Устройство для измерения действующего значения напряжения в диапазоне инфразвуковых частот

ОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 80136(504 С 01 к 19/ СРЫТИЙ ОМИТЕТ ИЙ И ОТ ОСУДАРСТВЕННЫО ДЕЛАМ ИЗОБРЕ БРЕТЕНИЯ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ИНФРАЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ(57) Изобретение служит для повьппния точности измерения вольтметрафранизких частот. Устройство содержит квадратор 1, нуль-орган 3, пересчетный блок 4, сумматор 5, блок 6деления, блок 7 извлечения квадратнаго корня, генератор 8 импульсов,.элемент И 9, счетчик 10 импульсов иэлемент ИЛИ 14, Введение блока 11 е- инОПИСАНИ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ обнаружения экстремума, элементов И13, 15".17 и реверсивного счетчика18 позволяет интегрирование квадратично преобразованного напряженияпроизводить в течение двух, смещенных по фазе и перекрывающихся по времени, интервалов. Длительности последних равны между. собой и кратныпериоду, выделяемому из измеряемогонапряжения по его синфазным переходамчерез нуль. Начала интервалов интегрирования.задается в моменты временисоответствующие нулю и максимуму мгновенного значения измеряемогонапряжения. В связи с этим погрешности измерения, вызванные неточностьювыделения периода на обоих интервалах интегрирования, противоположныпо знаку и максимально близки по модулю, а следовательно, указанныепогрешности компенсируются. 1 з.п.ф-лы, 2 ил,Изобретение относится к области электроизмерений и может быть использовано в вольтметрах инфранизких частот. 5Цель изобретения - повышение точности путем повышения помехоустойчивости и снижения влияния дрейфа нуля.На фиг. 1 изображена структурная, схема предлагаемого устройства, на 10 фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.Устройство содержит квадратор 1, выполненный в виде преобразователя квадрата мгновенного значения напря г жения в частоту, вход которого соединен с входной клеммой 2 и входом нуль-органа 3, выход которого соединен с первым входом пересчетного блока 4, сумматор 5, выход которого сое- Ю динен с первым входом блока 6 деления, выход которого подключен к первому входу блока 7 извлечения квадратного корня, генератор 8 импульсов,выход которого соединен с первым входом 26 первого элемента И 9, второй вход которого соединен с первым входом пере- счетного блока 4, а выход - со счетчиком 10 импульсов. Устройство также содержит блок 11. обнаружения экстре- ЗО мума, вход которого соединен с входной клеммой 2, а выход - со вторым входом пересчетного блока 4. К выходу квадратора 1 через делитель 12 частоты на два подключен первый вход ЗБ второго элемента И 13, второй вход которого подключен ко второму выходу пересчетного блока 4, а выход - к первому входу первого элемента ИЛИ 14 Первый вход третьего элемента И 15 40 соединен с выходом квадратора 1,второй вход соединен с третьим выходом, пересчетного блока,4, а выход - ко второму входу первого элемента ИЛИ 14, выход которого подключен к первому 45 входу сумматора 5. Ко второму входу сумматора 5 подключен четвертый выход пересчетного блока 4, Первый вход четвертого элемента И 16 подключен к пятому выходу пересчетного блока 4, бб а его второй вход - к выходу генератора 8 импульсов. Первый вход пятогб элемента И 17 соединен с шестым выходом пересчетного блока 4, а его второй вход - с выходом генератора 8 импульсов.Первый вход реверсивного счетчика 18 подключен к четвертому выходу пересчетного блока 4, его второй вход -к выходу четвертого элемента И 16,третий вход - к выходу пятого элемента И 17, а выход - с третьим входомпересчетного блока 4. Выход счетчика10 импульсов подключен ко второму,входу блока 6 деления. Седьмой выходпересчетного блока 4 соединен с третьим входом блока 6 деления и вторымвходом блока 7 извлечения квадратногокорня,Пересчетный блок 4 содержит мультивибратор 19, первый выход которогосоединен со входом первого одновибратора 20 и первым входом первогоэлемента И 21, второй выход мультивибратора 19 соединен с первым входом второго элемента И 22. Объединенные выводы первого 21 и второго22 элементов И являются первым входом пересчетного блока 4. Выход первого элемента И 2 1 подключен к пер 1вому входу первого триггера 23. Выход второго элемента И 22 подключенк первому входу первого элемента ИЛИ24 и первому входу второго триггера25. Выход первого одновибратора 20является четвертым выходом пересчетного блока, а также соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ 24и вторым входом второго триггера 25,третий вход которого является третьимвходом пересчетного блока 4Выходпервого элемента ИЛИ 24 подключен ковторому входу первого триггера 23 ипервому входу третьего триггера 26.