каждый пороговый элемент, . 45причем вторые входы элементов И на ." три вхбда подключены через элементИ на два входа к инверсному выходуэлемента задержки и к выходу генератораэталонной частоты, соединенных с шиной 50стартовйх импульсов., при этом входы-абраживых элементов параллельно подсоединены к выходу блока выделения разности, а выходы через логический блок" "подключены ко входам соответствующих Ъпар триггеров, нулевой выход первоготриггера первой пары подключен черезлогический блок к триггерам последуюфщего разряде, его единичный выходподсоединен к третьему входу соответствующего элемента И на три входа, а выходы вторых триггеров всех пар, вход сброса которых подключен к выходу первого элемента И на два входа, подсоединены к входам сбросапервых триггеров соответствующей пары третий вход)элемента И на три входа младшего разряда подключен к выходу логического блока. и к нулевому выходу первого триггера предпоследнего разряда через элемент И на два входа, а третьи входы элементов И на три входа соединены со входами ключей.На фиг. 1 представлена блок схема предложенного многоотсчетного (здесьтрехотсчетного) вольтметра время- импульсного преобразования; на фиг. 2 - схема логического блока.Устройство содержит блок 1 выделения разности измеренного Чу и пилообразного Ч, напряжений, элемент 2 сравнения, сравнивающий ЬУ;-х-У с нулевым уровнем и срабатывающий при Ч= (= О, триггер 3, генератор 4 пилообразного напряжения (ГПН), ключи 5, 6, 7 по количеству разрядов отчета, пороговые элементы 8, 9, логический блок 10, осуществляющий выборку старшего иэ сработавших пороговых элементов, генератор 11 эталонной частоты, элемент 12 задержки, элементы 13, 14 И йа два входа, триггеры 15, 16, 17, 18, элементы 19, 20, 21 И на три входа, счетчики 22, 23, 24 импульсов сотен, десятков и единиц и блок 25 цифрового отсчета. Причем входы блока 1 выделения разности подключены к источнику измеряемого напряжения и к выходу генератора 4 пигообразного напряжения, ко входу которого подсоединены ключи 5, 6, 7 по числу разрядов отсчета. Выход блока 1 выделения разности подключен через элемент 2 сравнения и триггер 3 к первым входам элементов 19, 20, 21 И а выходы этих элементов И подключены к счетчикам 22, 23, 24 импульсов, последовательно соединенных между собой и подключенных и блоху 25 цифрового отсчета. Вторые входы элементов 19, 20, 21 И подсоединены через элемент 13 И к выходам элемента 12 задержки и генаратора эталонной частоты, синхронизированных пусковым импульсом. Кромес того, выходы каждого иэ пороговых элементов 8,9, входы которых подсоединеРаботает вольтметр следующим образом.Пусть измеряемое напряжение Ч 476 у.е, При включении прибора срабатывают оба пороговых элемента 8 и 9. Однако на выходе логического блока 10 будет сигнал только от старшего порогового элемента 8, Он откроет ключ 5, в соответствии с чем генератор пилооб-, разного напряжения будет вырабатывать напряжение с максимальным наклоном. Одновременно сигнал с выхода старшего из сработавших пороговых элементов 8 через логический блок 10 взводит триггеры 15 и 16, так как Чх-(7150 у;е По сигналу "Измерение" вырабатывается пусковой импульс, который синхронизирует 45 55 ны к выходу узла блока 1 выделения разности, через логический блок 10 подключены параллельно ко входам соответствующих пар триггеров 15, 16 и 17, 18. Нулевой выход триггера 16 подключен через логический блок 10 к триггерам 17, 18 последующего разряда отсчета, а его единичный выход подсоединен к третьему входу элемента 19 И, Выходы триггеров 15 и 17, входы сбро са которых подключены через элемент 13 И к выходу генератора 11 эталонной частоты подсоединены соответственно к входам сброса триггеров 16 и 18, Третьи входы элементов 19, 20 И сое 5 динены со входами ключей 5, 6, а вход ключа 7 подсоединен к третьему входу элемента 21 И на три входа и к выходу элемента 14 И на два входа второй вход которого подключен к нулевому выходу триггера 18 предпоследнего разряда.Работа прибора основана на изменении наклона генератора пилообразного напряжения в соответствии со счетом. сотен, десятков и единиц счетчиками импульсов, Переключение наклона генератора 4 пилообразного напряжения осуществляется ключами 5, 6, 7, воздействующими на времязадающую цепь генератора 4 и изменяющими ее: постоянную времени,:. З 0 В предлагаемом устройстве требования к стабильности напряжений пороговых элементов 8 и 9 снижены. Это достигается за счет повышения уровня порогов настройки. Пороговый элемент 8 настроен З 5 на 150 условных единиц (у.