RU2267791C2

RU2267791C2 - Harmonic process amplitude meter (versions)

Info

Publication number: RU2267791C2
Application number: RU2004120498/28A
Authority: RU
Inventors: н Гарри Романович Аванес (RU); Гарри Романович Аванесян
Original assignee: Гарри Романович Аванесян
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2006-01-10

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: meter can be used for producing high-speed ac voltmeters, amplitude demodulators, amplitude analyzers etc. Principle of operation of meter is based on forming square-shaped pulses from measured sinusoidal voltage by means of comparator. Duration of pulses are determined by moments when sinusoidal pulses cross threshold level within limits of one half-wave. Amplitude of tested sinusoidal voltage is determined by number of pulses, total duration of pulses and pulse repletion period in functional converter.

EFFECT: improved precision of measurement.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано при построении вольтметров переменного напряжения, амплитудных демодуляторов, амплитудных анализаторов и др.The invention relates to the field of electrical radio measurements and can be used in the construction of AC voltmeters, amplitude demodulators, amplitude analyzers, etc.

Известен измеритель, содержащий аналоговое запоминающее устройство, дифференциатор, блок управления и цифровой вольтметр постоянного тока, вход которого соединен с выходом аналогового запоминающего устройства, вход которого является входом измерителя, выходом которого служит выход цифрового вольтметра постоянного тока, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, вход которого соединен с выходом дифференциатора, вход которого объединен со входом аналогового запоминающего устройства, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления [Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений. - М.: Энергоатомиздат, 1986, стр.217-218, рис.5.14].A known meter containing an analog storage device, a differentiator, a control unit and a digital DC voltmeter, the input of which is connected to the output of an analog storage device, the input of which is the input of the meter, the output of which is the output of a digital DC voltmeter, the control input of which is connected to the output of the control unit , the input of which is connected to the output of the differentiator, the input of which is combined with the input of the analog storage device, the control input of which is key to the output of the control unit [Kulikovsky K.L., Cooper V.Ya. Methods and means of measurement. - M .: Energoatomizdat, 1986, pp. 217-218, Fig. 5.14].

Измеритель работает по принципу преобразования переменного напряжения в постоянное и далее измерения непосредственно постоянного напряжения, значение которого предполагается равным амплитуде исследуемого переменного (гармонического) напряжения. При этом точность измерения в значительной степени зависит от точности выделения аналоговым запоминающим устройством амплитудного значения процесса и от способности сохранять его неизменным в течение цикла измерений, что следует отнести к недостатку измерителя. Другим недостатком измерителя является необходимость использования в его структуре автономного вольтметра постоянного тока, который собственно и измеряет напряжение и вносит дополнительные погрешности, величина которых определяется совершенством его конструкции. В целом, в структурном отношении измеритель получается достаточно сложным и содержит ответственные аналоговые узлы, в значительной степени влияющие на результат измерений. Кроме того, принцип действия измерителя не предусматривает вычисление средних и среднеквадратических значений исследуемых процессов.The meter works on the principle of converting AC voltage to DC and then measuring directly DC voltage, the value of which is assumed to be equal to the amplitude of the investigated AC (harmonic) voltage. Moreover, the accuracy of the measurement largely depends on the accuracy of the selection of the amplitude value of the process by an analog storage device and on the ability to keep it unchanged during the measurement cycle, which should be attributed to the disadvantage of the meter. Another disadvantage of the meter is the need to use an autonomous DC voltmeter in its structure, which actually measures the voltage and introduces additional errors, the value of which is determined by the perfection of its design. In general, structurally, the meter turns out to be quite complex and contains critical analog nodes that significantly affect the measurement result. In addition, the principle of operation of the meter does not provide for the calculation of the average and rms values of the processes under study.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является измеритель, содержащий компаратор, измеритель длительности импульсов (состоящий из элемента 2И и счетчика) и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход компаратора, вход опорного напряжения которого является входом порогового уровня измерителя, выход компаратора соединен со входом измерителя длительности импульсов, выход которого подключен ко входу функционального преобразователя [Аванесян Г.Р. Метод измерения амплитуды гармонического процесса. - Москва, 2002. Рук. депонирована в ВИНИТИ РАН, 11 июня 2002 г., №1074 - В2002, стр.3-4, рис.2].The closest in technical essence and the achieved effect to the claimed invention is a meter containing a comparator, a pulse duration meter (consisting of element 2I and a counter) and a functional converter, the output of which is the output of the meter, the information input of which is the signal input of the comparator, the reference voltage input of which is the input of the threshold level of the meter, the comparator output is connected to the input of the pulse duration meter, the output of which is connected to an ode to a functional converter [G. Avanesyan Method for measuring the amplitude of a harmonic process. - Moscow, 2002. Hands. deposited at VINITI RAS, June 11, 2002, No. 1074 - V2002, pp. 3-4, Fig. 2].

