Цифровой вольтметр с самокоррекцией

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и коррекции погрешностей измерительных преобразователей, каналов измерительных систем, аналого-цифровых преобразователей и измерительных приборов. Сущность изобретения: цифровой вольтметр с самокоррекцией содержит последовательно соединенные блок приращений 1, блок выбора диапазона измерения 2, аналого-цифровой преобразователь 3 и блок управления и вычисления 4, причем блок приращений 1 состоит из источника образцового напряжения, двух двухпозиционных переключателей, резистора, двух управляемых резисторов, инвертирующего усилителя, ключа. 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и коррекции погрешностей измерительных преобразователей, каналов измерительных систем, аналого-цифровых преобразователей и измерительных приборов.

Известен быстродействующий цифровой вольтметр с самоконтролем [1], содержащий генератор линейно падающего напряжения, связанный с ним компаратор нуля, генератор стабильной частоты, соединенный с ним первый электронный ключ, управляемый выходным сигналом компаратора, второй электронный ключ, связанный с ним блок индикации, с которым соединен блок самоконтроля, и блок формирования запускающего импульса, соединенный с компаратором нуля и вторым электронным ключом. По приходу на вход блока самоконтроля командного импульса этот вольтметр переводится в режим самоконтроля, предусматривающий подачу на его вход калибровочного напряжения и сравнение в блоке самоконтроля соответствующего выходного кода с полем допуска. Если выходной код не превышает поле допуска, то на лицевой панели вольтметра загорается лампочка. В противном случае, лампочка вспыхивает и гаснет. К недостатку этого вольтметра следует отнести отсутствие возможности коррекции результата измерения по результату контроля.

Этот недостаток устранен в вольтметре с самокоррекцией [2], который является наиболее близким к предлагаемому техническим решением. Этот вольтметр содержит блок преобразования сопротивления в напряжение, блок выбора диапазона измерения, блок аналого-цифрового преобразо- вания и блок управления и вычислителя, реализованный на микроЭВМ, причем первый и второй входы блока преобразования сопротивления в напряжение, предназначенные для подключения измеряемого сопротивления, являются первым и вторым входами вольтметра, вход блока выбора диапазона измерения соединен с выходом блока преобразования сопротивления в напряжение и является третьим входом вольтметра, выход блока выбора режима измерения соединен со входом блока аналого-цифрового преобразования, информационные выходы которого соединены с информационными входами блока управления и вычисления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами блока преобразования сопротивления в напряжение, блока выбора режима измерения и блока аналого-цифрового преобразования.

Недостатками этого известного устройства являются большое время коррекции результата измерения, связанное с наличием трех тактов измерения, занимающих основную часть этого времени и снижающих быстродействие, и низкая достоверность контроля, связанная с тем, что результат измерения неизвестной величины непосредственного участия в операциях контроля не принимает.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение быстродействия и повышение достоверности контроля вольтметра.

Поставленная цель достигается тем, что в микропроцессорный вольтметр с самокоррекцией, содержащий блок выбора диапазона измерения, блок аналого-цифрового преобразования, вход которого связан с выходом блока выбора диапазона измерения, и блок управления и вычисления, информационные входы которого соединены с информационными выходами аналого-цифрового преобразования, а управляющие выходы - с управляющими входами блока выбора диапазона измерения и блока аналого-цифрового преобразования, введен блок приращений, управляющие входы которого соединены с управляющими выходами блока управления и вычисления, выход - со входом блока выбора диапазона измерения, первый и второй сигнальные входы, предназначенные для подключения измеряемого сопротивления, являются первым и вторым входами вольтметра, а третий сигнальный вход, предназначенный для подключения измеряемого напряжения, - третьим входом вольтметра.

Существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности являются наличие блока приращений, включенного в схему устройства соответствующим образом, оговоренным выше.

Указанные признаки, отличающие предлагаемое устройство от прототипа, сами по себе известны, однако их наличие в предлагаемом устройстве обеспечивает появление в нем нового свойства, заключающегося в непосредственном участии в операциях контроля результата измерения неизвестной величины и в применении алгоритма коррекции, использующего результаты всего двух тактов измерения.

Поскольку указанное свойство не проявляется ни в одном из известных авторам объектов, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками предлагаемого устройства, авторы считают предлага-емое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показана блок-схема микропроцессорного вольтметра с самокоррекцией; на фиг.2 - пример реализации блока приращений; на фиг.3 - графические построения, необходимые дл оценки достоверности контроля; на фиг.4-7 - алгоритм работы устройства.

