Универсальный цифровой интегрирующийвольтметр

Союз Советских Социалистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ о 11838598(72) Авторы изобретения В.М.Фролов, В,А.Юрманов и М.П,Шадрин ателье 71) Заявитель ЮЩИй 54) УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ИНТРИГВОЛЬТМЕТР 1Изобретение относится к цифровой электроизмерительной теЪнике и может быть использовано для измерений интегральных характеристик переменного сигнала в широком частотном диапазоне.Известен цифровой вольтметр переменного сигнала, содержащий. преобразователь напряжения в интервал времени, четыре ключа, преобразователь код-частота,реверсивный счетчик, Формирователь элементарных циклов, блок управления, арифметический узел, цифровой отсчетный блок, генератор опорной частоты, делитель частоты, причем вход преобразователя напряжения в интервал времени соединен со входом формирователя элементарных циклов, а выход - с управляющими входами первого и второго. ключей, выходы которых соединены с сигнальным и управляющим входами преобразователя код-частота, выход последнего соединен с сигнальными входами третьего и четвертого ключей разноименные входы реверсивного счетчика подключены к выходам последних ключей, а выход - ко входу арифметического узла, выход которого соединен со входом цифрового отсчетного лементируап яже блока,тарных цющему вх выходы Формирователя эиклов подключены к такоду преобразователя н рния в интервал времени ко входу"сброс" преобразователя код-частотаи ко входу блока управления, выходпоследнего соединен с управляющимивходами формирователя элементарных 10 циклов третьего и четвертого ключейи арифметического узла соответственно выход генератора опорной частотысоединен с сигнальным входом второгоключа и входом де.-.нтеля опорной частоты, выход котор.,го подключен к сигнальному входу первого ключа,Значение опорной частоты для получения высокой точности измерениянеобходимо выбирать значительноменьше периода Т входного сигнала.20 При этом погрешность измерения вольтметра в основном определяется значением частоты на выходе преобразовате.ля код-частота 11 . Однако создание высокочастотных подобных преобразователей является слож ой техни".ческой задачей, поэтому на результатизмерения большое влияниеоказывает погрешность дискретности, а этообуславливает низкую точность вольт метра. н ензенский филиал Всесоюзного н и(ссле технологического инстприборостроенКроме гого, описанная структура не позволяет полностью использовать воэможности заложенного в ней способа н планз измерения других интегральных характеристик переменного сигнала (среднее и средневыпрямленное значения) в широком частотном диапазоне, что является недостатком вольтметра.Цель изобретения - повышение точности иэмерения 1 и расширение функциональных ноэможйостей, заключающееся н дополнительной возможности измерения среднего и средневыпрямленного значений напряжений переменного сигнала.Поставленная цель достигается тем, что н универсальный цифровой 15 интегрирующий вольтметр, содержащий преобразователь напряжения н интервал времени, преобразователь кодчастота, ренерсинный счетчик, формирователь элементарных циклов, первый, О второй, третий и четвертый переключающие блоки, блок управления, арифметический узел,.цифровой отсчетный блок, генератор опорной частоты, при этом вход преобразователя напряжения н интервал времени соеди-, нен с шиной входного сигнала, со входомформиронателя элементарных циклов, выход последнего подключен к тактирующему входу преобразователя напряжения н интервал времени и к входу блока управления, выход которого соединен с управляющим входом Формирователя элементарных циклов, а а выход преобразователя напряжения в интервал времени соединен с первыми З 5 входами первого и второго переключающих блоков, вторые входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, кроме того, первый и второй входы третьего переключающего блока соединены соответственно с выходом преобразователя код-частота и с выходом блока управления, который также соединен с первыми входами арифметического узла и четвертого переключающего блока, введены блок совпадения кодов, триггер и счетчик, причем выходы перного и второго переключающих блоков соединены с разноименными входами реверсивного счетчика, выход которого подключен к входу блока совпадения кодов и первому входу арифметического узла, выход блока совпадения кодов соединен с первым входом триггера, выход которого соединен с третьим входом третьего переключающего 55 блока и управляющим входом преобразователя код-частота, при этом выход. третьего переключающего блока соединен с входом счетчика,.