Недостатком прототипа является невысокая точность измерений.The disadvantage of the prototype is the low accuracy of the measurements.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении точности измерения амплитуды гармонических процессов.The technical result achieved using the present invention is to improve the accuracy of measuring the amplitude of harmonic processes.

Технический результат достигается тем, что в измеритель амплитуды гармонических процессов (вариант 1), содержащий компаратор, измеритель длительности импульсов и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход компаратора, вход опорного напряжения которого является входом порогового уровня измерителя, выход компаратора соединен со входом измерителя длительности импульсов, выход которого подключен к первому входу функционального преобразователя, согласно изобретению введен измеритель количества импульсов, измеритель длительности импульсов служит для измерения суммарной длительности импульсов, функциональный преобразователь является двухвходовым устройством, второй вход которого соединен с выходом измерителя количества импульсов, вход которого соединен с выходом компаратора.The technical result is achieved by the fact that in the harmonic amplitude meter (option 1), comprising a comparator, a pulse width meter and a functional converter, the output of which is the output of the meter, the information input of which is the signal input of the comparator, the reference voltage input of which is the input of the threshold level of the meter, the output of the comparator is connected to the input of the pulse duration meter, the output of which is connected to the first input of the functional converter, with publicly invention, the number of pulses entered meter, pulse duration is a measure of the total pulse length, the function generator is a two-input device, the second input of which is connected with the output pulse number measuring instrument having an input connected to the output of the comparator.

Технический результат достигается тем, что в измеритель амплитуды гармонических процессов (вариант 2), содержащий компаратор, измеритель длительности импульсов и функциональный преобразователь, выход которого является выходом измерителя, информационным входом которого является сигнальный вход компаратора, вход опорного напряжения которого является входом порогового уровня измерителя, выход компаратора соединен со входом измерителя длительности импульсов, выход которого подключен к первому входу функционального преобразователя, согласно изобретению введены измеритель количества импульсов и измеритель периода следования импульсов, измеритель длительности импульсов служит для измерения суммарной длительности импульсов, функциональный преобразователь является трехвходовым устройством, второй вход которого соединен с выходом измерителя количества импульсов, вход которого соединен с выходом компаратора, третий вход функционального преобразователя соединен с выходом измерителя периода следования импульсов, вход которого соединен с выходом компаратора.The technical result is achieved by the fact that the harmonic amplitude measuring instrument (option 2) contains a comparator, a pulse width meter and a functional converter, the output of which is the output of the meter, the information input of which is the signal input of the comparator, the reference voltage input of which is the input of the threshold level of the meter, the output of the comparator is connected to the input of the pulse duration meter, the output of which is connected to the first input of the functional converter, with According to the invention, a pulse number meter and a pulse period meter are introduced, a pulse duration meter is used to measure the total pulse duration, the functional converter is a three-input device, the second input of which is connected to the output of the pulse quantity meter, the input of which is connected to the output of the comparator, the third input of the functional converter is connected with the output of the pulse period meter, the input of which is connected to the output of the comparator.

Сущность изобретения поясняется функциональными схемами и временными диаграммами.The invention is illustrated by functional diagrams and timing diagrams.

На фиг.1 приведена функциональная схема измерителя по первому варианту; на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие принцип измерения амплитуды; на фиг.3 - функциональная схема измерителя по второму варианту.Figure 1 shows the functional diagram of the meter according to the first embodiment; figure 2 is a timing diagram illustrating the principle of measuring amplitude; figure 3 is a functional diagram of a meter according to the second embodiment.