е.), а элемент 9 на 15 у,е, и уровни их срабатывания могут изменяться соответственно в пределах + 50 и 1 5 у.е. Это не приведет к ошибке в измерении. начало работы генератора 4 пилообразного напряжения, триггера 3 выделения ин- тервала времени, пропорционального длине кода поразрядного измерения напряжения Ъ, и генератора 11 эталонной частотй. Такая синхронизация для вольтметров с поразрядной разверткой пилообразного напряжения необходима д отличие от вольгметра время-импльсного преобразования с подсчетом единичных приращений, так как здесь погрешность в единицу дискретности при отсчете старшего разряда равна ста дискретностям младшего разряда. При синхронизации работы генератора 11 необходимо, чтобы первый импульс не прошел на входы счетчиков 22-24 импульсов. Для этого введен элемент 12 задержки типа одновибратора с временем задержки больше длительности импульса генератора11 эталонной частоты, На нулевом выходе элемента 12 задержки появляется. сигнал, запрещающий прохождение первого импульса генератора 11 через элемент 13 И. Остальные импульсы будут проходить через элемент 13 И на счетчики. Таким образом, сигнал с выхода триггера 3 поступит на элементы 19, 20, 21 И.Однако откроется только элемент 19 И так как только на его третьем входе будет единичный сигнал с триггера 16 и импульсы с генератора 11 эталонной частоты поступают на счетчик 22 сотен. При достижении пилообразным напряжением уровня Ч= 476-150-326 у.е. пороговый элемент 8 отпустит (когда Ч -ЧС 150 у.е). Триггер 15 сбрасыювается в 0 тактовым импульсом генератора 11 эталонной частоты. После этого триггер 15 сбросит триггер 16 и позволит пройти еще одному (четвертому) импульсу через элемент 19 И на счетчик 22, а затем запретит их прохождение. После прихода четвертого импульса в счетчик 22 сотен срабатывает триггер 18 и элемент 20 И, сигнал с выхода которого воздействует на ключ 6, уменьшит наклон пилообразного напряжения в 10 раз и пропустит импульсы на счетчик 23 десятков. Импульсы генератора 11 начнут поступать на счетчик 23 десятков. Разность Ч -Ч, после отсчета первого разряда будет 476-400=76 у.е. Остаток 76 у.е. подсчитывается счетчи- ком десятков. При величине пилообразного напряжения 76-15-61 у.е. пороговый элемент 9 отпускает, изводится триггер48856 7717, который затем сбрасывается тактовым импульсом и сбрасывает триггер 18.Однако седьмой импульс успевает пройтичерез элемент 20 И на счетчик 23 десятков. Образуется остаток Ъх -ф 476-470=6 у.е. Наконец, генератор пило -образного напряжения цо сигналу логического блоха 10 еще раз изменит наклон напряжения (сработает ключ 7) ичерез открытый элемент 21 И начнутпоступать импульсы единиц цифровогоэквивалента на счетчик 24. На шестомимпульсе наступает равенство Чх-Ч=476 у.есрабатывает элемент 2 сравнения, который закрывает элемент 21 И,Цифровой, эквивалент Чу =476 у.е.,хранимый в счетчиках 22, 23, 24, соответствует значению измеояемой величины, /х и .регистрируется блоком 25 цифрового отсчета.Измерение напряжения, например,426 у.е. будет происходить другим способом. Поступят два импульса в счетчик,сотен, и при достижении пилообразнымнапряжением величины 9, =426-150==276 у.е. пороговый элемент. 8 отпус тит. Однако после этого на счетч 1 п 22сотен успеет пройти третий импульс,Излом пилообразного напряжения произойдет на уровне 300 у.е. Т.е. отсчетостатка- Ч =426-300=126 у.е.будет пройсходить не сотнями, а десягхами за двенадцать тактов работы генератора эталонной частоты,Таким образом, если измеряемоенапряжение имеет значение больше полови-ны дискретности отсчитываемого разряда,.то отсчет последующего разряда происходит за число тактов меньше десяти;при значении измеряемого напряженияменьше половины дискретности отсчитываемого разряда, оценка значения после-дующего разряда происходит за числотактов большем десяти. Поэтому дляобеспечения возможности переноса десятиимпульсов младшего разряда в старшийв устройство введены связи переноса изсчетчика единиц в счетчик десятков ит,д. Это позволяет резко уменьшить требование к стабильности пороговых элементов. Требование к стабильности порогового элемента 8 составляет ф 50 у-.е.