выход последнего соединен со вторым входом о арифметического узла, выход которого соединен с вторым входом четвертого переключающего блока, выход последнего подключен к входу цифрового отсчетного блока, причем 65 выход блока управления соединен с управляющими входами первого и второго переключающих блокон, блока совпадения кодов, а также со вторым входом триггера и с входами "сброс" реверсивного счетчика и преобразователя код-частота, сигнальный, вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, с четвертым входом третьего переключающего блока, вторым входом блока управления и входом квантования преобразователя напряжения н интервал времени, выход которого соединен с третьим входом блока управления.На фиг.1 представлена структурная схема вольтметра, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.Вольтметр содержит преобразонатель 1 напряжения в интервал времени, преобразователь код-частота 2, реверсивный счетчик 3, формирователь 4 элементарных циклов, блок 5 управления, арифметический узел б 1 цифровой отсчетный блок 7, генератор 8 опорной частоты, первый и второй переключающие блоки 9 и 10, блок 11 совпадения кодов, триггер 12, третий переключающий блок 13, счетчик 14, четвертый переключающий блок 15, причем вход преобразователя 1 напряжения н интервал времени соединен со входом Формирователя 4 элементарных циклов, выход последнего подключен к тактирующему входу преобразователя 1 напряжения в интервал времени и к входу блока 5 управления,ныход которого соединен с управляющим входом формирователя 4 элементарных циклов; первые сигнальные входы первого и второго переключающих блоков 9 и 10 соответственно соединены с выходом преобразователя 1 напряжения в интервал времени, а .выходы - с разноименными входами реверсивного счетчика 3, выход кото- рого подключен к входу блока 11 совпадения кодов и первому входу арифметического узла б, выход блока 11 совпадения кодов соединен с первым входом триггера 12, выход которого соединен с первым сигнальным входом третьего переключающего блока 13 и управляющим входом преобразователя код-частота 2, выход последнего подключен К третьему сигнальному входу третьего переключающего блока 13, выход которого соединен с входом счетчика 14, выход последнего соединен со вторым входом арифметического узла б, выход которого соединен с входом четвертого переключающего блока 15, выход последнего подключен к входу цифрового отсчетного блока 7, выход блока 5 управления соединен соответственно с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого переключающих блоков 9,К концу второго элементарного циклаТГ 23 в реверсивном счетчике 3 ос9 Лтается код Мз 1,21, равный: " Г(т,Р-Т,С 13) =" - " Ь,Ч к эл элоПо концу ТзА 2 сигналом с блока 5управления триггер 12 устанавливаютв определенное логическое состояние,а его вход вычитания реверсивногосчетчика 3 продолжают подавать импульсы частотой Г . При равенстве. кодав реверсивном счетчике 3 нулевомузначению сработает блок 11 совпадения, и триггер 12 вернется в исходное состояние. Информационный интервал времени Т 1, выделяемый триггером 12, ,равенооЕсли М з 11( М Г 21, то по концуТ 2 сигналом с блока 5 управленияэлтриггер 12 устанавливают в определенное логическое состояние, а импульсычастотой 1 к подают на суммирующийвход реверсивного счетчика 3. Информативный интервал времени Т (1 опре.деляется аналогичным образом.Полученный интервал времени поступает на управляющий вход преобразователя код-частота 2, имеющегофункцию преобразования видаМ4где 1 - частота следования импульсов на выходе преобразователя код-частота 2;М - емкость счетчиков преоб 01разователя 2;М - код управляющего счетчикапреобразователя 2.Частота 4 в течение времени Т 11через третий переключающий блок13 поступает в счетчик 14, код К Г 1в счетчике 14 равен4 чх;иса.тсаЕ,: - : ь с,л ч.Затем элементарные циклы повторяютсяраз. В.результате в счетчике14 накапливается кодч.лчх % хЯ. Я,н М - г-" - С,чо оРассмотренный алгоритм для уменьшенияпогрешности дискретности позволяетввести два вида квантования (синхронизации) . Первый вид квантования (почастоте Гк) заполнения интерваловвремени Тзлосуществляется следующим образом. Конец Тсинхронизируется .с первым пришедшим послеего окончания импульсом частотыВ результате тСц =тГ+ ьсТ С+Э=Т С+43-д+аЬТ и Т и 3 Ь +ьфк тТ .