Измеритель амплитуды гармонических процессов по фиг.1 содержит компаратор 1, измеритель 2 количества импульсов, измеритель 3 суммарной длительности импульсов и функциональный преобразователь 4. Сигнальный вход компаратора является информационным входом устройства, на который подается измеряемый процесс u(t), вход опорного напряжения компаратора служит входом порогового уровня ΔU устройства, выходом которого является выход функционального преобразователя 4. Входы измерителей 2 и 3 объединены и подключены к выходу компаратора 1, выходы измерителей 2 и 3 подключены к соответствующим им входам функционального преобразователя 4.The harmonic amplitude meter of FIG. 1 contains a comparator 1, a pulse number meter 2, a total pulse duration meter 3 and a functional converter 4. The signal input of the comparator is the information input of the device to which the measured process u (t) is supplied, the reference voltage input of the comparator serves the threshold level input ΔU of the device, the output of which is the output of the functional converter 4. The inputs of meters 2 and 3 are combined and connected to the output of the comparator 1, the outputs of the meter Repeaters 2 and 3 are connected to the corresponding inputs of the functional converter 4.

Временные диаграммы (фиг.2) содержат измеряемый синусоидальный сигнал u(f)=Usinωt пороговый уровень ΔU (фиг.2а) и импульсы (фиг.2б) на выходе компаратора 1.Timing diagrams (Fig.2) contain the measured sinusoidal signal u (f) = Usinωt threshold level ΔU (Fig.2a) and pulses (Fig.2b) at the output of the comparator 1.

Измеритель амплитуды гармонических процессов по фиг.3 содержит компаратор 5, измеритель 6 количества импульсов, измеритель 7 суммарной длительности импульсов, измеритель 8 периода следования импульсов и функциональный преобразователь 9. Сигнальный вход компаратора 5 является информационным входом устройства, на который подается измеряемый процесс u(f), вход опорного напряжения компаратора служит входом порогового уровня ΔU устройства, выходом которого является выход функционального преобразователя 9. Входы измерителей 6, 7 и 8 объединены и подключены к выходу компаратора 5, выходы измерителей 6, 7 и 8 подключены к соответствующим им входам функционального преобразователя 9.The harmonic amplitude meter of FIG. 3 contains a comparator 5, a pulse number meter 6, a total pulse duration meter 7, a pulse period meter 8 and a functional converter 9. The signal input of the comparator 5 is the information input of the device to which the measured process u (f ), the input of the reference voltage of the comparator serves as the input of the threshold level ΔU of the device, the output of which is the output of the functional converter 9. The inputs of the meters 6, 7 and 8 are combined and connected to the output of the comparator 5, the outputs of the meters 6, 7 and 8 are connected to the corresponding inputs of the functional Converter 9.

Устройство по фиг.1 предназначено для измерения амплитуды U гармонического процесса Usinωt с известной частотой ω. В основе функционирования измерителя лежит принцип выделения компаратором 1 амплитудно-зависимых временных интервалов Δt_i (фиг.2а) и их оценка за некоторый промежуток времени, равный периодам исследуемого сигнала. За оценку Δt* принимают усредненное значениеThe device of figure 1 is intended for measuring the amplitude U of the harmonic process Usinωt with a known frequency ω. The functioning of the meter is based on the principle of allocation by the comparator 1 of amplitude-dependent time intervals Δt _i (Fig. 2a) and their evaluation over a certain period of time equal to the periods of the signal under study. For the estimate Δt * take the average value

Искомая величина U* - оценка амплитуды - вычисляется как функция от m и Δt* в функциональном преобразователе 4 по формулеThe desired value U * - the amplitude estimate - is calculated as a function of m and Δt * in the functional Converter 4 by the formula

где ΔU - фиксированный пороговый уровень, удовлетворяющий условию 0<ΔU<U. Неизвестные величины в вышеприведенной формуле: m - количество периодов и суммарная длительность выделенных временных интервалов

измеряются в блоках 2 и 3 соответственно.where ΔU is a fixed threshold level that satisfies the condition 0 <ΔU <U. Unknown values in the above formula: m - the number of periods and the total duration of the selected time intervals

measured in blocks 2 and 3, respectively.

