Способ измерения среднего значения периодических сигналов

(19) (1 1 К 19 02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР.ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ние измеряемопутем сравнеений и их выв соответствии(71) Ордена Ленина институт прправления(56) Авторское свидетельство С209584, кл, С 01 К 19/00, 19Гутников В.С. Оптимальная пподавляющая весовая функция.рология, 1983,12, с. 6-12. значделяю искомое средне го сигнала опр ния результато борочного усре со следующими изме ения лем У ения Х,+Х о 3(543 (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГОЗНАЧЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ,заключающийся в том, что на заданноминтервале измерения через равныепромежутки времени производят выборки мгновенных значений измеряемогосигнала, умножают их на соответствующие значения формируемой весовойфункции, результаты умножений суммируют и по окончании интервала измерения результат суммирования запоминают, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью расширения частотного диапазона измерений, дополнительно производят второе и третьеизмерения, причем частоты выборкимгновенных значений измеряемого сигнала первого, второго и третьегоизмерений устанавливают разными, а сли выполняются условия:г Хе) д з)Х,а+ Х ср условия д,Х,У ли выпг Х яютсяютсяХа лов д, Х,Ь,Х де Хсс комое средне значен ты тре Х результа измерени заданная установка,/Х, -Х,/;/, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ5 10 15 20 35 40 Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при построении аппаратуры, измеряющей среднее значение периодй"ческих сигналов, а также другие интегральныехарактеристики периодических сигналов (среднее по модулю идействующее значения, активную иреактивную мощность),Целью изобретения является расширение частотного диапазона измеряемых сигналов за счет увеличенияверхней границы диапазона частотизмеряемых сигналов.На фиг, 1 приведена структурнаясхема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - функциональнаясхема арифметико-логического блока;на фиг. 3 - функциональная схемаблока управления, на фиг. 4 - зависимость абсолютной погрешности одного измерения от частоты переменнойЧсоставляющей входного сигнала; нафиг. 5 - зависимости абсолютных погрешностей трех измерений от частоты переменной составляющей входногосигнала.Устройство для реализации пред лагаемого способа содержит дискретизатор 1, вход которого является входом устройства, а выход подключенк первому входу умножителя 2, выходкоторбго через сумматор 3 подключенк первому входу арифметико-логического блока 4, выход которого является выходом устройства, генераторы5, 6 и 7 тактовой частоты, выходыкоторых подключены к входам ключей8, 9 и 10 соответственно, выходы ко,торых объецинены и подключены куправляющим входам дискретизатора1, генератора 11 весовой функции.и входу блока 12 управления, первый, второй, третий и четвертыйвыходы которого подключены соответственно к второму, третьему, четвертому и пятому входам блока 4, пятыйвыход блока 12 подключен к входамустановки в нуль сумматора 3 и генератора 11, шестой, седьмой ивосьмой выходы блока 12 подключенык управляющим входам ключей 8, 9 и10 соответственно, выход генератора11 соединен со вторым входом умножителя 2,Арифметико-логический олок 4 содержит элементы 13-15 выборки и запоминания, входы которых объединены и образуют первый вход блока, элемент 16 выборки и запоминания, причем выходы элементов 13 14 и 15 подключены кпервым входам элементов 17, 18 и 19вычитания соответственно, выходыэлементов 17, 18 и 19 подключенык первым входам элементов 23, 24 и25 сравнения через формирователи20, 21 и 22 модуля соответственно,вторые входы элементов 23, 24 и 25объединены и подключены к источникууставки, выход элемента 24 соединенс