Вольтметр с самокоррекцией содержит (фиг.1) блок приращений 1, блок выбора диапазона измерения 2, блок аналого-цифрового преобразования 3 и блок управления и вычисления 4, причем первый и второй входы блока приращений 1, предназначенные для подключения измеряемого сопротивления, являются первым и вторым входами вольтметра, третий вход которого предназначен для подключения измеряемого напряжения и является третьим входом блока приращений 1, выход которого соединен со входом блока аналого-цифрового преобразования 3, информационные выходы которого соединены с информационными входами блока управления и вычисления 4, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами блока приращений 1, блока выбора диапазона измерения 2 и блока аналого-цифрового преобразования 3.

Блок приращений 1 содержит (фиг.2) источник образцового напряжения 5, двухпозиционные переключатели 6 и 7, резисторы 8, управляемые резисторы 9 и 10, инвертирующий усилитель 11 и ключ 12, причем управляющие входы двухпозиционных переключателей 6 и 7, управляемых резисторов 9 и 10, и ключа 12 являются управляющими входами блока приращений 1, вход инвертирующего усилителя 11 через управляемый резистор 10 и ключ 12 соединен с выходом инвертирующего усилителя 11, через резистор 8 - с выходом двухпозиционного переключателя 7, а через управляемый резистор 9 - с выходом двухпозиционного переключателя 6, первый сигнальный вход которого соединен с выходом источника образцового напряжения 5, а второй сигнальный вход - через "земляную" шину - со вторым сигнальным входом двухпозиционного переключателя 7, первый сигнальный вход которого является третьим сигнальным входом блока приращений 1, первым и вторым сигнальными входами которого являются сигнальный вход и выход ключа 12, а выходом - выход инвертирующего усилителя 11.

Блок приращений 1 может работать в двух режимах преобразования напряжения и преобразования сопротивления.

В режиме преобразования напряжения блок приращений 1 работает следующим образом.

Сигналы на управляющих входах ключа 12 и двухпозиционного переключателя 7 устанавливаются таким образом, что ключ 12 замкнут, а на выход двухпозиционного переключателя 7 поступает напряжение U_х(измеряемое) с его первого сигнального входа. В зависимости от значения сигнала на управляющем входе двухпозиционного переключателя 6 на его выходе присутствует либо напряжение U_о с выхода источника образцового напряжения 5, либо напряжение "земли". Таким образом, на выходе блока приращений 1 будут присутствовать напряжения соответственно (R₂/R_o)U_x + (R₂/R₁)U_o и (R₂/R_o)U_x, где R_о - численное значение сопротивления 8; R₁ и R₂ - соответственно текущие численные значения управляемых резисторов 9 и 10, опреде- ляемые состоянием их управляющих входов.

В режиме преобразования сопротивления блок приращений 1 работает следующим образом.

Сигналы на управляющих входах ключа 12 и двухпозиционного переключателя 7 устанавливаются таким образом, что ключ 12 разомкнут, а на выход двухпозиционного переключателя 7 поступает напряжение "земли". Сигнал на управляющем входе двухпозиционного переключателя 6 устанавливается таким образом, что на его выходе присутствует напряжение U_o(R_x+R₂)/R₁= (U_o/R₁)R_x + (U_o/R₁)R_2, где R_х - измеряемое сопротивление.

В режиме измерения напряжения устройство работает следующим образом.

Блок приращений 1 настраивается на режим преобразования напряжения, а значения сигналов на его управляющих входах таковы, что R₂ = R_o, и на его выходе присутствует напряжение (R₂/R_o)U_x = U_x. Это напряжение через блок выбора диапазона измерения 2 поступает на вход блока аналого-цифрового преобразования 3 и преобразуется в нем в цифровой код, который через информационные выходы блока аналого-цифрового преобразования 3 поступает на информационные входы блока управления и вычисления 4, обрабатывается в нем и выдается на его собственные средства отображения. Результат измерения y^и, выдаваемый на средства отображения, и величина U_х связаны соотношением y₁^u = a₁^u U_x + a₂^u, где а₁^u, а₂^u - истинные (реальные) параметры устройства, характеризующие его функционирование при измерении U_х. Обозначим через - номинальное значение i-го параметра, через δ = a₁ - - отклонение истинного значения i-го параметра от номинального, i = 1, 2. Очевидно, = 1, = 0. Тогда δ₁^u = a₁^u - 1, δ₂^u = a₂^u. Для исправного устройства δ^и_i≅ , i = 1,2, где , - соответственно нижний и верхний допуски на отклонения.