Оценка амплитуды U при неизвестной частоте ω требует введения дополнительной операции измерения либо частоты ω, либо периода Т(Т=2π/ω). Устройство, показанное на фиг.3, отличается от вышерассмотренного наличием дополнительного блока, измеряющего период сигнала (фиг.2б) и предназначено для измерения амплитуды гармонических процессов с неизвестной частотой ω. Принцип действия этого устройства мало отличается от первого: компаратор 5, измеритель 6 и измеритель 7 выполняют те же функции, что и блоки 1, 2 и 3 соответственно. Пороговый уровень выбирается так же, как и в первом случае. Что же касается функционального преобразователя 9, то он рассчитан на работу с тремя операндами: m,

и Т. При этом зависимость выхода преобразователя 9 от его входов определяется выражениемEstimation of the amplitude U at an unknown frequency ω requires the introduction of an additional measurement operation of either frequency ω or period T (T = 2π / ω). The device shown in figure 3, differs from the above by the presence of an additional unit that measures the period of the signal (fig.2b) and is designed to measure the amplitude of harmonic processes with an unknown frequency ω. The principle of operation of this device differs little from the first: the comparator 5, meter 6 and meter 7 perform the same functions as blocks 1, 2 and 3, respectively. The threshold level is selected in the same way as in the first case. As for the functional converter 9, it is designed to work with three operands: m,

and T. In this case, the dependence of the output of the converter 9 on its inputs is determined by the expression

Чувствительность рассмотренных измерителей

определяется по формулеSensitivity of reviewed meters

determined by the formula

откуда видно, что S возрастает с повышением порогового уровня ΔU и, следовательно, ΔU необходимо выбирать в области значений, близких к измеряемой амплитуде U.whence it is seen that S increases with increasing threshold level ΔU and, therefore, ΔU must be chosen in the range of values close to the measured amplitude U.

Касаясь вопросов реализации измерителей, отметим, что точность измерений главным образом зависит от стабильности напряжения ΔU и от погрешности измерителя суммарной длительности импульсов. Кроме применения высокостабильных источников опорного напряжения следует предусмотреть еще и фильтрацию высокочастотных составляющих, сдвигающих во времени моменты срабатывания компараторов и искажающих таким образом выделяемые амплитудно-зависимые временные интервалы. Снижение погрешности измерителя 3 (7) достигается традиционным путем уменьшения дискрета измерений. Структуру измерителя 3 (7) также следует считать общеизвестной и в простейшем случае представляющей собой двоичный счетчик с подключенным к счетному входу выхода элемента 2И, на один вход которого подают информационные импульсы, а на другой - счетные. В отличие от измерителей длительностей одиночных импульсов в настоящей структуре счетчик не следует обнулять перед началом каждого очередного информационного импульса.Referring to the issues of implementation of meters, we note that the accuracy of measurements mainly depends on the voltage stability ΔU and on the error of the meter of the total pulse duration. In addition to the use of highly stable sources of reference voltage, filtering of high-frequency components should also be provided, which shift the response times of the comparators in time and distort the thus distinguished amplitude-dependent time intervals. Reducing the error of the meter 3 (7) is achieved in the traditional way by reducing the measurement discrete. The structure of meter 3 (7) should also be considered well-known and in the simplest case representing a binary counter with an output of element 2I connected to the counting input, to which information pulses are fed to one input, and counted pulses to the other. Unlike the single-pulse duration meters in the present structure, the counter should not be reset before the beginning of each next information pulse.

Claims

1. The harmonic amplitude meter comprising a comparator, a pulse width meter and a functional converter, the output of which is the output of the meter, the information input of which is the signal input of the comparator, the voltage reference of which is the threshold level input of the meter, the output of the comparator is connected to the input of the pulse duration meter, the output of which is connected to the first input of the functional converter, characterized in that a quantity meter is introduced into it pulse, the pulse width meter is used to measure the total pulse duration, the functional converter is a two-input device, the second input of which is connected to the output of the pulse quantity meter, the input of which is connected to the output of the comparator.

2. The harmonic amplitude meter, comprising a comparator, a pulse width meter and a functional converter, the output of which is the output of the meter, the information input of which is the signal input of the comparator, the voltage reference of which is the input of the threshold level of the meter, the output of the comparator is connected to the input of the pulse duration meter, the output of which is connected to the first input of the functional converter, characterized in that a quantity meter is introduced into it two pulses and a pulse period meter, a pulse duration meter is used to measure the total pulse duration, the functional converter is a three-input device, the second input of which is connected to the output of the pulse quantity meter, the input of which is connected to the output of the comparator, the third input of the functional converter is connected to the output of the period meter pulse repetition, the input of which is connected to the output of the comparator.