первым входом элемента И 26 и вторым входом элемента И 27, выход элемента 23 соединен с первым входомэлемента И. 27 и вторым входомэлемента И 28, выход элемента 25соединен с вторым входом элементаИ 26 и первым входом элемента И 28,выход элемента И 26 подключен к первому входу элемента ИЛИ 29 и к управляющему входу ключа 30, выход элемента И 27 подключен к второму входу элемента ИЛИ 29 и к управляющему входу ключа 31, выход элемента И 28 подключен к третьему входу элемента ИЛИ 29 и к управляющему входу ключа 32, вход ключа 30 соединен с выходом элемента 15 и вторым входом элемента 18, а выхоц - с. первым входом сумматора 33, вход ключа 31 соединен с выходом элемента 14 и вторым входомэлемента 17, а выход - с вторым входом сумматора 33, вход ключа 32 соединен с выходом элемента 13 и вторым входом элемента 19, а выход -с .третьим входом сумматора 33, выходкоторого через последовательно соединенные регулируемый усилитель 34 иэлемент 16 подключен к выходу блока,управляющий вход усилителя 34 подключен к выходу элемента ИЛИ 29, управляющие входы элементов 13, 14, 15 и 16 образуют соответственно втоРой, третий, четвертый и пятый входы блока.Блок 12 управления содержит счетчик 35, счетный вход которого является входом блока, а выход подключен к входу установки в "1" триггера 36, прямой выход которого подключен к входу уст:.новки в "1" триггера 37,а инверсный - к первому входу элемента И 38, инверсный выход триггера37 соединен с вторыми входами элементов И 38 и 39, первый вход элемента И 40 подключен к инверсному выходу триггера 36, второй вход - к прямому выходу триггера 3, первыйвход элемента И 39 соединен с прямымЗатем производят второе и третье измерения, алгоритм которых аналогичен алгоритму первого. Частоты выборок значений измеряемого сигнала устанавливают различными.Искомое среднее значение измеряемого сигнала Х, определяют путем сравнения результатов трех измерений Х, Хд и Х и их выборочного усреднения в соответствии с следующими выражениями: хг+ х,х,3 если выполняется не менее двух из следующих Условий: ЬХеу ЬХЬв - Хл х,+х,ср 2оесли выполняются условия ЬХД Х, Ь,хе;(2) выходом триггера 36, выходы элемен -тов И 38, 39 и 40 образуют соответственно шестой, седьмой и восьмойвыходы блока и подключены к первымвходам элементов И 41, 42 и 43 соответственно, первый и второй входыэлемента И 44 соединены с прямымивыходами триггеров 36 и 37 соответственно, вход элемента 45 задержкисоединен с вторыми входами элементовИ 41, 42 и 43 с входом обнулениясчетчика 35 и выходом элемента 46задержки, вход элемента 46 подключен к выходу счетчика 35, выход эле.мента И 44 подключен к входам обнуления триггеров 36 и 37 и входу элемента 47 задержки, выходы элементов 41, 42, 43, 47 и 45 образуютсоответственно первый, второй,третий, четвертый и пятый выходыблокаПредлагаемый способ заключаетсяв том, что на интервале первого измерения через равные промежуткивремени производят Я выборок мгновенных значений измеряемого сигналаП,. Синхронно выборкам формируютзначения весовой функции Пв. Значения ПЬ; и Бв, перемножают,полученные результаты суммируют. Поокончании интервала измерения фиксируют результат суммирования. Такимобразом, формируется результат первого измеренияйХ, = К Пв;Ц(3) если выполняются условия ЬХД 2 - Хеу Ь,Е/х,+х,ср Х(4) если выполняются условия Х1(Ь,) ХЕУ Ь 2 ХЕ 1 ЬЗ с Е( Хгде Х - заданная установка,ь =1 Х, - хь,=х, - х,Ь,:Х, -ХУстройство для реализации способа работает следующим Образом.гИзмеряемое напряжение П в поступает на вход дискретизатора 1,который осуществляет выборку егомгновенных значений П в моментывремени, определяемые приходом им -пульсов тактовой частоты Г. Полученные значения Пл поступают напервый вход умножителя 2, на второйвход которого с генератора 11 весовой функции поступает сигнал весовойфункции 0 ,. В сумматоре 3 накаплив 9вается конечная сумма М произведений 0 на Пв,30Л=, Ьл ьЯ=1 Максимальная абсолютная погрешность измерения Ь в этом случаеопределяется амплитудой П и частоа З 5 той Г переменной составляющей входного сигнала, а также спектральнойхарактеристикой весовой функции.