Выходпервого триггера 23 являетсяпервым выходом пересчетного блока 4и соединен с первым входом третьегоэлемента И 27 и первым входом четвертого элемента И 28, второй вход которого является вторым входом пересчетного блока 4. Выход третьего элемента И 27 является пятым выходом пересчетного блока 4 и соединен с первым входом второго элемента ИЛИ 29,выход которого является вторым выходом пересчетного блока 4, Выход чет-вертого элемента И 28 соединен совторым входом третьего триггера 26,первый выход которого подключен ковторому входу третьего элемента И 27,а его второй выход является третьимвыходом пересчетного блока 4, Первыйвыход второго триггера 25 подключенко второму входу второго элементаИЛИ 29 и является шестым выходом пересчетного блока 4. Второй выход втарого триггера 25 подключен к входунуль-органа 3 и блока 11 обнаружения экстремума. На выходе нуль-орга.на 3 в моменты перехода измеряемогонапряжения через нуль (начала положительных полуволн на фиг. 2 а) возникают короткие импульсы, а на выходе блока 11 обнаружения экстремумакороткие импульсы возникают в моменты достижения измеряемым напряжениемэкстремального значения (максимумаположительной полуволнына фиг,2 а),Высокий потенциал на первом выходемультивибратора 19 разрешает прохождение выходных импульсов нуль-органа3 через элемент И 21 на первый входтриггера 23, В результате первый жевыходной импульс нуль-органа 3, прошедший через элемент И 21 в моментвремени С устанавливает триггер23 в состояние логической единицы.Соответствующий этому состоянию высокий потенциал на выходе триггера23 разрешает прохождение импульсовчерез элемент И 9 с выхода генератора 8 импульсов на вход счетчика10. Кроме этого, высокий потенциална выходе триггера 23 разрешает прохождение импульсов через элементИ 28 с выхода блока 11 обнаруженияэкстремума на первый вход триггера26. Первый же выходной импульс блока 11 обнаружения экстремума, прошедший через элемент И 28 в моментвремени 1 , устанавливает триггер26 в состояние логической единицыпо первому выходу. До момента времени Сн , т,е. в промежутке времениСн, -1 и наличие высоких потенциалов на выходе триггера 23 и второмвыходе триггера 26 приводит к наличию высокого потенциала на выходеэлемента И 27, благодаря чему открытэлемент И 16, Импульсы с выхода генератора 8 импульсов поступают насуммирующий вход реверсивного счетчика 18, вследствие чего промежутоквремени С -С д запоминается в реверсивном счетчике 18 в виде числа,соответствующего количеству импульсов, поступивших на его суммирующийвход. С элемента И 27 высокий потенциал передается также на выход элемента ИЛИ 29, благодаря чему открытэлемент И 13. В результате на протяжении промежутка времени Сн -н им- .пульсы с выхода квадратора поступаютчерез делитель 12 частоты на два, открытык элемент И 13 и элемент ИЛИ 14 3 1366889 второго одновибратора 30, выход которого является седьмым выходом пересчетного блока 4.На временных диаграммах приняты следующие обозначения: Б - измеряемое напряжение, Г - частота на выходе квадратора 1", Цз, ПцБ 1 1 гН , Ц , и и Ц - найряженйя на выходах нуль-органа 3, блока 11 обнаружения экстремума, мультивибратора 19, триггеров 23 и 26, элемента И 27, триггера 25 и элемента ИЛИ 29 соответственно, И - число импульсов- в реверсивном счетчике 18,и С , - 15 моменты выявления синфазных переходов измеряемого напряжения через нуль соответствующие началу и концу выделяемого периода измеряемого напряжения, С н, - момент выявления макси мального значения измеряемого напря- жения,- момент окончания интегрирования, Т - период измеряемого напряжения, в Т. - погрешность определения периода измеряемого напряжения, 25 Л 1 - погрешность определения момента перехода измеряемого напряжения черезъ максимум, с - время.Устройство работает следующим образом.