Далее значения сигналов на управляющих входах блока приращений 1 изменяются таким образом, что R₂ ≠R_o и на его выходе присутствует напряжение (R₂/R_o)U_x + (R₂/R₁)U_o = γ^иU_x + β^и. Реультат имерения устройством этого напряжения будет иметь вид y₂^и = a₁^и ( γ^иU_x + β^и) + а₂^и.

Вычислим величину r^и = y₂^и - γ^иy₁^и- β^и.

Очевидно, r^и = - γ(a₁^иU_x + a₂^и) + [а₁^и ( γ^иU_x + β^и) + а₂^и - β^и] = - γ^и а₂^и + а₁^и β^и - β^и + а₂^и= = β^и δ₁^и + (1 - γ^и ) δ₂^и. Для определенности рассмотирм случай, когда β^и > 0, γ^и < 1. Остальные случаи можно рассмотреть аналогично.

Обозначим = (1-γ^и), = +(1-γ^и) . Тогда для исправного устройства r^и≅ . Если это неравенство не выполняется, то устройство заведомо неисправно. В противном случае считается, что устройство исправно.

Оценим достоверность контpоля D^и. Поскольку D^и = 1 - р^и, где р^и - вероятность необнаружения неисправностей, то вычислим сначала р^и. Вероятность р^и равна отношению площади области, в которой неисправности не обнаруживаются, к площади всевозможных значений неисправностей (фиг.3). Не обнаружатся неисправности, удовлетворяющие неравенству +(1-γ^и) β^иδ^и₁+(1-γ^и)δ^и₂≅ +(1-γ^и), или [β^и/(1-γ^и)]+ [β^и/(1-γ^и)]δ^и₁+δ^и₂≅ [β^и/(1-γ^и)+ (1) Обозначим =[β^и/(1-γ^и)]+ , =[β^и/(1-γ^и)]+. Тогда, вместо (1) будем иметь [β^и/(1-γ^и)]δ^и₁+δ^и₂≅ . (2) Областью решения (2) здесь является часть плоскости δ₂^и 0 δ₁^и, ограниченная прямыми δ^и₂= -[β^и/(1-γ^и)]δ^и₁+ и δ^и₂= -[β^и/(1-γ^и)] δ^и₁+ (см. фиг.3). Эти прямые параллельны, поскольку wo/ot = = po/of (здесь и ниже через mn обозначается длина отрезка mn), где wo=+(1-γ^и)/β^и , ot= +(1-γ^и)/β^и, po=, of= . Обозначим площадь области решения () через S₁^и (так называемая "зонанечувствительности"). Областью всевозожных значений неисправностей является плоскость δ₂^и0δ₁^и, площадь которой обозначим через S₂^и. Тогда р^и = (S₁^и - S^и)/(S₂^и - S^и), где S^и - площадь области "исправности", т.е. области решения следующей системы неравенства δ^и₁≅ , i = 1, 2. На фиг.3 - это площадь прямоугольника abcd. Действительно, возведем в точке h, расположенной на расстоянии от начала координат, перпендикуляр к оси абсцисс до пересечения с прямой δ^и₂= -[β^и/(1-γ^и)]δ^и₁+ и определим отрезок bh. Очевидно, bh/ht = tg ф^и= =β^и (1-γ^и). Или, учитывая, что ht=(1-γ^и)/β^и, bh/[(1-γ^и)/δ^и]=β^и(1-γ^и) .Откуда bh= .

Аналогично можно показать, что md= . Таким образом S^и= (+)(+) . Определим р^и следующим образом: p^и= [(2S^и₃-S^и)/(4S^и₄-S^и)] , где S₃^и - площадь параллелограмма fuvp с основанием fp и высотой δ₁^и, а S₄^и - площадь квадрата drso со стороной δ₁^и. Поскольку S^и₃=(+)δ^и₁, a S^и₄=(δ^и₁)² то, Таким образом, D^и = 1.

В действительности, из-за того, что y₁^и - цифровая величина, значение D^и будет несколько меньше.

Для сравнения отметим, что используя для контроля широко распространенный на практике метод эталонных сигналов, например, в случае двух эталонов и 18-разрядного блока аналого-цифрового преобразования, как у прототипа, получим следующую достоверность контроля: (D^и) ʹ = 1 - (2¹⁸ - 2)/(2¹⁸ - 1) ≈ 0.