Для определения среднего значенияпериодического сигнала используем,например, весовую функцию ДольфаЧебышева, поскольку она обеспечивает максимальный диапазон рабочихчастот при заданной погрешности измерения, В этом случае зависимость 45 модуля Ь от частоты К имеет вид,представленный на фиг, 4, где Г иГв обозначают соответственно нижнююи верхнюю границы рабочего диапазоначастот, за пределами которого погреш ность измерения по абсолютному значению превышает заданный уровеньЬ; который определяет предельнуюпогрешность одного измерения, прием в т н55 Согласно предлагаемому способуосуществляются три последовательныхизмерения, результаты которых ХХ, Хэ выборочно усредняются согласно205036 Ь 1 О КГт, -т,Совпадение этих областей для пер.вого и второго, а также второго итретьего измерений имеет место наболее высокой частоте, посколькудля этих случаев коэффициент К имеет большее значение.Таким образом, на любой частоте1в диапазоне частот от Г = Й, до1 н НгГа "- (К + 1)Гт - Е погрешностин,как минимум двух измерений из трехне превышают по модулю ь . Поскольгоку знак погрешности каждого измерения при изменении частоты изменяет=ся, при последующем выборочномусреднении уставка Х устанавливается равной 2 6, . Предлагаемоевыборочное усреднение результатовтрех измерений по формулам (1)-(4)исключает результат измерения, содержащий повышенную абсолютную погрешность. В худшем случае в указанномдиапазоне частот может иметь месточастота, для которой погрешности 3 1 выражениям (1)-(4) в арифметико-логическом блоке 4. Каждое измерение проводится с использованием своей тактовой частоты т , Кт и Гт соотг З ветственно. Выбор тактовой частоты осуществляется блоком 12 управления, который в течение каждого измерения отпирает последовательно один из ключей 8, 9 или 10. Зависимости модуля максимальной абсолютной погрешности измерения от частоты Г для этих трех измерений при Гт,ттЕтг т представлены на фиг. 5, Тактовые частоты выбираются из следующих неравенств: Ъ - т Н Нъг - т,1 2 7т - " т - Н - нз г 2В этом случае области частот, в которых погрешности измерений превышают некоторое значение А , для первого, второго и третьего измерений разнесены. Совпадение этих областей для первого и третьего измерений имеет место при частоте равной к к, = (к+ 1)гце К - коэффициент, характеризующий относительное увеличение верхней рабочей частотыи равный двух измерений равны д , а погрешность одного измерения равна 3 ь О, При выбранной уставке все три результата участвуют в формировании результата измерения искомого среднего значения по формуле (1), погрешность измерения которого равна Ь гоф гогоРг 3 3 го Арифметико-логический блок 4работает следующим образом.Результаты трех измерений, запомненные элементами 13-15 выборки15 и запоминания попарно вычитаютсяна элементах 17-19 вычитания. Формирователи 20, 21, 22 модуля выделяют абсолютные значения разностейЬ Ь , Ь э , которые сравниваются20 с уставкой Х на элементах 23, 24,25 сравнения. Если выполняется неменее двух из следующих неравенств:Ь, - Х, ЬгХ, ьХ , то на выходе элементов 23, 24, 25 сравнения25, Формируются сигналы низкого уровнякоторые через элементы И 2 б, 27, 28открывают ключи 30, 31, 32 и черезэлемент ИЛИ 29 устанавливают коэффициент передачи усилителя 34 равным1/3. В результате сигналы Х, ХХз через ключи 30, 31, 32 поступаютна сумматор 33, суммируются, умножаются на коэффициент 1/3 и запоминаются на элементе 1 б выборки и запоминания. Если только одна из величин 61 9 Ьг у кз не превышает Хяуто сигнал йизкого уровня формируется на выхоце лишь одного элементасравнения в результате чего открываются только два ключа из трех иэлемент ИЛИ 29 переходит в противоположное состояние, устанавливаякоэффициент передачи усилителя 34равным 1/2. В этом случае суммируют 4 ся лишь два результата измерений изтрех Х, Хг 9 ХЭФ которые затем умножаются на коэффициент 1/2 и запоминаются элементом 1 б выборки и запоминания.