Измеритель среднего значения переменного напряжения низкой частоты

(19) ОИ 1 К 19 25 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СС. ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ 3 Г ВСЕ(ОЧ" ИЗОБРЕТЕДЕТЕ ОПИС 3,ЛЬСТВУ ТОРСМОМЪ( СЦИ КИИНИКЕ 219 25нженерн строитель калин Г. етельство СССРК 19/00," 23.01.79,ельство СССРК 19/25, 1967. ЕГО НАЧЕНИЯКОИ ЧАСТОносится к контй технике и можетдля измерения зна(21) 3821015/24(22) 03. 12.84,(71) Харьковский иный институт(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ СРПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕТЫ(57) Изобретение орольно-измерительнбыть использовано копеременного напряжения. Цель изоб, ретения - повышение точности измерения, Устройство содержит усилитель 1, формирователь 2, ключи 3, 4 и 8, генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, тактовый генератор 6, делитель 7 частоты, счетчики 9, 14 и 15 импульсов, нуль-орган 10, триггер 11, элемент 12 задержки, цифровой компаратор 13, элементы ИЛИ 16 и 17. При предложенном составе блоков и их функциональных связях шаг Н интегрирования всегда кратен периоду Т измеряемого напряжения, т.е, Н = Т/2 и, где п - коэффициент деления делителя частоты.Устройство значительно повышает точность измерения среднего значения напряжения. 2 з,п. ф-лы, 4 ил.12Изобретение относится к контроль-но -измерительной технике и может бытьиспользовано для измерения среднегозначения знакопеременного напряжения.Цель изобретения - повышение точности измерения,На фиг. 1 приведена блок-схемаизмерителя; на фиг. 2 - блок-схемаформирователя; на Фиг. 3 и 4 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу измерителя,Измеритель содержит усилитель 1,выход которого подключен к входу формирователя 2, первый и второй выходыкоторого подключены к,управляющимвходам ключей 3 и 4, генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, входкоторого подключен к выходу усилите.ля 1, тактовый генератор 6, выход которого подключен к входам ключей 3 и4, выход ключа 4 подключен к входуделителя 7 частоты, ключ 8, выход которого подключен к счетному входусчетчика 9 импульсов, нуль-орган 10,вход которого подключен к выходу генератора 5 линейно изменяющегося напряжения, а выход - к входу установкив "0" триггера 11, выход которогоподключен к управляющему входу ключа8, элемент 12 задержки, выход которого подключен к стробирующему входуцифрового компаратора 13, первая ивторая группы входов которого подключены к выходам счетчиков 14 и 15 импульсов, элемент ИЛИ 16, первый входкоторого подключен к входу установкив "1" триггера 11, управляющему входугенератора 5 линейно изменяющегосянапряжения и к выходу цифрового компаратора 13, второй вход элементаИЛИ 16 подключен к третьему выходуФормирователя 2 и к установочномувходу счетчика 14 импульсов, элементИЛИ 17, первый вход которого подключен к выходу младшего разряда счетчика 14 импульсов, второй вход - к выходу ключа 3 и к входу ключа 8, авыход - к счетному входу счетчика15 импульсов и к входу элзмента 12задержки. Формирователь 2 содержит усилитель-ограничитель 18, последовательно соединенные нуль-орган 19 и элемент 20 задержки, выход которого подключен к входам ключей 21 и 22 и управляющему входу ключа 22, триггеры 23 и 24, выходы которых являютсясоответственно вторым и первым выхо 42843 2дами формирователя 2, причем входынуль-органа 19 и усилителя-ограни:-.ителя 18 соединены и являются входомформирователя 2, выход усилителя-ограничителя 18 подключен к управляющему входу ключа 21, выход которогоподключен к входу установки в "1"триггера 23, входу установки в "0"триггера 24 и является третьим выхо дом формирователя 2, управляющийвход ключа 22 подключен к выходу триггера 23, а выход ключа 2 подключенк входу установки в "0" триггера 23и входу установки в "1" триггера 24.15 На Фиг. 4 изображены: а - входноенапряжение устройства; б - напряжение на первом выходе формирователя2; в - напряжение на втором выходеФормирователя 2; г -напряжение на 20 третьем выходе формирователя 2; д -содержимое счетчика 14 импульсов;е - содержимое счетчика 15 импульсов;ж - выход цифрового компаратора 13;з - выходное напряжение генератора 25 5 линейно изменяющегося напряжения; .и - выходной сигнал нуль-органа 10;к - выходной сигнал триггера 11; л -содержимое счетчика 9 импульсов,:Усилитель 1 является обычным ли- ЗО нейным входным усилителем, сглаживающимтакже высокочастотныепомехи,если они присутствуют во входном сигнале.Формирователь 2 выполняет следу-.