н 4=пТ- =ОТ- -где- текущее значение номера элементарного цикла, ( 1,2,3и),а и и - коэффициенты, которыевыбираются из условия заданной точности измерения (и) в заданном частотном диапазоне (а),поступающие натактирукщий вход преобразователя 1напряжения в интервал времени (фиг.2 пвзято равным 1), чтобы не загромождать рисунок).За первый элементарный цикл ТЗл 1на выходе преобразователя 1 напряжения в интервал времени выделяетсяинтервал времени Т 711 .45чхтС Л = .ТэСЧ,где М - интегральное значение входного сигнала за Тэи 15 рЧо - опорное напряжение.В течение Т 1( импульсы частот"ной Гк с выхода генератора 8 опорнойчастоты через первый переключающийблок 9 поступают на суммирующий входреверсивного счетчика 3, в результате 55код Мл Г 1 в счетчике равенЯзлСЛ =т ЪЗ Ек= " тэлс 43 ЕкоЗа второй элементарный цикл Тзл Г 23в течение Т 23 через второй перек- Ялючающий блок 10 на вычитающий входреверсивного счетчика 3 поступит число импульсовМ лы 3=Т А%31 - - - т лСНГчо 65 10,13 и 15, блока 11 совпадения кодов и арифметического узла б, а также со вторым входом триггера 12 и входами "сброс" реверсивного счетчика 3 и преобразователя код-частота 2, сигнальный вход которого соеди нен с выходом генератора 8 опорной частоты, со вторыми сигнальными входами первого, второго и третьего переключающих блоков 9,10 и 13 входом блока 5 управления и входом квантования преобразователя 1 напряжения в интервал времени, выход которого соединен с входом блока 5 управления.На фиг. 2 показаны форма 16 входного сигнала, импульсы 17, поступа ющие на тактирующий вход преобразователя 1 напряжения в интервал времени, изменение кода в реверсивном счетчике 3 - 18, импульсы 19 линей.но изменяющейся частоты с выхода 20 преобразователя код-частота,Работает вольтметр следующим образом.В режиме измерения действующего значения напряжения формирователь 4 элементарных циклов по сигналу с блока 5 управления вырабатывает элементарные циклы ТзТ Я=еТ+Ъ =тт+ -тЗО: ЬМ С 1+ И йь где ТИ 1.1 - квантованный интервалвремени;Ьс - интервал времени междуконцом Т С 1 и первымпришедшим импульсом час"тотые (ис,с,:-),отсюда Х т СЭ=Т Са И +2 ТС+3-Й ДС;= К: ИТ Г 3 фИФ,Таким образом значение сумиы любого числа квантованных интервалов времени Т с 13 отличется от истинного не более чем на с.Рассмотрим второй вид квантования по частоте 14 заполнения интервалов времени Т С . При списывании кода йэ С+1 в реверсивном счетчике 3 ймпульсами частотой Е конец информативного интервала времениТ определяют по первому пришедшему импульсу частоты с 4 после выполнения условия йэл С,+11 =0 (фиг.25 т.т, С СИ):В результате списанный код равенй Е 3 ТС(И фиМ =йэлс 3 ий4и С 13=М С 1-Ий 4 дйэл 30элСИ И СЪ-+ Д,"где Ьй . по эквивалентному значению не превосходит 14:- , Таким об 4разом, введение операций квантования позволяет при тех же требованиях к преобразователю код-частота 2 уменьшить относительную погрешность дискретности враз. После получения кода й сЦ в счетчике 14 осуществляют сдвиг элементарных циклов на 50 время с а также предустанавливают управляющий счетчик преобразователя код-частота 2, тем саум подготавливая его к новому циклу работы, после этого повторяют описанные операции. В результате в счетчике 14 накапливается код который, как и в известном устройстве,поступает в арифметический узел6, осуществляющий нормирование и из влечение квадратного корня. В цифровой отсчетный блок 7 поступает код Г иК=кЗ, - ,ЕЧ"йгде к - коэффициент пропорциональнос ти 3, пропорциональный действующему значению напряжения входного сигнала.В режиме измерения средневыпрямленного значения напряжения в первом такте формирователь 4 элементарных циклов по сигналу с блока 5 управления вырабатывает элемеНтарныеТ лС 3=ютсь поступающие на тактирующий вход преобразователя 1 напряжения в интервал времени, На выходе преобразователя 1 напряжения в интервал времени выделяются интервалы времениЧх;ТЕ 3 = - Т 63.Ч элВ течение каждого Т 1 импульсы частотой Е с выхода генератора 8 опорной частоты через первый пе-. реключающий блок 9 поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 3, За и элементарных циклов в реверсивном счетчике 3 накапливается кодн И Ч, т.С и Е 23 й =Е - т С 3 Е Е Ч + -Р-и Чсь.Ч эл к ч, х Ч м: р р : о код пропорциональныйинтегральному значению входного сигналаИ за и.п периодов Т,Ср". Чх - код,пропорциональный средневыпрямленному значению входного сигнала.Во втором также на тактирующийвход преобразователя 1 напряжения винтервал времени подаются элементар-ные циклыТ С 3.