Если текущее значение r^и "лежит в допусках" (т.е. устройство исправно), то результат измерения корректируется по формуле y_cor^и=[y₁^и+γ_и(y₂^и-β_и)]/[1+(γ_и)²], (4) где y_cor^и - скорректированный результат. Действительно, раскроем (4), учитывая, что для исправного устройства a₁^и≈1,a₂^и≈0 (т.к. r^и - "в допусках"): Y^и_cor=a^и₁U_x+γ^иβ^и(a^и₁-1)/[1+(γ^и)²]+(1+γ^и)a^и₂/[1+(γ^и)²]≈ a^и₁U_x≈U_x
В противном случае на средства отображения выдается сообщение о неисправности устройства в режиме измерения напряжения.

В режиме измерения сопротивления устройство работает следующим образом.

Блок приращений 1 настраивается на режим преобразования сопротивления, а значения сигналов на его управляющих входах таковы, что R₂ = 0, R₁ = U_o и на его выходе присутствует напряжение (U_o/R₁)R_x = R_x. Результат измерения y^и этого напряжения, выдаваемый на средства отображения, и величина R_х связаны соотношением y₁^r = a₁^r R_x + a₂^r, где a₁^r, a^2r - истинные (реальные) параметры устройства, характеризующие его функционирование при измерении R_x. Обозначим, аналогично, через - номинальное значение i-го параметра, через δ₁^r = a₁^r - - отклонение истинного значения i-го параметра от номинального, I = 1, 2. И здесь = 1, = 0 и δ₁^r=a₁^r-1,δ₂^r=a₂^r. Для исправного устройства, аналогично, δ^r_i≅ , i = 1, 2, где , - соответственно нижний и верхний допуски на отклонения.

Далее значения сигналов на управляющих входах блока приращений 1 изменяются таким образом, что R₂ ≠ 0, R₁ ≠ U_o и на его выходе присутствует напряжение (U_o/R₁)R_x + (U_o/R₁)R₂ = γ^r R_x + β^r. Результат измерения устройством этого напряжения будет иметь вид y₂^r = a₁^r(γ^rU_x+β^r) + a₂^r. Аналогично вычислим величину r^r = y₂^r - γ^ry₁^r - β^r=β^rδ₁^r+(1-γ^r)δ₂^r. Пусть β^r>0,γ^r<1. Обозначим =+(1-γ^r), =+(1-γ^r). Тогда для исправного устройства r^r≅ . Если это неравенство не выполняется, то устройство заведомо неисправно. В противном случае считается, что устройство исправно.

Аналогично можно показать, что и в этом случае достоверность контроля D^r = 1, в то время как для прототипа (D^r) ^I≈0.

Дя коррекции погрешностей используется следующее выражение
y_cor^r= [y₁^r+γ^r(y₂^r-β^r)] /[1+(γ^r)²] , где y_cor^r - скорректированный результат.

Описанный алгоритм работы устройства изображен на фиг.4.

Таким образом, как следует из вышеизложенного, в предлагаемом устройстве для коррекции погрешностей требуется лишь один дополнительный такт измерения, в то время как в прототипе используется два дополнительных такта. То есть общее время коррекции (с учетом такта измерений самой неизвестной величины) уменьшается в 1,5 раза. Кроме того, как показано выше, в предлагаемом устройстве достоверность контроля приблизительно равна 1, в то время как в прототипе она приблизительно равна 0.

Формула изобретения

ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР С САМОКОРРЕКЦИЕЙ, содержащий последовательно соединенные блок выбора диапазона измерения, аналого-цифровой преобразователь и блок управления и вычисления, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами блока выбора диапазона измерения и аналого-цифрового преобразователя, первую и вторую входные клеммы для подключения измеряемого сопротивления, третью входную клемму для подключения измеряемого напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля и повышения быстродействия, введен блок приращений, входы которого подключены соответственно к трем входным клеммам, выход соединен с входом блока выбора диапазона измерения, управляющие входы соединены с управляющими выходами блока управления и вычисления, причем блок приращений содержит источник образцового напряжения, два двухпозиционных переключателя, резистор, два управляемых резистора, инвертирующий усилитель и ключ, управляющие входы двухпозиционных переключателей, управляемых резисторов и ключа соединены с управляющими входами блока, выход инвертирующего усилителя соединен с выходом блока и через ключ, и второй управляемый резистор соединен с входом инвертирующего усилителя, который через резистор соединен с выходом второго двухпозиционного переключателя, а через первый управляемый резистор с выходом первого двухпозиционного переключателя, первый сигнальный вход которого соединен с выходом источника образцового напряжения, второй сигнальный вход соединен с вторым сигнальным входом второго двухпозиционного переключателя и с общей шиной, первый сигнальный вход которого соединен с третьим входом блока, а сигнальный вход и выход ключа соединен соответственно с первым и вторым входами блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7