Ск ешение во времени или от температурыуровня срабатывания в пределах 150++ 50 у,е. не приведет к понижению точности измерения, изменится лишь соотношение общего количества измерений производимых оптимальным (беэ переноса) инеоптимальным (с" переносом из младшего разряда в старший) способами. Аналогично происходит отсчет третьего разряда, Произойдет последнее изменениенаклона напряжения ГПИ и подсчет единиц, Выборка старшего иэ сработавшихпороговых элементов осуществляется спомощью логического блока 10,Логические блоки широко используют"ся в цифровых вольтметрах параллельнопоследовательного уравновешивания, Блокпредставлен (см. фиг,2) вместе с пороговыми элементами 8 и 9 и триггерами15, 16, 17 и 18. Он состоит иэ элементов 26, 27 НЕ и элементов 28, 29 И.Если / - 7150 у.ето срабатываютоба пороговых элемента 8 и 9, но,сигнал 1" будет только на выходе элемента 8. Он взведет триггеры 15 и 16.Когда х -Чстанет меньше 150 у.е.и элемент 8 отпустит старшим станетпороговый элемент 9. Однако сброс триггера 15 произойдет только по приходуследующего тактового импульса генератора эталонной частоты, Тогда же произойдет взведение триггеров 17 и 18, исоответственно, излом пилообразногонапряжения и подсчет импульсов десятков,;так как нулевой выход триггера 16 соединен с третьим входом элемейта 19 И.Возможно использование в цифровомвольтметре и других аналогичных блоков,но это приводит к большему объему инеоднородности элементов сопряженияс вольтметром.Предложенный цифровой вольтметрпо сравнению с вольтметрами времяимпульсного преобразования без изменения крутизны ГПН имеет в р раз,-югде- количество разрядов отсчетаприбора, большее быстродействие (тахпри ) =3 в 33 раза, при 3=4 в250 раэ), обладает более простой схемной реализацией за счет использованияпороговых элементов с низкими требованиями к их стабильности. Точность предложенного вольтметра выше, чем у известного, так как в последнем отсутствуетсинхронизация первого ммнульса генератора эталонной частоты. ф о р м у л а изобретения ММногоотсч етний цифровой вольтметр время-импульсного преобразования содержащий генератор пилообразного напряжения, с ключами по числу разрядов74885610гическнй блок подключены ко входамсоответствующих пар триггеров, нулевойвыход первого триггера первой пары подключен через логический блок к триггерам последующего разряда, его единичныйвыход подсоединен к третьему входу соответствующего элемента И на три входа,а выходы вторых триггеров всех пар,вход сброса которых подключен к выхо 10 ду первого элемента И на два входа,а, подсоединены к входам сброса первыхтриггеров соответствующей пары, третий вход элемента И на три входа младшего разряда подключен к выходу ло 5 гического блока и к нулевому выходупервого триггера предпоследнего разряда через элелент И на два входа, атретьи входьг элементов И на три входасоединены со входами ключейж Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Шляндин В. М. Цифровые,измерительные преобразователи и приборы, В.Ш,,М 1973, с, 168-169,отсчета, генератор эталонной частоты, элементы И на три входа, счетчики импульсов, блок цифрового отсчета, элемент сравнения и блок выделения разности, входы которого подключены к .источнику измеряемого напряжения и к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход - через элемент сравнения, другой вход которого соединен с обшей шиной, и триггер подключен к первьм входам элементов И на три вход а выходы элементов И подключены к счетчикам импульсов и блоку цифрового . отсчета, о т л и ч а ю щ и й с я тем, то с целью повышения помехозащишенности, в него введены элемент задержки элементы И на два входа, пороговые элементы, число которых на едйницу меньше количества разрядов отсчета, ло гический блок и по два триггера на ка дый пороговый элемент, причем вторые входы элементов И на три входа подклю чены через элемент И на два входа к инверсному выходу элемента задержки и к выходу генератора эталонной частоты, соединенных с шиной стартовых импульсов, при этом входы цо 1 оговых,элементов подсоединены параллельно к выходу блока ,выделения разности, а выходы через ло 25 2. Полупроводниковые кодируюшие н декодирующие преобразователи. Под редСмалова Б. В., "Энергия", 1967, с.145150 (прототип) .748856 Составитель Г. Шаповал емеш Техред М. Петко Коррек. Кост дак тор 4384/22тираж 998. БНИИЛИ Государственного по делам иэобретени 113035, Москва, Ж, РПодписное комитета СССР открытий ушская наб., д. 4/5