Измеритель параметров гармонических процессов

 

Использование: при построении быстродействующих цифровых вольтметров переменного напряжения, мультиметров, амплитудных и частотных демодуляторов и др. Технический результат заключается в возможности устройства одновременно измерять амплитуду и частоту гармонического процесса. Измеритель содержит два компаратора, счетчик, элемент 2И, функциональный преобразователь, синхронизатор, регистр, два элемента задержки и одновибратор. Принцип действия измерителя заключается в формировании из измеряемого синусоидального напряжения прямоугольных импульсов, длительности которых находятся в функциональной зависимости от амплитуды и частоты исследуемого напряжения. 4 ил.

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано при построении быстродействующих цифровых вольтметров переменного напряжения, мультиметров, амплитудных и частотных демодуляторов и др.

Известен измеритель параметров гармонических процессов, содержащий два компаратора, два одновибратора и измеритель временных интервалов, выход которого является выходом устройства, информационным входом которого являются объединенные сигнальный и опорный входы первого и второго компараторов соответственно, опорный вход первого компаратора и сигнальный вход второго компаратора являются входами первого и второго порогового уровня соответственно, выходы первого и второго компараторов подключены соответственно к входам первого и второго одновибраторов, выходы которых подключены соответственно к запускающему входу и входу остановки измерителя временных интервалов [Пат. РФ №2153679. Опубл. в БИ 2000 г., №21].

Недостатком устройства, как и метода, который оно реализует, является необходимость установки двух разнополярных пороговых уровней, имеющих одинаковый модуль. При этом нарушение равенства модулей указанных напряжений приводит к ошибке измерений. Учитывая, что на практике вместо абсолютного равенства модулей пороговых уровней можно достичь лишь приближенное равенство даже в отсутствие помех, а также учитывая, что при некоррелированных помехах дисперсия разности пороговых уровней будет определяться суммой дисперсий этих уровней, то несложно понять, что устройство обладает невысокой помехозащищенностью, а следовательно, и невысокой реальной точностью измерений. Кроме того, при изготовлении таких измерителей непременно должна возникнуть задача подбора компараторов с максимально близкими параметрами, так как неидентичность параметров компараторов так же, как и колебания разницы пороговых уровней, приведет к ошибке измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является измеритель, содержащий компаратор, элемент 2И, счетчик и функциональный преобразователь, выход которого служит выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход компаратора, выход которого соединен с первым входом элемента 2И, выход которого подключен к суммирующему входу счетчика, многоразрядный выход которого соединен с многоразрядным информационным входом функционального преобразователя, входом порогового уровня измерителя является вход опорного напряжения компаратора, а тактовым входом измерителя служит второй вход элемента 2И [Аванесян Г.Р. Метод измерения амплитуды гармонического процесса. - Москва, 2002. Рук. деп. в ВИНИТИ РАН, 11 июня 2002 г., №1074-В2002, стр. 3-4, рис.2].

К недостатку прототипа следует отнести ограниченные функциональные возможности: устройство не измеряет частоту исследуемого гармонического процесса и не позволяет измерять амплитуду этого процесса, если его частота априори неизвестна,

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей измерителя за счет измерения частоты гармонического процесса и его амплитуды при априори неизвестной частоте.

Технический результат достигается тем, что в известный измеритель параметров гармонических процессов, содержащий первый компаратор, элемент 2И, счетчик и функциональный преобразователь, выход которого служит выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход первого компаратора, выход которого соединен с первым входом элемента 2И, выход которого подключен к суммирующему входу счетчика, многоразрядный выход которого соединен с первым многоразрядным информационным входом функционального преобразователя, тактовым входом измерителя служит второй вход элемента 2И, согласно изобретению введены второй компаратор, синхронизатор, регистр, два элемента задержки и одновибратор, причем выход второго компаратора подключен к информационному входу синхронизатора, тактовый вход которого соединен с выходом элемента 2И, а выход синхронизатора подключен к тактовому входу регистра, многоразрядный выход которого подключен к второму многоразрядному информационному входу функционального преобразователя, вход записи которого подключен к выходу одновибратора, вход которого через первый элемент задержки подключен к выходу первого компаратора, многоразрядный информационный вход регистра соединен с многоразрядным выходом счетчика, обнуляющий вход которого через второй элемент задержки подключен к выходу одновибратора, сигнальный вход второго компаратора объединен с сигнальным входом первого компаратора, вход опорного напряжения которого соединен с общей шиной измерителя, а вход опорного напряжения второго компаратора является входом порогового уровня измерителя.

