Устройство для измерения среднеквадратического значения напряжения

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения интегральных параметров, преобразованных в электрический сигнал, а также для спектрального анализа случайных сигналов. Цель изобретения - повышение быстродействия измерения. Устройство содержит усилитель 2, блок 3 фильтров, управляемый усилитель 4, детектор 6 среднеквадратического значения, счетчик 7, блок 8 индикации, резистивный делитель 9, компараторы 11 и 12, одновибраторы 13 и 14, аналоговый мультиплексор 15, логические элементы 16, 17, 19. Введение аналоговых ключей 25 и 26 обеспечивает сокращение на два порядка времени переходных процессов в устройстве, что позволяет вести обработку измеряемых сигналов в реальном масштабе времени. 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения интегральных параметров, преобразованных в электрический сигнал вибрации, шума, пульсаций давления, а также для спектрального анализа случайных сигналов. Цель изобретения - повышение быстродействия измерения. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы. Устройство (фиг. 1) содержит входную шину 1, соединенную через последовательно включенные первые усилитель 2, блок 3 фильтров, второй усилитель 4, снабженный входами 5 управления коэффициентом усиления, с входом детектора 6 среднеквадратических значений, двоичный счетчик 7 переключения диапазона измерения, блок 8 индикации, резистивный делитель 9 напряжения, шину 10 опорного напряжения, первый 11 и второй 12 дифференциальные компараторы напряжения, первый 13 и второй 14 одновибраторы, аналоговый мультиплексор 15, первый 16 и второй 17 элементы И-НЕ, ограничительный резистор 18, элемент ИЛИ 19. Выход детектора 6 подключен к неинвертирующему входу х₁ аналогового мультиплексора 15, второй информационный вход х₂ которого подключен к шине 10 опорного напряжения Е_о, третий информационный вход х₃ - к общей шине, выход - к входу блока 8 индикации, а первый А_о и второй А₁ входы управления выбором каналов подключены к прямым Q-выходам последовательно включенных (выход Q одновибратора 13 подключен к инверсному входу А₁запуска одновибратора 14) первого 13 и второго 14 одновибраторов соответственно. Инверсные -выходы одновибраторов 13 и 14 подключены соответственно к счетному С-входу счетчика 7 и первому входу элемента И-НЕ 16, выход которого подключен к инверсному входу А запуска одновибратора 13, а второй вход - к выходу компаратора 11. Инвертирующий вход компаратора 11 подключен к первому среднему выводу делителя 9, второй средний вывод которого подключен к неинвертирующему входу компаратора 12, инвертирующий вход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора 11, а выход - к первому входу элемента И-НЕ 17. Второй вход элемента И-НЕ 17 подключен к выходу элемента ИЛИ 19, входами подключенного к выходам первого и второго разрядов счетчика 7 и входам 5 усилителя 4. Выход элемента И-НЕ 17 через резистор 18 подключен к шине 20 установки в нуль устройства, инверсному SR-входу сброса в нуль одновибратора 13, инверсному R-входу сброса в нуль счетчика 7, к инверсному второму входу А₂ запуска одновибратора 14. Делитель 9 напряжения выполнен на последовательно соединенных между шиной 10 и общей шиной устройства резисторах 21-24. Входы управления V первого 25 и второго 26 аналоговых ключей подключены к выходу компаратора 11, причем ключ 26 подключен параллельно конденсатору 27 фильтра нижних частот, подключенному последовательно с квадратичным функциональным преобразователем 28 детектора 6 среднеквадратических значений, а ключ 25 подключен между общей шиной и дополнительным (третьим) средним выводом резистивного делителя 9 напряжения. Работа устройства основана на способе спектрального анализа случайных сигналов, основанном на формировании значений спектральных составляющих энергетического спектра исследуемого сигнала путем фильтрации определенных участков спектра исследуемого сигнала, усиления его, квадратичного вычисления среднеквадратического значения аналоговым функциональным преобразователем с усредняющим фильтром нижних частот и дальнейшей регистрации полученных значений на каком-либо носителе блока индикации (бумаге, ленте и т.д.). При этом обеспечивается автоматический набор диапазона измерений, быстрое установление показаний детектора при очередной смене коэффициента усиления управляемого усилителя 4. В исходном состоянии до момента t_o (на фиг. 2 не показано) сигнал на выходе мультиплексора 15 равен нулю, т.к. счетчик 7 и одновибратор 13 сброшены в нуль импульсов по шине 20 установки нуля от внешнего устройства установки нуля. По этому же импульсу одновибратор 14 запустился по входу А₂ и выработал первый импульс. На выходе мультиплексора 15 - нуль, т.к. одновибратором 14 подключена общая шина. Нуль предотвращает ложную информацию на входе блока 8 о переходных процессах на шине 10 опорного напряжения Е_о и в цепочке устройств от входа 1 до выхода детектора 6 при подаче питания на устройство. По окончании (момент t_o) импульса одновибратора 14 на управляющих А_о, А₁входах мультиплексора 15 код ОО от одновибраторов 13 и 14, т. е. к выходу мультиплексора 15 подключен выход детектора 6 через канал х₁, код на счетчике 7 равен ОО, вследствие чего коэффициент передачи управляемого усилителя 2 максимален и равен 2. При наличии перегрузок (см. фиг. 2, U ) на выходе детектора 6 срабатывает в единицу компаратор 11, т.е. нулем с элемента И-НЕ 16 запускается одновибратор 13 и переводит счетчик 7 в состояние 01, уменьшается вдвое коэффициент усиления усилителя 4. Единицей по V-входам открываются ключи 25 и 26, производится быстрый разряд конденсатора 27 до уровня U , по достижении которого компаратор 11 возвращается в состояние логического нуля по выходу. Одновибраторы 13 и 14 последовательно вырабатывают пару импульсов, код на входах А_о, А₁изменяется на 10, затем на 01, поэтому к выходу мультиплексора 15 подключаются каналы х₂ и х₃, а в линию связи с блоком 8 индикации уходит новый коэффициент усиления усилителя 4, т.