г 30Цикл измерения задается мультивибратором 19. Началом цикла является момент возникновения высокого положительного потенциала (состояния логической единицы) на первом (верхнем на фиг. 1) выходе мультивибратора 19. Положительный период приводит к срабатыванию одновибратора 20, в результате чего на выходе последнего появляется короткий импульс, устанавлива О ющий все разряды сумматора 5 и счетчика 10 в состояние логического нуля (низкого потенциала), а разряды реверсивного счетчика 18 - в состояние логической единицы, Импульс одно вибратора 20 используется также для быстрого приведения пересчетного блока в исходное состояние, при котором все три триггера 23-26 устанавливаются в состояние логического нуля по первому (прямому) выходу. Установка указанных триггеров в.состояние логического нуля осуществляется импульсом одновибратора 20, воздействующим на второй вход триггера 25 непосредственно и через элемент ИЛИ 24 на вторые входы триггеров 23 и 26. Измеряемое напряжение 0поступает одновременно на входы квадратора 1,89 11 о о(к 1 ги) о 5 13668на информационный вход сумматора 5.Элемент И 15 в это время заперт низким потенциалом, снимаемым с первоговыхода триггера 26.За промежуток времени- , навход сумматора 5 поступает число импульсов равное"-фм фиВ = - 2,(с)й= - цй, (1)и 1 и 1И 1где И - число импульсов поИ 1Эступивших на вход сумматора 5 за промежутоквремениГ(С) - мгновенная частотана выходе квадратора 1,Б, - коэффициент преобразования (чувствительность) квадратора,П(й) - мгновенное значениеизмеряемого напряжения Б,- время.1Коэффициент - в выражении (1) 252обозначает коэффициент передачи делителя 12 частоты на два,В момент времени 1 р на второмвыходе триггера 26 устанавливаетсянизкий потенциал. Низкий потенциалсохраняется также на втором выходетриггера 25, В результате на выходахэлементов И 27 и ИЛИ 29 устанавливаются низкие потенциалы, что приводитк запиранию элементов И 13 и 16. В 35реверсивном счетчике 18 к моментувремени Сщ оказывается записаннымчисло импульсов, пропорциональноевременному интервалу С н - и 1В то же время высокий потенциал 40на первом выходе триггера 26 открывает элемент И 15, в результате чеговыходные импульсы квадратора проходят на вход сумматора 5 через элементИ 15, минуя делитель 12 частотй на 45два. Такое состояние устройства сохраняется до опрокидывания мультивибратора 19. После опрокидывания мультивибратора 19 элемент И 2 1 запирается, а элемент И 22 открывается. В 50результате первый же импульс, прошедший в момент времени сс выхода нуль-органа 3 через элемент И 22на первый вход триггера 25, устанавливает его первый (прямой) выход в 55состояние логической единицы. Этотже импульс, пройдя дополнительночерез элемент ИЛИ 24, воздействуетна вторые входы триггеров 23 и 26, в результате чего они устанавливаются в состояние логического нуля. Установка триггера 23 в состояние логического нуля приводит к запиранию элемента И 9. в результате чего прохождение импульсов на вход счетчика 1 О прекращается, Поскольку в течение цикла установка триггера 23 в состояние логической единицы (в момент) и его возврат в состояние лойегического нуля (в момент) осуществляется с помощью импульсов нуль- органа 3, которые формируются по синфазным переходам измеряемого напряжения через ноль, то тем самым триггер 23 выделяет временной интервал 1 и, -Сравный целому числу периодов измеряемого напряжения, Чтобы обеспечить выделение временного интервала с -, равного не менееИ 1 И 1 фодного периода, продолжительность импульса на первом выходе мультивибратора 19 выбирается больше периода нижней частоты измеряемого напряжения. Интервал и,-С , запоминается в счетчике 1 О в виде числа импульсов, поступивших на его вход через элемент И 9 с выхода генератора импульсов 8: где И- число импульсов, записанных в счетчике 1 О за интервал времени 1;,-Т=пТ,Г, - частота генератора 8 импульсов,и = 1,2,3- целое число,Т - период измеряемого напряжения.