Сущность изобретения поясняется функциональными схемами и временными диаграммами.

На фиг.1 приведена функциональная схема измерителя; на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу измерителя; на фиг.3 - функциональная схема функционального преобразователя 5 (пример исполнения); на фиг.4 - функциональная схема синхронизатора 6 (пример исполнения).

Измеритель по фиг.1 содержит компараторы 1 и 2, счетчик 3, элемент 2И 4, функциональный преобразователь 5, синхронизатор 6, регистр 7, элементы 8 и 9 задержки и одновибратор 10. Сигнальные входы “+” компараторов 1 и 2 объединены и представляют собой информационный вход u(t) измерителя, вход “-” опорного напряжения компаратора 1 соединен с общей шиной, вход “-” опорного напряжения компаратора 2 является входом ΔU порогового уровня измерителя, выход компаратора 1 соединен с первым входом элемента 2И 4, выход которого подключен к суммирующему входу счетчика 3, многоразрядный выход которого соединен с первым многоразрядным информационным входом функционального преобразователя 5 и с многоразрядным информационным входом регистра 7, тактовый вход которого подключен к выходу синхронизатора 6, тактовый вход которого подключен к выходу элемента 2И 4, а информационный вход соединен с выходом компаратора 2, вход WR записи функционального преобразователя 5 подключен к выходу одновибратора 10, вход которого через элемент 8 задержки подключен к выходу компаратора 1, обнуляющий вход счетчика 3 через элемент 9 задержки подключен к выходу одновибратора 10, выход функционального преобразователя 5 служит выходом измерителя, тактовым входом CLK которого является второй вход элемента 2И 4.

Временные диаграммы (фиг.2) содержат: измеряемый синусоидальный сигнал

u(t)=U sin ωt,

где U - амплитуда;

ω - циклическая частота;

t - текущее время,

и пороговый уровень ΔU (фиг.2а); импульсы (фиг.2б) на выходе компаратора 1; импульсы (фиг.2в) на выходе компаратора 2; тактовые импульсы (фиг.2г) на суммирующем входе счетчика 3; текущий код (фиг.2д) на многоразрядном выходе счетчика 3; импульсы (фиг.2е) записи в функциональный преобразователь 5; импульсы (фиг.2ж) обнуления счетчика 3.

Функциональный преобразователь 5 (фиг.3) содержит буферный регистр 11 и ППЗУ 12, разрядные адресные входы которого соединены с соответствующими разрядными выходами регистра 11, группа младших разрядов многоразрядного входа DI которого является первым информационным входом функционального преобразователя 5, а группа старших разрядов - вторым информационным входом преобразователя 5, выходом которого является многоразрядный информационный выход DO ППЗУ 12, а входом WR записи преобразователя 5 служит тактовый вход регистра 11.

Синхронизатор 6 (фиг.4) содержит инвертор 13 и D-триггер 14, тактовый вход которого соединен с выходом инвертора 13, вход которого является тактовым входом С синхронизатора 6, информационным входом DI которого является D-вход D-триггера 14, выход которого служит выходом синхронизатора 6.

Принцип действия измерителя (фиг.1) состоит в следующем.

Измеряемый гармонический процесс u(t)=U sin ωt (фиг.2а) подается на вход u(t) устройства, откуда поступает на объединенные сигнальные входы компараторов 1 и 2. Так как вход опорного напряжения компаратора 1 соединен с общей шиной, имеющей нулевой потенциал, то на его выходе образуется последовательность импульсов (фиг.2б), длительность которых равна длительностям соответствующих полуволн измеряемого гармонического процесса u(t). Что же касается компаратора 2, то он формирует импульсы, длительность которых равна времени превышения сигналом u(t) заданного порога ΔU, причем U>ΔU (фиг.2в).