ющие Функции. Он имеет два потенциальных выхода - первый и второй, соединенные с управляющими входами вто;рого 3 .и третьего 4 ключей соответственно, сигналы на этих, выходахимеют характер логических, т.е. прйнимают одно из двух различных значений, нулевое и единичное. Б исходномсостоянии блока - при отсутствии наего входе напряжения - единичныесигналы на первом и втором выходахотсутствуют. Третий выход, соединенный с входом установки в "0" второгосчетчика 14, - импульсный импульс наэтом выходе возникает в момент, когда входное напряжение пересекает нулевой уровень сверху вниз, те. в момент начала отрицательного полупериода, Именно с этого момента появляется на втором выходе блока единичныйсигнал. С этого момента сигналы на 5 первом и втором выходах становятсяинверсными: если один из них - нулевой, то второй - единичный и наоборот. В момент, когда входное напря"жение пересекает нулевой уровень снизу вверх, т.е. в момент начала положительного полупериода входного напряжения, единичный сигнал исчезает на втором выходе и появляется на первом.Сигнал на выходе усилителя-ограничителя 18 имеет единичный уровень в течение отрицательного полупериода и нулевой - в течение положительного 10 полупериода входного напряжения. Нуль-орган 19 вырабатывает на выходе короткий импульс в момент, когда входное напряжение пересекает нулевой уровень (в томили ином направ лении).В исходном состоянии триггеры 23 и 24 установлены в "0", т.е. на пер - вом и втором выходах формирователя20 2 присутствует нулевой сигнал. Если имеет место пересечение входным напряжением нулевого уровня (в дальнейшем пересечение) снизу вверх, т.е.начинается положительный полупериод входного напряжения, то в момент, когда выходной импульс нуль-органа, задержанный элементом 20, поступает на рабочий вход ключа 21, выход которого соединен с единичным входом30 триггера 23, ключ 21 уже закрыт выходным сигналом усилителя-ограничителя 18. Ключ 22 при этом тоже закрыт, так как триггер 23 находится в нулевом состоянии. Если же имеет место пересечение сверху вниз, то к момен ту поступления выходного импульса нуль-органа 19 на вход ключа 21 этот ключ уже открыт., и импульс, пройдя через ключ 21, устанавливает в "1" триггер 23, единичный выход которогоявляется вторым выходом формирователя 2. Ключ 22 теперь открыт, так.что очередной импульс с выхода нуль-органа. 19, возникающий в момент пересечения снизу вверх, проходит через этот 4 ключ (ключ 21, как и в предыдущем случае, закрыт), изменяя состояние обоих триггеров. Каждый следующий импульс с выхода нуль-органа изменяет состояние обоих триггеров, т.е. 50 выход триггера 24, являющийся первым выходом формирователя 2, являетея теперь инверсным по отношению к второму выходу. Третьим выходом формирователя 2 является выход. ключа 21, Клю чи 3,4 и 8 одинаковы, Импульс, поступающий на вход ключа, проходит на его выход только при наличии на управляющем входе ключа единичного.сигнала.Гененатор 5 линейно изменяющегосянапряжения существенно отличается отаналогично известного генератора, чтоимеет принципиальное значение для,работы устройства. Генератор 5 формирует с момента подачи импульса наего запускающий вход напряжение, линейно убывающее от уровня его входного напряжения в момент запуска.Таким образом, длительность интервала времени между моментом запускагенератора 5 и моментом, когда еговыходное напряжение пересекает нулевой уровень, пропорционально значениювходного напряжения 5 генератора вмомент запуска.Тактовый генератор 6 генерируеткороткие импульсы высокой стабильнойчастоты г с периодом Т,1сДелитель 7 частоты может быть выполнен, например, как пересчетныйблок с регулируемым коэффициентом ипересчета (т.е. деления частоты).Счетчик 9 импульсов - это обычныйдвоичный счетчик накапливающего типа.Цепь установки его в "0" не показана,так как она может осуществлятьсяразличным .образом - после каждогоизмерения в течение одного периодалибо после К измерений (с целью усреднения их результатов). Нуль-орган 10 вырабатывает корот-, кие импульсы в моменты, когда линейно убывающее выходное напряжение гененератора 5 достигает нулевого уровня. Элемент 12 задержки задерживает импульсы на время, примерно равное половине периода импульсов тактового генератора. Цифровой компаратор 13 пропускает на выход импульс постуР пающий на его стробирующий вход с выхода элемента 12 задержки, только в том случае, когда кодовые комбинации, поступающие на обе группы его информационных входов, совпадают. Счетчики 14 и 15 импульсов одинаковы, это обычные накапливающие двоичные счетчики.