-пТ,На выходе преобразователя 1 напряжения в интервал времени выделяютсяинтервалы времениЧхТ С 3 = - . яТв течение которых импульсы частотойГе через второй переключающий блок10 поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 3. За и элементарных циклов в реверсивном счетчике3 останется кодц Т и рй = - -ч,= - :- ч,СЬ СЬ Ч; хЭтот код поступает в арифметическийузел б, осуществляющий нормирование,В результате через четвертый переключающий блок 15 в цифровой отсчетный блок 7 поступает кодий "-к - Е ч1где К - коэффициейт пропорциональности, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения входного сигнала.В режиме измерения среднего значения напряжения информация,соответствующая положительной полуволне входного сигнала, через первый переключающий блок 9 поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика 3, а информация, соответствующая отрицательной полуволне через второй переключакщий блок 10 - на вычитающий вход реверсивного счетчика 3. В результате в реверсивном счетчике 3 накапливается коди,. и , р и й = Е "Т с 3-2.т сз:-1Р , ",чИ/2гдеу,т ;3 - информация за=4 положительнуюлуволну входногои сигнала;Х Ч,Т 1(3 - информация за отри =И/2 цательную полуволну входного сигнала;эо - элементарный цикл Этот код поступает в арифметический узел б, осуществляющий нормирование В результате через четвертый переключающий блок 15 в цифровой отсчетный блок 7 поступает кодй к ЕЧпропорциональный среднему значению напряжения входного сигнала.Таким образом, предлагаемое устройство помимо более широких чем у известного устройства функциональных возможностей имеет погрешность дискретности враз меньше, что обуславливает его более высокую точностьФормула изобретенияУниверсальный цифровой интегрирующий вольтметр, содержащий преобразователь напряжения в интервал времени, преобразователь код-частота реверсивный счетчик, Формирователь элементарных циклов, первый, второй, третий и четвертый переключающие блоки блок управления, арифметичес. - кий узел; цифровой отсчетный блок, генератор опорной частоты, приэтом вход преобразователя напряжения в интервал времени соединен с шиной входного сигнала, со входом Формирователя элементарных циклов, выходпоследнего подключен к тактирующемувходу преобразователя напряженияв интервал времени и к входу блокауправления, выход которого соединен суправляющим входом формирователя,элементарных циклов, а выход преобразователя напряжения в интервал временисоединен с первыми входами первогои второго переключающих блоков, вторые входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты кроме того, Первый и второй входытретьего переключающего блока соединены соответственно с выходом преобразователя код-частота и с выходом 15 блока управления, который также соединен с первыми входами арифметического узла и четвертого переключающего блока,о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точности Щ и расширения функциональных возможностей,в него введены блок совпадениякодов, триггер и счетчик, причем выхо.ды первого и второго переключающегоблоков соединены с разноименнымивходами реверсивного счетчика, выходкоторого подключен к входу блокасовпадения кодов и первому входу арифметического узла, выход блока совпадения кодов соединен с первым входом триггера, выход которого соединен с третьим входом третьего переключающего блока и управляющим входомпреобразователя код-частота, при этомвыход третьего переключающего блокасоединен с входом счетчика, выход З последнего соединен со вторым входомарифметического узла, выход которого соединен со вторым входом четвертого переключающего блока, выход последнего подключен к входу цифрового 4 О отсчетного блока, причем выход блокауправления соединен с управляющимивходами первого, второго переключающих блоков, блока совпадения кодов, а также со вторым входом тригге.ра и с входами сброс реверсивногосчетчика и преобразователя кодчастота, сигнальный вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, с четвертым входом третьего переключающего блока, вторымвходом блока управения и входомквантования преобразователя напряжения в интервал времени, выход которого соединен с третьим входом блокауправления.55 Источники. информации,,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2600402, 31.10.78.а Фил ПП фПатентф, г. Ужгород, ул, Проектна 420/68 Тираж ВНИИПИ Государ по делам из 113035,Москва 7732 венного к ретений и Ж, Рауш Подписноемитета СССРткрытийкая наб., д. 4/5