Сформированный на выходе компаратора 1 импульс (фиг.2б) поступает на первый вход элемента 2И 4 и разрешает счет счетчику 3 (фиг.2г), который генерирует код (фиг.2д), соответствующий длительности этого импульса (длительности полуволны). Одновременно счетчик 3 ведет отсчет времени t₁ - времени, необходимого сигналу u(t) для достижения назначенного уровня ΔU. В момент установления равенства u(t)=ΔU на выходе компаратора 2 образуется положительный фронт импульса (фиг.2в), который через синхронизатор 6 передается на тактовый вход регистра 7. Таким образом, в регистр 7 происходит запись кода, накопленного к этому времени счетчиком 3, Несложно видеть, что этот код будет соответствовать длительности интервала [0; t₁].

С окончанием действия импульса (фиг.2б) на выходе компаратора 1 одновибратор 10 по заднему фронту указанного импульса выдает короткий импульс (фиг.2е) записи WR кодов в функциональный преобразователь 5. При этом происходит перезапись кода с выхода регистра 7 (код интервала [0; t₁]) и кода с выхода счетчика 3, определяющего длительность полуволны, то есть значения полупериода Т/2 сигнала u(t)=U sin ωt. После чего в функциональном преобразователе 5 согласно формуле

вычисляется амплитудное значение U исследуемого напряжения u(t), а значение полупериода Т/2, определяющее частоту процесса, при необходимости снимается с разрядных выходов счетчика 3.

Через некоторый интервал времени τ₁ задаваемый элементом 9 задержки, происходит обнуление счетчика 3 (фиг.2ж) для подготовки измерителя к следующему циклу вычислений в течение очередной положительной полуволны. Время τ₁ выбирается таким образом, чтобы успели завершиться переходные процессы, связанные с записью операндов в функциональный преобразователь 5, τ₁ должно быть примерно в 1.5-2 раза больше времени записи информации в буферную память преобразователя 5. Для схемотехнического базиса ТТЛ эта величина составляет примерно 60 нс.

Элемент 8 задержки служит для смещения во времени момента окончания формирования последнего значения текущего кода на выходе счетчика 3 и момента начала перезаписи этого кода в преобразователь 5. Время τ₂ задержки элемента 8 выбирается исходя из динамических параметров счетчика 3 и элемента 2И 4. Для интегральных микросхем ТТЛ τ₂ может составлять (100-150) нс.

Функциональные преобразования вида (1) в блоке 5 (фиг.3) достаточно просто реализовать аппаратно-табличным методом путем записи в ППЗУ 12 набора возможных результатов оценки ∗ при заданном объеме значений t₁ и Т/2 исходя из дискрета вычислений указанных параметров. При k разрядах счетчика 3 адресный вход ППЗУ 12 должен содержать k разрядов для приема кода длительности полуволны Т/2 и k-1 разрядов для кода интервала [0; t₁]. Меньшее количество разрядов для последнего кода необходимо по той причине, что интервал [0; t₁] исходя из условия ΔU<U не может превышать T/4, следовательно, для его записи потребуется вдвое меньше объема памяти, чем для T/2, а значит для адресации этого сокращенного объема памяти потребуется на один разряд меньше. Таким образом, общее число разрядов адресного входа ППЗУ 12, а следовательно, и регистра 11 должно быть 2k-1. Все (2k-1) разрядов разбиваются на две группы: группу младших разрядов (k разрядов) и группу старших разрядов ((k-1) разрядов). Как видно из представленного, при k разрядах счетчика 3 в ППЗУ 12 записывают предварительно вычисленные 2^2k-1 значений функции (1) по адресам, двоичный код которых является комбинацией кодов аргументов функции (1).