Принцип действия устройства сос- . тоит в следующем.Измерение осуществляется в течение одного (первого) периода входного напряжения, отсчитываемого с момента начала отрицательного полупериода. В течение отрицательного полупериодаосуществляется автоматическое Определение шага интегрированияН = Т/2 п.Величина и, равная коэффициентуделения частоты делителя 7, устанавливается перед началом работы устройства и выбирается равной целой степе-,ни двойки, т.е,и 2. 1 2 фНфТ - период входного напряжения.Величина Н Формируется в счетчике1514 импульсов, В течение этого же полупериода на счетчике 15 импульсовформируется величина Н 2.Во втором - положительном - полупериоде осуществляется собственноизмерение среднего значения. Спустявремя Н/2 с момента начала этого полупериода начинают в . с периодом Нформироваться импульсы запуска гене-,ратора 5. В промежутках между моментами запуска и моментами срабатыва-ния нуль-органа 10 триггер 11 находится в единичном состоянии, т.е.ключ 8 открыт, и тактовые импульсысуммируются в счетчике 9 импульсов30(ключ 3 в положительном полупериодеоткрыт), формируя результат измере 11 К 51,В исходном состоянии напряженкена входе усилителя 1 отсутствует,счетчик 9,14 и 15 импульсов и триг-.гер 11 установлены в "О", единичныесигналы на первом и втором и импульсы на третьем выходах формирователя2 отсутствуют. При этом ключи 3, 4 к8 закрыты, Коэффициент деления дели 4 Отеля частоты установлен равным требуемому значению и = 2 к,Пусть теперь к входу устройства,т,е, к входу усилителя 1 подключеноизмеряемое напряжение Б(й),В ближайший по времени моментпересечения напряжением Б(г) нулевого уровня сверху вниз, т,е. в моментначала отрицательного полупериода,50формируется импульс на третьем вьходе 51формирователя 2, подтверждающий нулевое состояние счетчиков 14 и,15 импульсов, и устанавливается единичный сигнал на втором выходе Формирователя, открывающий ключ 4 (ключи 3 и 8 остаются закрытыми).В течение отрицательного полупериода импульсы с выхода тактового генератора 6 поступают через делитель частоты 7 на счетный вход счетчика 14 импульсов и с частотой, уменьшенной еще в два раза младшим разрядом этого счетчика, - на счетный вход счетчика 15 импульсов, через элемент ИЛИ 17,Таким образом, к концу отрицательного полупериода на счетчике 14 импульсов Формируется число2Т11 2 иа на счетчике .15 импульсов - число, в два раза меньшее;В момент окончания отрицательного пслупериода входного напряжения .единичный сигнал на втором выходе формирователя 2 исчезает, а на первом .выхоце появляется, вследствие чего ключ 4 закрывается, а ключ 3 открывается, и импульсы с выхода тактовогогенератора б начинают поступать на счетный вход счетчика. 15 импульсовСпустя время Н/2 содержимое счетчика15 импульсов достигнет значения И,т.е, сравняется с содержимым счетчк-,ка 14, и тактовый импульс, обеспечивающий указанное равенство к задержанный элементом 12, пройдет на выходцифрового компаратора 13, запускаягенератор 5 линейно изменяющегосянапряжения, устанавливая триггер 11в "1" и через элемент ИЛИ 16 устанавливая в "0" счетчик 15 импульсов.С этого момента импульсы с выходя тактового генератора б начинают поступать на счетный вход счетчика 9 импульсов, продолжая поступать в очкщенный счетчик 15 импульсов, Поскольку Н = Т/2 п, а первый импульс на вь 1 ходе цифрового компаратора 13 сформиг рован спустя время Н/2 с момента начала положительного полупериода, все" го за время Т/2 этого полупериода будет сформировано и таких импульсов(фиг. 3) с интервалами длительностью Н между ними. Каждый из этих импульсов запускает генератор 5 и открывает ключ 8, устанавливая триггер 11и 1 тВыходной импульс нуль-органа 10, формируемый в момент пересечения нулевого уровня выходным напряжениемгенератора 5, возвращает триггер 11в "О", закрывая ключ 8. При этомдлительности интервалов времени, втечение которых ключ 8 открыт, про 1242843+ -(и) Н +Соответст 2 ф 2Ввенно число и ,импульсов тактовогогенератора поступившее в счетчик 9импульсов,в течение д.-го интервала,равнои=а РФ 1 с где а. - масштабный коэффициент.,За время положительного полупери."ода в счетчике 9 будет сформировано 15числоиИ=и; =а, П).с 1Сргласно, принципу действия устройства среднее значение входного пере 20 менного напряжения О(б) т.е. величи- на тИ ц = Г П(с) а(5) 50 Таким образом, искомая площадьприближенно вычисляется как суммаплощадей прямоугольников с основаниями Ь; и высотами П;. Поскольку обеспечено равенство (1), с учетом (4) и (2), имеем(где Т - период вхоцного напряжения,г. - время, отсчитываемое от момента. выхода напряжения 0(г) за нулевойуровень, т.