е. очередное логическое окно (импульс Е_о плюс пауза 0). С окончанием импульса одновибратора 14 запрет с элемента И-НЕ 16 снимается, устройство готово к регистрации дальнейших перегрузок компаратором 11. При любом коде на счетчике 7, кроме нулевого, элемент ИЛИ 17 находится в состоянии логической "1", т. е. при наличии спада выходного напряжения детектора 6 до низкого уровня срабатывает компаратор 12 и элемент И-НЕ 17, только одновибратор 14 вырабатывает импульс "1", на выходе мультиплексора 15 - "0", т.к. одновибратором 14 подключена общая шина (на вход блока индикации поступает короткий нулевой сигнал). При этом устройство сбрасывается в исходное состояние, при котором нулевой код на счетчике 7 коэффициент усиления управляемого усилителя 4 максимален и равен 2, одновибратору 13 подтверждено состояние логического нуля. С окончанием короткого импульса одновибратора 14 на вход блока 8 вновь поступает текущее состояние среднеквадратического значения процесса. Кроме того, на фиг. 2 даются следующие обозначения: U₁ (скз) - эквивалентное напряжение шумового или вибросигнала (с внешнего датчика) на входной шине 1. Оно выражено для наглядности не в истинных мгновенных значениях, а в обработанном виде - в среднеквадратических значениях. На участке для наглядности показан один из периодов истинного, необработанного, т. е. переменного напряжения с амплитудой А на входной шине 1. U₄(скз) - эквивалентное напряжение того же шумового или вибросигнала на выходе усилителя 4 переменного напряжения. Оно тоже выражено для наглядности не в истинных, мгновенных значениях. На участке t_o-t₁ коэффициент усиления управляемого усилителя равен 2. На участке t₁-t₄ коэффициент передачи управляемого усилителя 4 равен 1, причем на коротком участке t₁-t₂ передано это новое значение коэффициента усиления и произведен разряд конденсатора 27 до U_пор2 . На участке t₄- ∞коэффициент передачи усилителя 4 равен 1/2, причем на коротком участке t₄ - t₅ передано это новое значение коэффициента усиления и произведен разряд конденсатора 27 до U . U₁₅ - напряжение на выходе аналогового мультиплексора 15 (с детектора 6 среднеквадратических значений, шины 10 опорного напряжения Е_о и общей шины в соответствующие моменты времени), регистрируемое блоком 8 индикации. Необходимо произвести отсчет только установившихся значений среднеквадратического значения процесса, но сумма длительности очередных импульсов одновибраторов 13 и 14 определяется разрешающей способностью блока 8 индикации (который может быть выбран быстродействующим), а не большой величиной постоянной времени фильтра нижних частот детектора 6, равной сотням миллисекунд. Верхнее пороговое напряжение U компаратора 11 определяется напряжением Е_о на шине 10 опорного напряжения и соотношением сопротивлений R₂₁ - R₂₄ резисторов 21-24 делителя 9. U= , т.к. внутреннее сопротивление закрытого ключа 25 стремится к бесконечности. Величина U выбирается равной максимально допустимому по точности выходному напряжению детектора 6. Величина Е_о выбирается равной максимально допустимому входному сигналу блока 8. Величина напряжения U вдвое меньше величины U и определяется дискретностью изменения коэффициента усиления усилителя 4, равной в данном случае двойке. U= = . Внутреннее сопротивление открытого ключа 25 близко к нулю. Ограничительный резистор 18 служит для защиты выхода элемента И-НЕ 17 от короткого замыкания при подаче нулевого сигнала по шине 20 установки в нуль от внешнего устройства, например логического элемента с открытым коллектором. Таким образом, в устройстве обеспечивается не только автоматический выбор диапазона измерений, но и быстрое установление показаний среднеквадратического значения процесса, соответствующих новому коэффициенту усиления усилителя 4. Одновременно с уменьшением в k раз коэффициента усиления усилителя 4, ровно в k раз производится уменьшение порогового значения компаратора 11, и соответственно быстрый сброс выходного напряжения детектора 6 точно в k раз. Тем самым практически одновременно на блоке 8 отражается не только коэффициент усиления усилителя 4, но и соответствующее ему выходное напряжение детектора 6, т.к. время на передачу импульса, отражающего величину коэффициента передачи усилителя 4, незначительно. Длительность переходного процесса установления показаний на блоке 8 среднеквадратического значения процесса, время которого было равно нескольким большим (сотни млс t₃ - t₁), постоянным времени фильтра нижних частот, резко сокращена (до единиц млс и менее, t₂ - t₁). Тем самым повышается быстродействие устройства. Это позволяет вести обработку сигналов в реальном масштабе без искажения формы среднеквадратического значения обрабатываемого сигнала, повысить достоверность полученной информации.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ по авт. св. N 1438439, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия измерения, в него введены два аналоговых ключа, а детектор среднеквадратических значений выполнен на последовательно соединенных квадратичном функциональном преобразователе и фильтре нижних частот, а резистивный делитель напряжения снабжен дополнительным средним выводом, первый аналоговый ключ подсоединен между упомянутым дополнительным средним выводом и общей шиной, второй аналоговый ключ подсоединен параллельно конденсатору упомянутого фильтра нижних частот, управляющие входы аналоговых ключей соединены с выходом первого компаратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2