Синхронизатор 6 необходим для предотвращения случайного попадания положительного фронта импульса на входе С регистра 7 в интервал времени, когда происходит смена состояний счетчика 3. В противном случае, то есть в отсутствие синхронизатора 6, в регистр 7 может записаться неопределенное состояние счетчика 3, в котором он находится в процессе смены состояний. Принцип действия синхронизатора 6 (фиг.4) состоит в том, что подаваемый на D-вход триггера 14 положительный перепад может появиться на его выходе только в том случае, если на тактовом входе С синхронизатора действует отрицательный фронт одного из тактовых импульсов CLK. Учитывая, что смена внутренних состояний счетчика 3 происходит под действием только положительных фронтов тактовых импульсов CLK, то, следовательно, к моменту начала формирования импульса на выходе синхронизатора 6 смена состояний счетчика 3 уже должна произойти. Разумеется, отмеченное будет справедливо, если еще и корректно выбран период тактирования t счетчика 3: t≥3t_зд.р.ср (t_зд.р.ср - среднее время задержки распространения: интервал времени, равный полусумме времен задержки распространения сигнала при включении и выключении счетчика), а тактовая последовательность представляет собой меандр.

Работа компараторов 1 и 2 происходит не в идеальной, а в реальной обстановке, когда неизбежно влияние помех, проявляющихся в появлении серии паразитных импульсов в области передних и задних фронтов импульсов, формируемых упомянутыми компараторами. Следовательно, необходимо учитывать влияние этого явления, напоминающего дребезг механических контактов, на конечный результат. В случае с импульсами, выдаваемыми компаратором 2, проблем возникать не должно, так как они используются лишь для определения момента t₁ с дискретом, заданным тактовой частотой, и практика показывает, что ошибка счета в таких случаях невелика. Более серьезная ситуация с импульсами на выходе компаратора 1, так как они используются как для обнуления счетчика 3, так и для записи информации в преобразователь 5. При возникновении в области среза импульса (фиг.2б) серии коротких паразитных импульсов в функциональный преобразователь 5 возможна многократная запись состояния счетчика 3, включая и его состояния после обнуления. Для исключения столь опасного воздействия паразитных импульсов длительность импульса, вырабатываемого одновибратором 10, выбирают больше времени действия всей серии паразитных импульсов. В этом случае на входы R счетчика 3 и WR преобразователя 5 будет подаваться всего один импульс, несмотря на присутствие серии импульсов.

Среднее и среднеквадратическое значения исследуемого переменного напряжения вычисляют из известной для гармонических процессов взаимосвязи между амплитудой и указанными величинами путем умножения найденного значения амплитуды (1) на соответствующий постоянный коэффициент, например, путем его задания в функциональном преобразователе 5.

Формула изобретения

Измеритель параметров гармонических процессов, содержащий первый компаратор, элемент 2И, счетчик и функциональный преобразователь, выход которого служит выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход первого компаратора, выход которого соединен с первым входом элемента 2И, выход которого подключен к суммирующему входу счетчика, многоразрядный выход которого соединен с первым многоразрядным информационным входом функционального преобразователя, тактовым входом измерителя служит второй вход элемента 2И, отличающийся тем, что в него введены второй компаратор, синхронизатор, регистр, два элемента задержки и одновибратор, причем выход второго компаратора подключен к информационному входу синхронизатора, тактовый вход которого соединен с выходом элемента 2И, а выход синхронизатора подключен к тактовому входу регистра, многоразрядный выход которого подключен к второму многоразрядному информационному входу функционального преобразователя, вход записи которого подключен к выходу одновибратора, вход которого через первый элемент задержки подключен к выходу первого компаратора, многоразрядный информационный вход регистра соединен с многоразрядным выходом счетчика, обнуляющий вход которого через второй элемент задержки подключен к выходу одновибратора, сигнальный вход второго компаратора объединен с сигнальным входом первого компаратора, вход опорного напряжения которого соединен с общей шиной измерителя, а вход опорного напряжения второго компаратора является входом порогового уровня измерителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4