Блок 12 управления работает следующим образом,Предположим, что счетчик 35 и триггеры 3 б, 37 находятся в нулевом состоянии (другое исходное состояние указанных элементов влияет лишь на переходный процесс после включения питания и не отражается на установившемся режиме работы). При этом35 с сигналы высокого уровня с инверсных выходов триггеров 36, 37 через элемент И 38 открывают ключ 8. Сигналы,низкого уровня на выходе элементов И 39, 40 закрывают ключи 9, 10. Импульсы от генератора 5 тактовых импульсов через открытый ключ 8 поступают на управляющий вход дискретизатора 1, который осуществляет выборку мгновенных значений измеряемого напряжения, на управляющий вход генератора 11 весовой функции, который вырабатывает сигналы весовой функции, на счетный вход счетчика 35. Емкость счетчика 35 соответствует требуемому объему выборки И. После прохождения на вход счетчика 35 И импульсов на его выходе формируется перепад напряжения, который переводит триггер 36 в единичное состояние. В результате на выходе элемента И 38 формируется сигнал низкого уровня, закрывающий ключ 8, а на выходе элемента И 39 - сигнал высокого уровня, открывающий ключ 9. Перепад напряжения с выхода счетчика 35 через элемент 46 задержки (время задержки превышает сумму задержек срабатывания триггера и элемента И) поступает навход обнуления счетчика 35; через элемент И 42 на управляющий вход элемента 14 выборки " запоминания, которыйосуществляет запоминание первого результата измерения Х, через элемент 45 задержки (время задержки превышает сумму задержек срабатывания элементов И и выборки и запоМинания) на входы установки в нулевое состояние сумматора 3 и генератора 11 весовой функции. Так заканчивается формирование первого результата измерения Х 1.После поступления на вход счетчика 35 еще двух серийиз И импульсов аналогично формируются еще два результата измерений Ху, Х, кото 5 1 О 15 20 25 30при измерении среднего по модулю значения периодических сигналов; при измерении действующего значенияпериодических сигналов Х=Е1=1 измерении алее следу усреднение Ь 21 Ь 891ктивной мощности. т произвести выбороч по формулам (1)-(4). и но рые запоминаются в элементах 15 и 13 выборки и запоминания. Окончание третьего измерения соответствует переходу триггеров 36, 37 в единичное состояние, в результате чего на выходе элемента И 44 формируется сигнал высокого уровня, который возвращает триггеры 36 37 в ну - левое состояние и через элемент 47 задержки поступает на управляющий вход элемента 16 выборки и запоминания. Время задержки выбирается больше времени задержки формирования результата измерения Х в арифметико-логическом устройстве.Предлагаемый способ измерения среднего значения периодических сигналов обеспечивает существенное увеличение верхней границы диапазона рабочих частот измеряемого сигнала при неизменной его нижней границе.Способ может быть использован для измерения не только среднего значения периодических сигналов, но и других интегральных характеристик периодических сигналов. При этом результаты каждого из трех измерений определяют не по формуле (5), а по следующим формулам:120503 б оставителв С,Рыбинехред ЛМикеи орректор едакт писное аказ 8 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная 581 ТиражВНИИПИ Государствепо делам изобрет 113035, Москва, Ж, Р нного кений иа; нская митета ССткрытийнаб д.