е. от,момента пересеченияэтого уровня снизу вверх), определя- З 0ют путем приближенного вычислениаинтегралат)=ц(с)(3)ометодом прямоугольников и деления его 35на величину Т/2.Метод прямоугольников состоит втом, что отрезок интегрирования, (вт 1данном случае отрезок О, 2,.деЧлят на и частей и вычисляют интегралЙ 1- 2 Р Пт Т т.е. М = и а Б,точностью (в масштабе а). Существенно, что измеряя среднее значение входного напряжения, устройство в процессе работы определяет иего периодТ - содержимое счетчика14 импульсовв течение положительного полупериода, равное величине Т,деленной на два,Благодаря предложенному составуи способу соединения блоков изобрете,ния шаг Н интегрирования всегда кратен периоду Т измеряемого напряженияН = Т/2 и, где и - коэффициент деления делителя частоты, величины напряжений Н; измеряются точно в средйейточке каждого шага, а формировательобеспечивает начало работы устройства только в момент начала отрицателього полупериода входного напряжения.то позволяет значительно повыситьточность измерения среднего значениянапряжения.л Формула изобретения ( 1. Измеритель среднего значения переменного напряжения низкой частоты, содержащий усилитель, формирователь, первый и второй ключи, тактовый генератор, делитель частоты, нуль-орган, триггер, первый счетчик импульсов и генератор линейно изменлющегося напряжения, вход которого соединен с входом формирователя и с выходом усилителя, запускающийвход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым управляющим входом триггера, а выход - с входом нуль-органа, подключенного выхо дом к второму управляющему входу триггера, выход которого соединен с управляющим входом первогд ключа, выход которого соединен со счетным входом перв)ого счетчика импульсов, вход первого ключа - с выходом вта рого ключа, подключенного управляют входом к первому выходу формирователя, а входом - к выходу тактового Поскольку и=2 , то, считывая соКдержимое счетчика 9 импульсов со сдвигом на К разрядов в сторону старших разрядов, т.е. деля его на и, .получаем искомый результат с высокой.2 генератора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены третий ключ, первый и второй5 элементы ИЛИ, второй:и третий счетчи ки импульсов, элемент задержки и цифровой компаратор. Первая и вторая группы информационных входов которого соединены с разрядными выходами 10 второго и третьего счетчиков импуль-сов, стробирующий вход соединен с выходом элемента задержки, а выход - с первым управляющим входом триггера и первым входом первого элемента ИЛИ, 15 подключенного выходом к входу установки в "О" третьего счетчика импульсов, выход тактового генератора подключен к входу третьего ключа, управляющий вход которого соединен с 20 вторым выходом формирователя, а выход - с входом делителя частоты, подключенного выходом к счетному входу второго счетчика импульсов, вход установки в "О,которого соединен с .5 вторым входом первого элемента ИЛИ и с третьим выходом формирователя, а выход младшего разряда соединен с первым входом второго элемента ИЛИ,1подключенного вторым входом к вы- щ ходу второго ключа, а выходом - к счетному входу третьего счетчика импульсов и входу элемента задержки. 2, Измеритель по п. 1, о т л йч а ю щ и й с я тем, что формирователь содержит усилитель-ограничитель, нуль-орган, элемент задержки, два триггера и два ключа, вход нуль-органа соединен с входами усилителя-ограничителя и формирователя, а выход через линию задержки - с входом.ключей, выход одногоизкоторых соединен с входом установки в "О" первого и входом установки в "1" второго триггеров и с третьим выходом формирователя, управляющий вход этого же ключасоединен с выходом усилителя-ограничителя, а управляющий вход другого ключа - с выходом второго триггера, который соединен с вторым выходом формирователя, выход этого же ключа соединен с входом установки в "О" второго триггера и вхоцом установки в "1" первого триггера, выход которого соединен с первым выходом фор 1:3. Измеритель по п. 1, о т л и- . ч.а ю щ и й с я тем, что в качестве генератора линейно изменяющегося напряжения использован генератор напряжения, линейно убывающего от уровня входного напряжения генератора в момент его запуска.1242843 Составитель А. Заборн Техред О.Сопка дактор А. Коэо Корректор В,Бутяг Зак ираж одписно 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород,оектная,698/42ВНИИПИ Государпо делам изо113035, Москва,венноетений