Число Я импульсов, поступающих на вход сумматора 5 за временной промежуток т- с, определяется выражением1С 1 К 1м: 1 г,а = яи(с)а(з)н н 2Как было указано выше, в моменттриггер 26 устанавливается в состояние логического нуля, что приводит к запиранию элемента И 15, Одновременно триггер 25 устанавливаетсяв состояние логической единицы попервому (прямому) выходу, в результате чего открываются элементы И 13 иИ 17 и импульсы с выхода генератора8 импульсов проходят на вычитающийвход реверсивного счетчика 18. Когдавсе разряды реверсивного счетчика1366889 установятся в состояние логического нуля, последующий входной импульс В МОМЕНТ СКх ПЕРЕВОДИТ ВСЕ РаЗРЯДЫ в состояние логической единицы (фиг.5 . 2 к). Возникающий при этом положительный перепад напряжения на выходе последнего разряда реверсивного счетчика 18 подается на счетный вход триг- гера 25, вызывая его опрокидывание. О В результате на первом выходе триггера 25 возникает состояние логического нуля, что приводит к эапиранию элемента И 17 по второму входу и запрету прохождения импульсов на вычитающий вход реверсивного счетчика 18. Низкие потенциалы на обоих входах элемента ИЛИ 29 вызывают появление низкого потенциала на его выходе, чем обеспечивается запирание элемента И 13, Про хождение импульсов с выхода квадратора 1 на вход сумматора 5 прекращается.Поскольку на временном интервалеимпульсы квадратичного преобразователя (квадратора) 1 поступают 25 на вход сумматора 5 через делитель 12 частоты на два, то их количество Мопределяется выражениемК к 51К 5 Я Кх 6о коэффициент про ности для блока е рциональизвлече" орня. Цх(х К 15 импульсотора 5 за)30 ния квадратног Б- 1 С спечение условия позволяет получить результат на выходе блока 7 извлечения квадратногокорня, численно равным действующемузначению измеряемого напряжения,Заканчивается цикл измерения в мо.мент перехода мультивибратора 19 в40 состояние логической единицы по первому выходу. Для нормальной работыустройства длительность на первомвыходе мультивибратора 19 должна бытьне менее одного периода, а продолжи 45 тельность паузы между импульсами должна составлять около полутора периоданижней частоты измеряемого напряженияПовьппение точности в предлагаемомустройстве (по сравнению с известным)достигается благодаря тому, что интегрирование квадратично преобразованного напряжения производится в течение двух смещенных по фазе и перекрывающихся во времени интервалов йр 1 я К 1 и рдлительности которыхРавны между собой и кратны периодуУвыделяемому из измеряемого напряженияпо его синфазным переходам через нольпБ(с) В момвыходе т т времен ггера 25 торомваетсяВозни тана остояние ающий пр огической этом полож ини ельныи пер г(г.) с 1 г,=- БкСуммарное количество оступивших на вход суммцикл измерения равно+".; + и (5)Р 1 рр "к 1 КПоскольку обратный счет в реверсивном счетчике 18 осуществляется с той же частотой, что и прямой, то тем самым при обратном счете обеспечивается воспроизведение временного промежутка, фиксированного в реверсивном счетчике 18 при прямом счете. Следовательно, временной промежуток С , -Сравен временному промежутку-с . Учитывая это, а также принимая во внимание выражения (1)-(4), выражение (5) можно представить следующим образом.Р 5 ф К 1 хк3 П х(") +8П х(С) ЙЕ) пад запускает одновибратор 30. Короткий выходной импульс одновибратора 30 воздействует на вход записи блока 6 деления и вход установки в ноль блока 7 извлечения квадратного корня. Благодаря этому информация с сумматора 5 и счетчика 10 переносится в блок 6 деления, а блок 7 извлечения квадратного корня обнуляется. В результате выполнение операции деления на выходе блока 6 деления появляется число И, импульсов.тМ =К - =К -Ц йС (7)67 г .Ук15 огде К - коэффициент пропорциональности для блока 6 деления,Указанное число импульсов поступает на блок 7 извлечения квадратного корня, В результате выполнения операции извлечения квадратного корня в выходном счетчике блока 7 записывается числотервалов интегрирования задается в моменты времени, соответствующие нулю и максимуму мгновенного значения измеряемого напряжения, в связи с чем погрешности измерения, вызванные неточностью выделения периода (горизонтально застрахованные участки на фиг. 26) на обоих интервалах интегрирования противоположны по знаку и 10 максимально близки по модулю, В результате интегрирования по обоим интервалам указанные погрешности компенсируются, благодаря чему точность измерения напряжения значительно воз растает.