Многоканальное устройство для измерения среднеквадратического значения напряжения

 

Изобретение относится к измерительной технике. Достигаемый технический результат - повышение информативности. Многоканальное устройство для измерения среднеквадратических значений напряжения содержит восемь (n=8) входных шин (1-8) и восемь повторителей (9-16) напряжения, фильтр нижних частот (ФНЧ) (17, 23), усилитель (18, 24) с регулируемым коэффициентом усиления с входами (19, 25) управления, детекторы (20, 26, 53) среднеквадратических значений, входы (21, 27, 49, 65) регистратора (22) информации, аналоговый мультиплексор (28), два счетчика (29, 30), два дифференциальных компаратора (31, 32), резистивный делитель (33) на резисторах (34, 35), аналоговые ключи (36, 37, 38), элемент И(39), два элемента ИЛИ (40, 41), генератор (42) стабильных периодических импульсов, формирователь (43) коротких импульсов, цифроаналоговый преобразователь (44), шину (45) опорного напряжения, конденсаторы (К) (46, 47) ФНЧ детекторов (20 и 26), шину (48) сброса в нуль устройства, активный интегратор (52), аналоговые ключи (56, 57, 58), элемент 2х2И-ИЛИ (59), элемент НЕ (60), резисторы (61, 62, 63), К (64). 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровней преобладающих частот вибрации, шума, пульсации давления, при спектральном анализе сигналов.

Известно устройство для измерения шума (а.с. СССР 623160 от 09.11.76, МКИ: G 01 К 19/00, автор Кононов В.А., опубл. 05.09.78, БИ 33), содержащее входную шину, соединенную через первый управляемый усилитель, выполненный с управляющим входом, блок фильтров и второй управляемый усилитель, выполненный с управляющим входом, с детектором среднеквадратических значений, выход которого подключен к блоку индикации, подсоединенному к блокам переключения диапазонов, блок задания частотных характеристик, подсоединенный к выходу детектора среднеквадратических значений и ко входам блоков переключения диапазонов, подключенных соответственно к управляющим входам первого и второго управляемых усилителей.

Устройство имеет ряд недостатков: а) низка информативность, т. к. устройство одноканально. Параллельное включение устройств для наращивания информации исключено ввиду недопустимого роста габаритных размеров, веса, числа выходов на блок индикации. Например, восьмивходным шинам соответствуют 24 выхода на блок индикации; б) устройство не измеряет преобладающую, основную частоту в цепи переменного тока, то есть понижена его информативность, т.к. измеряется лишь среднеквадратическое значение сигнала (процесса) с входной шины; в) устройство обладает недостаточной точностью и информативностью за счет отсутствия встроенной системы калибровки.

Известно устройство для измерения основной частоты в цепях переменного тока (а.с. СССР 566194, МКИ: G 01 R 23/00 от 26.01.76, авторы Масандилов Л. Б. , Рожанковский Ю.В., опубл. 25.07.77, БИ 27, содержащее последовательно соединенные датчик тока и двухканальный усилитель-преобразователь, последовательно соединенные блок деления и блок извлечения квадратного корня, два фильтра нижних частот, выходы которых подключены к входам блока деления. Усилитель-преобразователь состоит из двух квадраторов, связанных входами через интегратор, причем выходы квадраторов подключены к входам фильтров нижних частот.

Недостатками известного устройства являются: а) большая погрешность за счет стандартного интегратора, не ослабляющего влияние модулирующих низких частот, лежащих ниже частоты единичного усиления интегратора. Это понижает информативность устройства в целом; б) ограничение диапазона по входу за счет использования квадраторов. Например, входному напряжению 10÷100 мВ соответствует 100÷10000 мВ на выходе квадратора (недопустимы большие напряжения). Ограничение диапазона однозначно связано с пониженной информативностью, чему также способствует отсутствие управляемых усилителей, отсутствие переключения диапазонов измерения; в) понижена информативность, т.к. устройство одноканально. Одному входу соответствует один выход на индикатор; г) понижена информативность, т. к. не измеряется среднеквадратическое значение сигнала (процесса); д) недостаточна точность из-за отсутствия встроенного калибратора амплитуды и частоты.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является многоканальное устройство для измерения среднеквадратического значения напряжения (а.с. СССР 1623.435, МКИ G 01 R 19/04 от 28.12.88, авторы Аметов А.Д., Коротких Б.П., Гутников А.И., опубл. 20.02.95, БИ 5, стр.247), содержащее n - входных шин, каждая из которых подключена к входу соответствующего повторителя напряжения. Выход первого повторителя напряжения через последовательно соединенные первый усилитель с регулируемым коэффициентом усиления подключен к входу первого детектора среднеквадратических значений, выполненного с фильтром нижних частот. Выход этого детектора подключен к первому входу регистратора информации. Устройство содержит также второй фильтр, выход которого через второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления подключен к входу второго детектора среднеквадратических значений, выполненного с фильтром нижних частот. Выход этого детектора подключен к второму входу регистратора информации, шине опорного напряжения. Устройство снабжено аналоговым мультиплексором, двумя счетчиками, двумя дифференциальными компараторами напряжения, резистивным делителем, тремя аналоговыми ключами, элементом И, двумя элементами ИЛИ, генератором периодических импульсов, формирователем импульсов и цифроаналоговым преобразователем. Крайние выводы резистивного делителя подключены между шиной опорного напряжения и выходом второго аналогового ключа, а средний вывод соединен с инвертирующими входами первого и второго дифференциальных компараторов напряжения, неинвертирующие входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго детекторов среднеквадратических значений. Первый и третий аналоговые ключи подключены параллельно фильтрам нижних частот соответственно первого и второго детекторов среднеквадратических значений. Вход второго аналогового ключа подключен к общей шине, а управляющий вход - к выходу элемента И и счетному входу первого счетчика, инверсный выход последнего разряда которого подключен к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, управляющему входу первого аналогового ключа и через второй элемент или - к управляющему входу третьего аналогового ключа. Первый и второй входы первого элемента ИЛИ подключены к выходам первого и второго дифференциальных компараторов напряжения, прямые выходы разрядов первого счетчика подключены к входам управления первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом усиления. Второй вход второго элемента ИЛИ подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу генератора периодических импульсов. Входы управления аналогового мультиплексора подключены к выходам одноименных разрядов второго счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора периодических импульсов, установочный R-вход объединен с R-входом первого счетчика и подключен к шине сброса в нуль устройства. Выход аналогового мультиплексора подключен к входу второго фильтра, первый информационный вход аналогового мультиплексора подключен к выходу второго повторителя напряжения, второй информационный вход - к выходу первого повторителя напряжения, третий и последующие информационные входы - к выходам одноименных повторителей напряжения. Прямые выходы разрядов первого счетчика и прямой выход старшего разряда второго счетчика подключены к соответствующим цифровым входам цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого подключен к третьему входу регистратора информации.

Недостатками известного устройства является пониженная информативность, обусловленная: а) частотной характеристикой без наклона 6дБ/окт, без дополнительного канала измерения среднеквадратического значения напряжения, позволяющих выделить преобладающую, основную частоту процесса устройством в широком диапазоне при наличии встроенного калибратора;
б) недостаточной точностью и шириной диапазона измерений из-за отсутствия встроенной калибровки по заранее известным частотам и напряжениям измерительных каналов, содержащих последовательно соединенные, неточные каскады.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание многоканального устройства для измерения среднеквадратических значений напряжений, обладающего повышенной информативностью.

Технический результат, заключающийся в повышении информативности, достигается тем, что в многоканальное устройство для измерения среднеквадратического значения напряжения, содержащее n-входных шин, каждая из которых подключена к входу соответствующего напряжения, выход первого повторителя напряжения через последовательно соединенные первые фильтр и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления подключен к входу первого детектора среднеквадратических значений, выполненного с фильтром нижних частот, выход этого детектора подключен к первому входу регистратора информации, второй фильтр, выход которого через второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления подключен к входу второго детектора среднеквадратического значения напряжения, выполненного с фильтром нижних частот, выход этого детектора подключен к второму входу регистратора информации, три аналоговых ключа, первый и третий из которых подключены параллельно фильтрам нижних частот соответственно первого и второго детекторов среднеквадратических значений, резистивный делитель, крайние выводы которого подключены между шиной опорного напряжения и выходом второго аналогового ключа, а средней вывод соединен с инвертирующими входами первого и второго дифференциальных компараторов напряжения, неинвертирующие входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго детекторов среднеквадратических значений, вход второго аналогового ключа соединен с общей шиной, а управляющий вход - с выходом элемента И и счетным входом первого двоичного счетчика, инверсный выход последнего разряда которого подключен к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к управляющему входу первого аналогового ключа и к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу третьего аналогового ключа, первый и второй входы первого элемента ИЛИ подключены к выходам первого и второго дифференциальных компараторов напряжения, прямые выходы разрядов первого двоичного счетчика подключены к соответствующим входам управления первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, второй вход второго элемента ИЛИ подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого подключен к первому выходу генератора стабильных периодических импульсов, выходы разрядов второго двоичного счетчика подключены к одноименным входам управления аналогового мультиплексора, счетный вход подключен к первому выходу генератора стабильных периодических импульсов, а установочный R-вход объединен с R-входом первого двоичного счетчика и подключен к шине сброса в нуль устройства, выход аналогового мультиплексора подключен к входу второго фильтра, первый информационный вход - к выходу второго повторителя напряжения, второй информационный вход - к выходу первого повторителя напряжения, а третий и последующие информационные входы - к выходам одноименных повторителей напряжения, прямые выходы разрядов первого двоичного счетчика и прямой выход старшего разряда второго двоичного счетчика подключены к соответствующим цифровым входам цифроаналогового преобразователя, аналоговый выход которого подключен к третьему входу регистратора информации, введены аналоговый интегратор, третий детектор среднеквадратических значений, выполненный с фильтром нижних частот, четвертый, пятый и шестой аналоговые ключи, элемент 2х2И-ИЛИ, элемент НЕ, три резистора и конденсатор, регистратор информации снабжен четвертым входом, а генератор стабильных периодических импульсов снабжен вторым и третьим выходами, которые подключены к соответствующим первым входам элементов И элемента 2х2И-ИЛИ, второй вход первого элемента И которого подключен к первому дополнительно введенному старшему разряду второго двоичного счетчика, первый и второй младшие разряды которого подключены к соответствующим дополнительно введенным младшим разрядам цифроаналогового преобразователя, второй вход второго элемента И элемента 2х2И-ИЛИ соединен с выходом элемента НЕ, вход которого подключен к первому дополнительно введенному старшему разряду второго двоичного счетчика, второй дополнительно введенный старший разряд которого подключен к управляющему входу четвертого аналогового ключа, вход которого объединен с входом пятого аналогового ключа и подключен через первый резистор к аналоговому выходу цифроаналогового преобразователя, подключенному через второй резистор к выходу четвертого аналогового ключа, управляющий вход пятого аналогового ключа подключен к выходу элемента 2х2И-ИЛИ, а выход подключен через третий резистор к общей шине и через конденсатор к последней входной шине, шестой аналоговой ключ подключен параллельно фильтру нижние частот третьего детектора среднеквадратических значений, управляющий вход шестого аналогового ключа соединен с выходом второго элемента ИЛИ, выход второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключен через аналоговый интегратор к входу третьего детектора среднеквадратических значений, выход которого подключен к четвертому входу регистратора информации.

Кроме того, аналоговый интегратор выполнен на полосовом фильтре, добротность и коэффициент усиления которого не более единицы, а крутизна спада более 6 дБ/окт.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить информативность, а именно обеспечить одновременное измерение напряжений и частот анализируемых сигналов (процессов) на максимальном числе входных шин при минимальном числе каналов регистратора в расширенном диапазоне измерений за счет следующих ниже перечисленных факторов:
а) введения интегратора с наклоном характеристики 6 дБ/окт и дополнительного канала измерения среднеквадратического значения напряжения, позволяющих выделить преобладающую, основную частоту процесса устройством в широком диапазоне при введении встроенного калибратора;
б) повышенной точности и ширины диапазона измерений от введенной встроенной калибровки по заранее известным частотам и напряжениям. Калибровка необходима для измерительных каналов, содержащих последовательно соединенные неточные, каскады.

На фиг.1 приведена структурная схема многоканального устройства для измерения среднеквадратического значения напряжения; на фиг.2 - временные диаграммы его работы; на фиг.3 - структурная схема усилителя с регулируемым коэффициентом усиления; на фиг.4 - структурная схема детектора среднеквадратических значений (детектора СКЗ); на фиг.5 - структурная схема аналогового интегратора; на фиг.6 - его передаточная характеристика.

Многоканальное устройство (фиг.1) содержит восемь (n=8) входных шин 1÷8 (семь из которых подключены к вибродатчикам, а восьмая - к калибратору частоты и напряжения, описанному ниже), каждая из которых подключена к входу соответствующего неинвертирующего повторителя 9-16 напряжения. Выход первого повторителя 9 через первый фильтр 17 нижних частот подключен к входу первого усилителя 18 с регулируемым коэффициентом усиления, выполненного с входами 19 управления коэффициентом усиления. Выход усилителя 18 подключен к входу первого детектора 20 среднеквадратических значений, выход которого подключен к первому входу 21 запоминающего регистратора 22 информации. Выход второго фильтра 23 нижних частот подключен к входу второго усилителя 24, выполненного с входами 25 управления коэффициентом усиления. Выход усилителя 24 подключен к входу второго аналогичного детектора 26 среднеквадратических значений, выход которого подключен к второму входу 27 регистратора 22 информации. Устройство содержит также аналоговый мультиплексор 28, два двоичных счетчика 29, 30, два дифференциальных компаратора 31, 32 напряжения, резистивный целитель 33, выполненный на последовательно соединенных резисторах 34, 35, первый, второй, третий аналоговые ключи 36, 37, 38, элемент И 39, два элемента ИЛИ 40, 41, генератор 42 многоканальный, стабильных периодических импульсов (меандры точной частоты), с тремя каналами f₁, 2f₁, f₃ (выходами частот 105, 210, 3,28 Гц соответственно), формирователь 43 коротких импульсов по фронту, цифроаналоговый преобразователь 44. Крайние выводы резистивного делителя 33 подключены между шиной 45 опорного напряжения (E₀) и выходом ключа 37, а средний вывод соединен с инвертирующими входами компараторов 31, 32, неинвертирующие входы которых подключены соответственно к выходам детекторов 20, 26 среднеквадратических значений. Ключи 36, 38 подключены параллельно конденсаторам 46, 47 фильтров нижних частот детекторов 20 и 26 соответственно. Вход ключа 37 подключен к общей шине, а управляющий вход - к выходу элемента И 39 и счетному входу счетчика 29, инверсный выход последнего разряда которого подключен к первому входу элемента И 39. Второй вход элемента И 39 подключен к выходу элемента ИЛИ 40, управляющему входу ключа 36 и через элемент ИЛИ 41 к управляющему входу ключа 38. Входы элемента ИЛИ 40 подключены к выходам компараторов 31, 32. Прямые выходы разрядов счетчика 29 подключены к входам 19, 25. Второй вход элемента ИЛИ 41 подключен к выходу формирователя 43, вход которого подключен к первому выходу ₃~(3,3 Гц) генератора 42 многоканального стабильных периодических импульсов. Входы А₀, А₁, А₂ управления мультиплексора 28 подключены к соответствующим выходам 2⁰, 2¹, 2² разрядов счетчика 30 и одноименным цифровым входам цифроаналогового преобразователя 44, счетный С-вход счетчика 30 подключен к выходу генератора 42, установочный R-вход объединен с R-входом счетчика 29 и подключен к шине 48 сброса в нуль устройства. Выход мультиплексора 28 подключен к входу фильтра 23, первый XI информационный вход - к выходу повторителя 10, второй Х2 информационный вход - к выходу повторителя 9, а третий и последующие Х3 - Х8 информационные входы подключены к выходам третьего и последующих повторителей 11-16. Прямые выходы 2⁰, 2¹ счетчика 29 подключены к старшим цифровым (кодовым) входам цифроаналогового преобразователя 44, аналоговый выход которого подключен к третьему входу 49 регистратора информации. Детекторы 20, 26 среднеквадратических значений содержат соответственно функциональные преобразователи 50, 51 с подключенными к ним конденсаторами 46, 47 фильтров нижних частот. Устройство содержит также аналоговый (активный, на операционном усилителе) интегратор 52, третий аналогичный детектор 53 среднеквадратических значений, выполненный на функциональном преобразователе 54 с подключенным к нему конденсатором 55 фильтра нижних частот. Четвертый, пятый, шестой аналоговые ключи 56, 57, 58, элемент 2х2И-ИЛИ 59, элемент НЕ 60, резисторы 61, 62, 63, разделительный конденсатор 64, четвертый вход 65 регистратора 22 информации. При этом второй и третий f₁, 2f₁ соответственно, выходы генератора 42 стабильных периодических импульсов подключены к первым соответствующим входам элементов И элемента 2х2И-ИЛИ, второй вход первого элемента И которого непосредственно, а второй вход второго элемента И которого через элемент НЕ 60 подключен к разряду ³ второго счетчика 30, разряд 2⁴ которого подключен к управляющему входу аналогового ключа 57, вход последнего объединен с входом аналогового ключа 58 и подключен через резистор 62 к аналоговому выходу цифроаналогового преобразователя 44, подключенному через резистор 61 к выходу аналогового ключа 57, управляющий вход аналогового ключа 58 подключен к выходу элемента 2Х2 И - ИЛИ 59, а выход этого ключа 58 подключен через резистор 63 к общей шине и через конденсатор 64 к последней входной шине 8, аналоговый ключ 56 подключен каналом параллельно конденсатору 55 третьего детектора 53 среднеквадратических значений, управляющий вход аналогового ключа 56 подключен к выходу второго элемента ИЛИ 41, выход второго усилителя 24 с регулируемым коэффициентом подключен через активный аналоговый интегратор 52 к входу детектора 53 среднеквадратических значений, выход которого подключен к четвертому входу 65 регистратора 22 информации.

Первый и второй усилители 18, 24 с регулируемым коэффициентом усиления и управляющими входами 19, 25 на фиг.1 однотипны и выполнены по схеме, описанной в ж. "Измерительная техника", 1983 г., 1, с.57, статья "Быстродействующий, действующих значений микропроцессорный преобразователь тока". Усилитель (фиг. 3) с регулируемым коэффициентом усиления содержит выходную шину 66, аналоговый мультиплексор 67, неинвертирующий усилитель 68 и резистивный делитель 69, вход которого является входом 70 усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к общей шине, а отводы и вход - к входам каналов аналогового мультиплексора 67, выход которого подключен к входу неинвертирующего усилителя, а входы А₀А₁ управления выбором каналов являются управляющими входами 19, 25 усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Код на входах управления однозначно определяет, какой отвод резистивного делителя подключен к неинвертирующему усилителю, а следовательно, и коэффициент передачи усилителя с регулируемым коэффициентом усиления.

Детекторы 20, 26, 53 среднеквадратических значений по фиг.1 однотипны и выполнены по схеме, описанной в ж. "Техника средств связи, серия Радиоизмерительная техника" 5, 1979, с.54, статья "Преобразователь среднеквадратичных значений".

Детектор среднеквадратических значений (фиг.4) содержит функциональный преобразователь 50 и конденсатор 46 фильтра нижних частот, причем функциональный преобразователь выполнен на формирователе 71 модуля переменного сигнала, вход которого является входом 72 детектора среднеквадратических значений, а выход подключен через резистор 73 к инвертирующему входу операционного усилителя 74 к коллектору транзистора 75, база которого соединена с общей шиной, а эмиттер - последовательно с диодом 76 и резистором 77, другой выход которого подключен к выходу операционного усилителя 74, точка объединения диода 76 и резистора 77 подключена к последовательно подключенным диоду 78 и эмиттеру транзистора 79, база которого подключена к общей шине, а коллектор - к инвертирующему входу операционного усилителя 80, резистор 81 в цепи обратной связи операционного усилителя 80, конденсатор 46 RC-фильтра нижних частот, одна обкладка которого подключена к выходу операционного усилителя, а другая - к эмиттеру транзистора 79. Резистор 77 обеспечивает устойчивость логарифмирующего усилителя, а формирование модуля значения измеряемого напряжения осуществляется вычитанием из выходного сигнала однополупериодного выпрямителя переменного входного сигнала при соотношении амплитуд вычитаемых сигналов 2:1 (см. каскад на усилителе А1 и резистор R/5, с. 409, фиг.3.77 Справочник по нелинейным схемам, пер. с англ., под ред. Д. Шейнголда, М., Мир, 1977 г.). Формирователь модуля 71 функционального преобразователя 50 делает режим работы логарифмирующего усилителя независимым от полярности входного напряжения, а каскадным включением диода 75 и транзистора 76 осуществляется операция возведения в квадрат (2lgx=lgx²), затем вычисляется антилогарифм и производится усреднение фильтром нижних частот, постоянная времен и его - R81•C46. Напряжение на выходе 82 устройства равно среднеквадратическому значению. Постоянные времени всех детекторов равны между собой и равны 0,12 с, коэффициенты передачи всех детекторов равны между собой и равны единице. Коэффициенты передачи всех детекторов равны между собой и равны единице.

Формирователь 43 коротких импульсов по фронту на фиг.1 выполнен по стандартной схеме, описанной в отраслевом стандарте. Микросхемы интегральные. Серия 564. Руководство по применению ОСТ11.340.907-80 стр.202, черт.350. Временная диаграмма работы одновибратора приведена там же в ОСТе.

Неинвертирующие повторители напряжения 9-16 на фиг.1 однотипны, каждый из них выполнен по схеме, см. ж. Измерительная техника, 1983 г., 1, статья "Быстродействующий действующих значений микропроцессорный преобразователь переменного тока, с.58, рис.2. Он является преобразователем импеданса. Возможно иное исполнение, в том числе инвертирующего повторителя напряжений, например, на усилителе заряда.

Фильтры 17, 23 на фиг.1 однотипны. Каждый из них выполнен на микросхеме 298 ФН14 серии 298 по схеме фильтра нижних частот, приведенной в σКО 347.002ТУ, 1976 г.

Генератор 42 периодических импульсов, стабильный, многоканальный может быть выполнен на трех независимых стабильных автогенераторах импульсов с различной частотой следования, выходы которых являются каналами, выходами его. Кроме того, генератор 42 периодических импульсов многоканальный, может быть выполнен стабилизированным по частоте (кварцем), выход которого подключен к входу делителя частоты на триггерах, выходы которых являются каналами, выходами генератора. При этом скважности импульсов равны двум, а частоты импульсов кратны двум единицам, что требуется при калибровке по октаве. Подобная схема описана в книге "Курс цифровой электроники", Й. Янсен, М., Мир, 1987 г. , стр.103, рис.2.27, см. выходы А.В.С. Аналогичная схема приведена в книге "750 практических электронных схем", М., Мир, 1986, стр.136.

Цифроаналоговый преобразователь 44 стандартный, выполнен на микросхеме типа Н572 ПА1 А σКO.347.182ТУ1.

Регистратор 22 информации - четырехканальный шлейфовый осциллограф или четырехканальный цифровой запоминающий осциллограф, или четырехканальная бортовая аналоговая телеметрическая система с запоминанием информации.

Все резисторы 34,35,61,62,63 прецизионные типа С2-29В ±0,1% точности, ими определяется точность калибровки и порогов переключения устройства.

Аналоговые ключи - стандартные микросхемы типа 590КН5 или 564 КТЗ. В закрытом состоянии сопротивление ключей эквивалентно разрыву, в открытом близко к нулю.

Аналоговый активный интегратор 52 может быть выполнен на резисторе, подключенном к инвертирующему операционному усилителю с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи. См. стандартную схему, описанную в книге "Применения операционных усилителей и линейных ИС" Л. Фолкенберри, М., Мир, 1985 г. , с. 127, рис.6.2 (Интегратор на операционном усилителе). Характеристика его излишне сильно усиливает низкие (<f) частоты малого уровня, т. к. проходит по линии а, в, с, см. фиг.6 заявки, имеет наклон - 6 дБ/окт как выше, так и ниже частоты f₀ единичного усиления, где K=1. Это затрудняет его использование в заявленном устройстве, если в спектре анализируемого сигнала присутствуют даже малого уровня низкие, неосновные (неэнергонесущие) частоты ниже частоты f₀. Они излишне усиливаются этим интегратором и мешают выделению основной энергонесущей частоты, лежащей выше частоты f₀.

Лучший аналоговый активный интегратор частично описан в книге "Применения операционных усилителей и линейных ИС", Л. Фолкенберри, М., Мир, 1985 г., с.206, рис.8.15. Схема его приведена на фиг.5, а зависимость коэффициента усиления от частоты - на фиг.6. Аналоговый интегратор 52 содержит резистор 83 в цепи отрицательной обратной связи инвертирующего операционного усилителя, выход которого через последовательно соединенные конденсаторы 84,85 подключен к инвертирующему входу, точка объединения конденсаторов через резистор 86 подключена к общей шине, и через резистор 87 к входу его. Если выбрать резисторы , а конденсаторы С84=С85, то получится фильтр с коэффициентом усиления К и добротностью, равными единице, характеристика усиления которого от частоты f приведена на фиг.6. Она представляет собой равнобедренный треугольник О в с, рабочая часть интегратора "в с" лежит выше частоты f₀, имеет наклон - 6 дБ/окт. Ее использование предпочтительно в заявленном устройстве. Даже если в спектре анализируемого сигнала присутствуют низкие (0-25 Гц), малого уровня, т.е. неосновные, неэнергонесущие частоты (ниже частоты f₀). Они малы по уровню и дополнительно эффективно подавляются другой ветвью "Oв" (фиг.6), что благоприятствует выделению основной энергонесущей частоты, лежащей выше известной минимальной частоты f₀. Характеристика фиг.6 снята с помощью измерительного генератора и среднеквадратичного вольтметра. Из нее видно, что неизвестная частота 200 Гц равна отношению уровней среднеквадратичных значений: измеренных на частоте = 100 Гц, где К=1, и на частоте 200 Гц, где K=0,5. То есть для выделения неизвестной частоты достаточно сигнал неизвестного уровня СКЗ и частоты измерить одновременно двумя однотипными среднеквадратичными вольтметрами до и после пропускания через аналоговый интегратор, а результаты поделить и умножить на коэффициент, пропорциональный f₀(частоте единичного усиления), вручную или иным способом. Это зависит от регистратора 22 информации, который может содержать встроенный вычислитель данной формулы.

Многоканальное устройство для измерения среднеквадратического значения напряжения (фиг.1) работает следующим образом.

Работа многоканального устройства при одновременном измерении частот и напряжений предполагает одновременную запись в регистратор 22 сигнала (U₂₇) детектора 26, не прошедшего через интегратор 52 и сигнала детектора 53, но прошедшего через интегратор 52 (U₆₅, фиг.2). Последующее (вручную) вычисление отношения этих сигналов равно неизвестной частоте при условии, что крутизна спада интегратора известна (-6 дБ/окт). Здесь f₀ - частота, где коэффициент передачи интегратора 52 равен 1. Обеспечить достаточную стабильность отношения напряжений при эксплуатации устройства в широком диапазоне температур тяжело из-за нестабильности составляющих, обусловленной нестабильностью коэффициента передачи детекторов 26, 53 среднеквадратичные значений, и нестабильности крутизны - 6 дБ/окт интегратора 52. Погрешность коэффициента передачи максимальна в нижней части линейной шкалы напряжений детекторов 26,53 среднеквадратических значений, имеет разброс при настройке или воздействии температуры как в верхней, так и нижней части шкалы напряжений. Для измерения крутизны ~6 дБ/окт интегратора 52 необходимо также знание двух контрольных точек линейной шкалы частот интегратора 52, смещенных на октаву (точно в 2 раза). То есть вводимые элементы калибратора должны выдавать по два известных напряжения и частоты. Это выделит верх шкалы и низ шкалы напряжений детекторов 26,53, причем это надо делать на двух смещенных на октаву частотах, причем при любом коэффициенте усиления усилителей 18,24 с регулируемым коэффициентом (т.к. диапазон сигнала на входных шинах достаточно широк). За опорную во вводимом калибраторе берется частота f₁ чуть выше f₀ интегратора 52 и ее удвоенное значение 2f₁, по ним строится прямая "вс" фиг. 6, затем уточняется значение частоты f₀ и крутизна спада (6 дБ/окт). С учетом однозначной связи напряжения U49 на выходе цифроаналогового преобразователя 44 как с номером датчика, и главное, с коэффициентом усиления усилителей 18,24 (см.U₄₉ на фиг.2), оно может быть использовано как контрольное после точного деления точными резисторами 63, 62, 61 в отношении
и
для получения точек в области нижней и верхней части шкалы напряжений детекторов соответственно.

С учетом применения стабильного генератора 42 периодических импульсов его дополнительно введенные выходы ₁ и 2f₁ использованы для получения контрольных частот f₁ и 2f₁. Счетчик 30 (см. инверсный выход , фиг.1) через элемент 2х2И-ИЛИ 59 подключает ключом 58 к шине 8 через конденсатор 64 на I цикл опроса входных шин 1-8 частоту f₁(см.2³СТ2, фиг.2), а затем на I цикл опроса входных шин 1-8 частоту 2•f₁. В первом и втором циклах опроса входных шин 1-8 счетчик 30 (выход 2⁴ СТ2, фиг.1) подключает ключом 58 на шину 8 уровень верха шкалы, равный

частотой f₁ и 2f₁ соответственно. В третьем и четвертом циклах опроса входных шин 1-8 счетчик 30 подключает ключами 57, 58 на шину 8 уровень низа шкалы, равный

частотой f₁ и 2f₁ соответственно. Возможен и другой алгоритм, когда два цикла опроса шин 1-8 подается на шину 8 - одна частота, но разные по циклам уровни. Последующие затем два цикла опроса шин 1-8 подаются на шину 8 - другая частота, но разные по циклам уровни. При этом выходы 2³, 2⁴ счетчика 30 меняют местами, выходы f₁, 2f₁ генератора меняют местами. Это отражено в формуле записью выходов счетчика 30 и генератора 42 без дополнительной привязки к разрядам.

Существенно то, что цифроаналоговый преобразователь 44 может быть нестабильным, ибо U₄₉ измеряют точным регистратором 22 информации. Важна стабильность резисторов 61, 62, 63 и стабильность частот генератора 42, что не вызывает затруднений при стабилизации прецизионными резисторами С2-29В и кварцем. Работа устройства основана на усилении и последующем измерении среднеквадратического значения электрических сигналов переменного тока снимаемых с 7 вибродатчиков, подключенных к шинам 1-7 устройства. На 8 шину подаются два известных (контрольных, калибровочных) напряжения двух известных (контрольных, калибровочных) частот, позволяющие прокалибровать канал напряжений и частот устройства. Калибровки получены за счет введения всех исполнительных признаков, за исключением интегратора 52 и дополнительного детектора 53 среднеквадратических значений, которые использованы для получения "частотного" канала путем пропускания сигнала с усилителя 24 через интегратор 52 и детектор 53 (такой, как детектор 26) до подачи его на дополнительный вход 65 регистратора 22 информации. Тем самым с помощью устройства можно измерять в расширенном диапазоне не только уровень вибрации, но и ее основную частоту семью вибродатчиками с выдачей вибрационных параметров всего на 4 выходные шины, чем обеспечена повышенная информативность по сравнению с прототипом. Или, другими словами, расширены функциональные возможности. Для обеспечения достаточного диапазона измерений и точности при этом устройство снабжено встроенной калибровкой по 8 входной шине, занимающей по времени 1/8 часть цикла опроса, его конец. Повторители напряжения 9-16 с входным сопротивлением порядка 10⁷ Ом служат для согласования высокоомного выходного сопротивления вибродатчика или калцбратора с усилительным трактом. Включение фильтров 17, 23 в измерительный тракт позволяет выделить общую полосу частот анализа.

Все детекторы 26, 53, 20 имеют равный коэффициент передачи и разную постоянную времени 0,12 с, причем сигнал на детектор 53 поступает с интегратора 52, и на детектор 26 непосредственно. Это приводит к уменьшению среднеквадратического значения напряжения на выводе детектора 53 по сравнению с детектором 26, что отражено на временных диаграммах U₆₅ и U₂₇. Уменьшение пропорционально основной частоте и используется для последующего определения этой частоты. Величина постоянной времени детекторов выбирается из условия минимизации погрешности измерения СКЗ процесса. Сигналы с детекторов 20, 26, 53 регистрируются на носителе регистратора 22 информации (бумаге, ленте и др.). При этом обеспечивается автоматический выбор диапазона измерений (т.е. коэффициент усиления, см.большие ступеньки на U₄₉, фиг. 2, моменты t₈, t₁₃) и номера входной шины 1-8 (в каждом цикле опроса 8 мелких ступенек на U₄₉, фиг.2) с индикацией этих факторов как в линии передачи самого СКЗ сигнала (см. U₂₁, U₂₇, U₆₅ -диаграммы на фиг.2), так и с выхода цифроаналогового преобразователя 44 (см. U₄₉ на фиг.2). При этом автоматически изменяемое с номером шины и коэффициентом усиления усилителей 18,24 напряжение U₄₉ используется не только для распознания номера входной шины и коэффициента усиления, но и как калибровочное напряжение на шине 8 в уровнях, обеспечивающих верх и низ шкалы, см. моменты t₆-t₇ и t₁₀-t₁₁, t₁₄-t₁₅ и t₁₇-t₁₈ соответственно на диаграммах U₂₇, U₆₅ фиг.2. При этом на шину 8 в течение времени 0-t₇, задаваемого выходом 2³ СТ2 счетчика 30, идет частота f₁ с выхода генератора 42, близкая к f₀ частоте единичного усиления интегратора 52. Напряжения U в момент t₆-t₇ равны в каналах U₂₇, U₆₅ и соответствуют верху шкалы. В течение времени t₇-t₁₁, зависимого выходом 2³ СТ2 (фиг. 2), на шину 8 идет частота 2f₁ с выхода 2f₁ генератора 42 и соответствующее верху шкалы U, напряжение с шины 8. См. моменты t₁₀-t₁₁ диаграммах U₂₇, U₆₅, где отмечено уменьшение вдвое, U₂₇=2U₆₅. Вдвое уменьшилось и напряжение U₆₅ (см. моменты t₁₇-t₁₈ на диаграммах U₂₇, U₆₅) по отношению к U₂₇, соответствующее нижней части шкалы, заданной соответствующим напряжением с шины 8.

Время подачи большего или меньшего калибровочного уровней на шину 8 задается выходом (2⁴ СТ2, фиг.2) счетчика 30. Уровни следуют поочередно. Счетчик 30 синхронизирует работу устройства в целом, управляет мультиплексором 28 и калибровочными напряжениями, частотами, полученными с выходов f₁, 2f₁ генератора и элементов 2х2И-ИЛИ 59, элемента НЕ 60, ключей 57, 58 с резисторами 61, 62, 63. Конденсатор 64 убирает постоянную составляющую из калибровочного сигнала. Рассмотрим еще подробнее работу устройства.

В исходном состоянии счетчики 29, 30 сброшены в нуль одиночным импульсом по шине 48 установки нуля, при этом код на счетчике 30 равен 00000, вследствие чего кодом 000 в мультиплексоре 28 открыт канал XI и сигнал с входной шины 2 через повторитель 10, канал мультиплексора 28 XI-X, фильтр 23, усилитель 24 поступает в детектор 26 непосредственно через интегратор 52 поступает в детектор 53. Нулем с разряда 2⁴ счетчика 30 открыт ключ 57, значит, резисторы 61, 62 включены параллельно их сопротивление мало и равно
.

Нулем с разряда 2³ счетчика через элемент НЕ 60 обеспечена единица на входе И элемента 2х2И-ИЛИ 59, чем разрешено прохождение через него импульсов частотой f₁ с выхода генератора 42 на управляющий вход ключа 58. Он открывается и закрывается, обеспечивая на резисторе 63 с частотой f₁ напряжение

верха шкалы. Через конденсатор 64 оно подается на шину 8. Так как на счетчике 29 также нулевой код 00, то коэффициент (К_u) усиления управляемых усилителей 18, 24 максимален и равен 2. Сигнал переменного тока с входной шины 1 через повторитель 9, фильтр 17 и усилитель 18 поступает в детектор 20 (см. U₂₁ на фиг.2).

Возможны два предельных случая сигналов на входных шинах. На фиг.2 - на шине 1 (и в детекторе 20) максимальное текущее значение CK2 сигнала, при этом выбор коэффициента усиления определяется детектором 20. В других случаях, если на шине 1 (и в детекторе 20) малое текущее значение СКЗ сигнала по сравнению с шинами 2-7, то выбор коэффициента усиления определяется детектором 26.

На входе 21 регистратора 22 (см. U₂₁) наблюдается непрерывное значение СКЗ обработанного переменного входного сигнала, чем обеспечено запоминание и восстановление истинной формы сигнала U_1cкз с входа 1, а по ней - со всех входов 2-7, см. пунктирные линии (U₂₇, U₂₁ на фиг.2). На входах 27,65 регистратора 22 (см. U₂₇, U₆₅ фиг.2) с последовательно подключаемых входных шин 2-1-3-4-5-6-7-8 наблюдаются по очереди значения СКЗ соответствующих обработанных переменных по уровню и частоте входных сигналов с шин 1-7 и контрольного сигнала с шины 8. Эти значения СКЗ несколько меньше истинных значений за счет большого времени окончания переходных процессов на выходах детекторов 26,53, но не влияют на результат определения частоты из-за операции деления .

Из-за операции деления не влияет на результат определения частоты неравномерность амплитудно-частотной характеристики фильтра 23, общего для обоих детекторов 26, 53.

Генератор 42 периодических импульсов переключает двоичный счетчик 30 (см. сигналы 2⁰ СТ2, 2¹ СТ2, 2² СТ2, 2³ СТ2, 2⁴ СТ2). Пропорционально коду выходов 2⁰СT2, 2¹СТ2, 2² СТ2, подключенных к цифроаналоговому преобразователю, нарастает ступенчатое пилообразное напряжение на его аналоговом выходе (U₄₉, фиг. 2), тем самым размечается номер шины 1-8. Последняя ступенька в цикле еще и калибровка.

По фронту импульсов генератора 42 формируются короткие импульсы формирователем 43 (см. U₄₃). Через элемент ИЛИ 41 эти импульсы открывают на короткое время ключ 38 для мгновенного разряда конденсаторов 47, 55 фильтров нижних частот детекторов 26, 53 среднеквадратических значений при подключении мультиплексора 28 к очередной входной шине 1-8, т.е. точное измерение СКЗ для сигнала с очередной шины 1-8 всегда начинается с нулевого уровня и не зависит от уровня предшествующих сигналов на входах 1-8. При наличии перегрузок (см. уровень E₀ на диаграмме U₂₁) на выходах детекторов 20 или 26 (на детекторе 53 всегда более низкие значения) срабатывает в единицу (перегрузка E₀ - по неинвертирующему входу) компаратор 31 или 32 и через открытые элементы ИЛИ 40, И 39 переводит счетчик 29 в следующее состояние, уменьшая в два раза управляемый коэффициент усиления К_u усилителей 18, 24. При этом единицей с элемента ИЛИ 40 по V-входам открываются аналоговые ключи 37, 36, 38, 56 и производится быстрый разряд конденсаторов 46, 47, 55 до уровня не менее чем половины находящихся на них к этому моменту СКЗ напряжений, в частности (см. U₂₁ на фиг.2) для конденсатора 46 это уровень E₀/2. Он определяется напряжением E₀/2 на средней точке резистивного делителя 33, резисторы R₃₄, R₃₅ которого равны, а ключ 37 открыт элементом И 39. По снижении уровня до ≤E₀/2 на обеих конденсаторах 46, 47, а значит, неинвертирующих входах компараторов, компараторы 31, 32 возвращаются в исходное состояние логического нуля по выходу, нулем (через элемент 40) ключи 36, 38, 56, а затем и 37 закрываются. Этим обеспечивается не только автоматический выбор диапазона измерений, но и быстрое установление показаний на всех детекторах 20, 26, 53, соответствующих одинаковому новому коэффициенту усиления управляемых усилителей 18, 24.

Нарастающий цифровой код с выходов счетчика 29 и разрядов 2⁰, 2¹, 2² счетчика 30 поступает на цифровые, кодовые входы цифроаналогового преобразователя 44, напряжение на его аналоговом выходе (см. U₄₉ на фиг.2) возрастает на крупную ступеньку при каждом очередном уменьшении коэффициента усиления (см. моменты 0, ₈, t₁₃ на диаграммах U₄₉, U₂₁ фиг.2), обеспечивая распознавание нового коэффициента усиления. Мелкими ступеньками размечены номера входных шин 1-8, крупными - коэффициенты усиления. Автоматически возрастающее напряжение U₄₉ в отличие от прототипа использовано не только для разметки номера входной шины и коэффициента усиления, но каждая восьмая ступенька в цикле используется для калибровки, причем вне зависимости от коэффициента усиления калибровочное напряжение удерживается в заданной верхней и нижней частях шкалы напряжений детекторов, это позволяет воспользоваться результатами калибровки в более широком диапазоне неизвестных уровней СКЗ напряжений и частот на входных шинах 1-7. При необходимости входная шина 8 спустя время калибровки может быть отключена дополнительным ключом от конденсатора 64 и подключена к восьмому пьезодатчику (на фиг.1 не показано).

Повышенная информативность выражена в одновременном измерении напряжений и частот анализируемых процессов на максимальном числе входных шин при минимальном числе каналов регистратора и выражена в расширении диапазона измерений. Это достигнуто за счет повышения точности путем введения ряда дополнительных элементов, обеспечивающих редко повторяющиеся калибровки двух точек шкалы коммутируемых измерительных каналов по заданным дополнительными элементами двум контрольным частотам и двум напряжениям и введения дополнительного интегратора с известным, контролируемым после калибровок спадом ~6 дБ/окт, подключенного к дополнительному детектору среднеквадратических значений.

Встроенные калибровки осуществляются непосредственно в процессе измерений за счет подачи их на одну из входных шин и обеспечены в широком диапазоне условий эксплуатации и в полном диапазоне входных сигналов за счет использования выхода цифроаналогового преобразователя с напряжением, нарастающим при уменьшении коэффициентов усиления управляемых усилителей.

Выполнение аналогового интегратора на полосовом фильре с добротностью и усилением не более единицы и крутизной более 6 дБ/окт исключает пролезание малосигнальных, низкочастотных, неосновных частот (искажающих результат измерений при других стандартных аналоговых интеграторах), что также способствует повышению информативности.

Изготовлен и испытан макет предлагаемого многоканального устройства. Макет реализован на стандартных интегральных микросхемах и дискретных элементах, при этом увеличена информативность, так как:
1. Число измеряемых параметров увеличено вдвое, помимо СКЗ напряжения измеряется основная частота процессов.

2. Диапазон измеряемых СКЗ напряжений расширен, вместо 500-6000 мB у прототипа с заданной точностью измеряются 40-6000 мB. Это особенно важно для ослабленного интегратором сигнала и способствует расширению диапазона (числа) выделяемых основных частот до 2 кГц вместо 400 Гц.

3. Наличие низкочастотных модулирующих сигналов неосновной частоты подавлено спадом характеристики полосового фильтра на частотах ниже f₀=100 Гц.

Погрешность измерений при этом уменьшилась в десять раз. Это тоже эквивалентно повышению информативности, т.к. позволяет выделить именно знергетическую составляющую из большего диапазона частот.

Формула изобретения

1. Многоканальное устройство для измерения среднеквадратического значения напряжения, содержащее n входных шин, каждая из которых подключена к входу соответствующего повторителя напряжения, выход первого повторителя напряжения через последовательно соединенные первые фильтр и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления подключен к входу первого детектора среднеквадратических значений, выполненного с фильтром нижних частот, выход этого детектора подключен к первому входу регистратора информации, второй фильтр, выход которого через второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления подключен к входу второго детектора среднеквадратических значений, выполненного с фильтром нижних частот, выход этого детектора подключен к второму входу регистратора информации, три аналоговых ключа, первый и третий из которых подключены параллельно фильтрам нижних частот соответственно первого и второго детекторов среднеквадратических значений, резистивный делитель, крайние выводы которого подключены между шиной опорного напряжения и выходом второго аналогового ключа, а средний вывод соединен с инвертирующими входами первого и второго дифференциальных компараторов напряжения, неинвертирующие входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго детекторов среднеквадратических значений, вход второго аналогового ключа соединен с общей шиной, а управляющий вход - с выходом элемента И и счетным входом первого двоичного счетчика, инверсный выход последнего разряда которого подключен к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, управляющему входу первого аналогового ключа и к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу третьего аналогового ключа, первый и второй входы первого элемента ИЛИ подключены к выходам первого и второго дифференциальных компараторов напряжения, прямые выходы разрядов первого двоичного счетчика подключены к соответствующим входам управления первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, второй вход второго элемента ИЛИ подключен к выходу формирователя импульсов, вход которого подключен к первому выходу генератора стабильных периодических импульсов, выходы разрядов второго двоичного счетчика подключены к одноименным входам управления аналогового мультиплексора, счетный вход подключен к первому выходу генератора стабильных периодических импульсов, а установочный R-вход объединен с R-входом первого двоичного счетчика и подключен к шине сброса в нуль устройства, выход аналогового мультиплексора подключен к входу второго фильтра, первый информационный вход - к выходу второго повторителя напряжения, второй информационный вход - к выходу первого повторителя напряжения, а третий и последующие информационные входы - к выходам одноименных повторителей напряжения, прямые выходы разрядов первого двоичного счетчика и прямой выход старшего разряда второго двоичного счетчика подключены к соответствующим цифровыми входам цифроаналогового преобразователя, аналоговый выход которого подключен к третьему входу регистратора информации, отличающееся тем, что в него введены аналоговый интегратор, третий детектор среднеквадратических значений, выполненный с фильтром нижних частот, четвертый, пятый и шестой аналоговые ключи, элементы 2х2И-ИЛИ, элемент НЕ, три резистора и конденсатор, регистратор информации снабжен четвертым входом, а генератор стабильных периодических импульсов снабжен вторым и третьим выходами, которые подключены к соответствующим первым входам элементов И элемента 2х2И-ИЛИ, второй вход первого элемента И которого подключен к первому дополнительно введенному старшему разряду второго двоичного счетчика, первый и второй младшие разряды которого подключены к соответствующим дополнительно введенным младшим разрядам цифроаналогового преобразователя, второй вход второго элемента И элемента 2х2И-ИЛИ соединен с выходом элемента НЕ, вход которого подключен к первому дополнительно введенному старшему разряду второго двоичного счетчика, второй дополнительно введенный старший разряд которого подключен к управляющему входу четвертого аналогового ключа, вход которого объединен с входом пятого аналогового ключа и подключен через первый резистор к аналоговому выходу цифроаналогового преобразователя, подключенному через второй резистор к выходу четвертого аналогового ключа, управляющий вход пятого аналогового ключа подключен к выходу элемента 2х2И-ИЛИ, а выход подключен через третий резистор к общей шине и через конденсатор к последней входной шине, шестой аналоговый ключ подключен параллельно фильтру нижних частот третьего детектора среднеквадратических значений, управляющий вход шестого аналогового ключа соединен с выходом второго элемента ИЛИ, выход второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключен через аналоговый интегратор к входу третьего детектора среднеквадратических значений, выход которого подключен к четвертому входу регистратора информации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аналоговый интегратор выполнен на полосовом фильтре, добротность и коэффициент усиления которого не более единицы, а крутизна спада более 6 дБ/окт.

РИСУНКИ

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