Формула изобретения201. Устройство для измерения действующего значения напряжения в диапазоне инфразвуковых частот, содержащее квадратор, выполненный в виде преобразователя мгновенного значения 25 напряжения в частоту, вход которого соединен с входной клеммой и входом нуль-органа, выход которого соединен с первым входом пересчетного блока, сумматор, выход которого соединен с первым входом блока деления, выход которого подключен к первому входу блока извлечения квадратного корня, генератор импульсов, выход которого соединен с первым входом первого35 элемента И, второй вход которого соединен с первым выходом пересчетного блока, а выход - со счетчиком импульсов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повЫшения точности, в него дополнительно введены блок обнаружения экстремума, вход которого соединен с входной клеммой, а выход - с вторым входом пересчетного блока, делитель частоты на два, вход которо го соединен с выходом квадратора,второй элемент И, первый вход которого подключен к выходу делителя частоты на два, второй вход - к второму выходу пересчетного блока, а выход - к 50 первому входу первого элемента ИЛИ, третий элемент И, первый вход которого соединен с выходом квадратора, второй вход - с третьим выходом и пересчетного блока, а выход - с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с четвертым выходом пересчетного блока, четвертый элемент И, первый вход которого соединен с пятым выходом пересчетного блока, второй вход - с выходом генератора импульсов, пятый элемент И, первый вход которого соединен с шестьм выходом пересчетного блока, а второй вход - с выходом генератора импульсов, реверсивный счетчик, первый вход которого соединен с четвертым выходом пере- счетного блока и вторым входом счетчика импульсов, второй вход - с выходом четвертого элемента И, третий вход - с выходом пятого элемента И, а. выход - с третьим входом пересчет- ного блока, выход счетчика импульсов подключен к второму входу блока деления, а седьмой выход пересчет- ного блока - к третьему входу блока деления и второму входу блока извлечения квадратного корня.2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что пересчетный блок содержит мультивибратор, первый, второй, третий четвертый элементы И, первый и второй элементы ИЛИ, первый, второй триггеры, первый и второй одновибраторы, при этом первый выход мультивибратора соединен с входом первого одновибратора и первым входом первого элемента И, второй выход мультивибратора соединен с первым входом второго элемента И, объединенные вторые входы первого и второго элементов И являются первым входом пере- счетного блока, выход первого элемента подключен к первому входу первого триггера, выход второго элемента И подключен к первому входу первого элемента ИЛИ и первому входу второго триггера, выход первого одновибратора является четвертым выходом пересчетного блока, а также соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и вторым входом второго триггера,третий вход которого является третьим входом пересчетного блока, выход первого элемента ИЛИ подключен к второму входу первого триггера и первому входу третьего триггера, выход первого триггера является первым выходом пересчетного блока и соединен с первым входом третьего элемента И, первым входом четвертого элемента И второй вход которого является вторым входом пересчетного блока, выход третьего элемента И является пятым выходом пересчетного блока и соеди11 1366889 12нен с первым входом второго элемента счетного блока, первый выход второго ИЛИ, выход которого является вторым триггера соединен с вторым входом выходом пересчетного блока, выход второго элемента ИЛИ и является шесчетвертого элемента И соединен с вто- В тым выходом пересчетного блока, а рым входом третьего триггера, первый .второй выход второго триггера подвыход которого подключен к второму ключен к входу второго одновибратора, входу третьего элемента И, а второй выход которого является седьмым вывыход является третьим выходом пере- ходом пересчетного блока. А. Пучковск Составител Техред М,Д Корректор А. Ильин Редактор А. Ре 2 Тираж 772ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий3035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 аказ 683 одписно оектная, 4 роизводственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгородр