ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DIGITAL METER OF SINUSOIDAL VOLTAGE PARAMETERS

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано при построении цифровых измерителей среднеквадратического, средневыпрямленного и амплитудного значений синусоидальных сигналов.
Известные измерители параметров синусоидального напряжения чаще всего строятся по схеме, состоящей из аналогового преобразователя синусоидального напряжения в постоянное и измерителя постоянного напряжения, представляющего собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) [Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах / Под общей редакцией Б.Н. Тихонова - М.: Горячая линия-Телеком, 2007, стр. 160-161, рис. 7.9, 7.10]. Во входном аналоговом преобразователе исследуемое переменное напряжение синусоидальной формы преобразуется в постоянное, как правило, путем его двухполупериодного выпрямления, после чего полученное средневыпрямленное значение преобразуют в цифровой вид, а конечный результат представляют после перемножения цифрового кода средневыпрямленного напряжения на постоянный коэффициент, зависящий от того, какой из параметров (среднеквадратическое или амплитудное значение) следует измерить, например, для получения среднеквадратического значения средневыпрямленное умножают на
Существенным недостатком измерителя является необходимость выполнения аналоговой операции преобразования переменного напряжения в постоянное, от точности которой зависит конечный результат, а также необходимость выполнения арифметических операций перемножения на постоянные коэффициенты.
В качестве прототипа выбрано устройство, в которое входят два аналоговых компаратора, синхронизатор, измеритель временных интервалов и функциональный преобразователь. Первые входы аналоговых компараторов объединены и составляют вход устройства, второй вход первого аналогового компаратора является входом порогового уровня, второй вход второго аналогового компаратора соединен с шиной нулевого потенциала, выход первого аналогового компаратора соединен со входом синхронизатора, выход которого соединен с управляющим входом измерителя временных интервалов, информационный вход которого соединен с выходом второго аналогового компаратора, выходы измерителя временных интервалов соединены с соответствующими входами функционального преобразователя, выход которого является выходом устройства [Пат. RU 2229138. Опубл. 20.05.2004. Бюл. №14]. Устройство реализует способ, в основе которого лежит принцип определения амплитудного значения сигнала по измерению временного интервала между двумя точками полуволны, имеющими равные значения. Способ позволяет получать информацию о значениях исследуемого напряжения путем измерений только во временной области, исключая таким образом операцию амплитудно-цифрового преобразования напряжения. В то же время его недостатком, ограничивающим применение, является необходимость выполнения относительно сложной арифметической операции вычисления значения тригонометрической функции, связывающей измеренный временной интервал с оцениваемым напряжением. Кроме того, чувствительность способа зависит от выбора уровня, на котором измеряют временной интервал между одноименными точками, что на практике приводит к ограничению реального диапазона измерений.
Недостатки устройства обусловлены недостатками способа, это прежде всего необходимость применения функционального преобразователя, служащего для вычисления значений тригонометрических функций, то есть относительная сложность реализации и ограниченный диапазон измерений.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит главным образом в упрощении устройства и расширении диапазона измерений.
Технический результат достигается тем, что цифровой измеритель параметров синусоидального напряжения, согласно изобретению, содержит формирователь импульсов, два формирователя временных интервалов, работающих потактно, логический элемент ИЛИ, аналого-цифровой преобразователь и блок усреднения, выход которого является выходом измерителя, информационным входом которого является вход формирователя импульсов, к выходу которого подключены объединенные информационные входы формирователей временных интервалов, выходы которых соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со входом блока усреднения, информационный вход аналого-цифрового преобразователя объединен со входом формирователя импульсов.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип измерений. На фиг. 2 представлена обобщенная функциональная схема измерителя. На фиг. 3 представлена функциональная схема одного из возможных вариантов реализации измерителя, включая функциональные схемы формирователей временных интервалов, а на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия измерителя по фиг. 3.
RMS
Временные диаграммы (фиг. 1) содержат входной u(t) синусоидальный сигнал с постоянным периодом Т и среднеквадратическим значением U, а также короткие импульсы выборки х(t), соответствующие 1-му и 2-му тактам измерений (тактовые импульсы С на выходах формирователей временных интервалов).
Функциональная схема по фиг. 2 содержит аналоговый формирователь 1 импульсов, формирователи 2, 3 временных интервалов, логический элемент ИЛИ 4, АЦП 5 и блок 6 усреднения, выход которого является выходом измерителя, входом u(t) которого является вход формирователя 1, выход которого соединен с объединенными информационными входами формирователей 2, 3 временных интервалов, выходы которых соединены с соотвествующими входами элемента ИЛИ 4, выход которого соединен с тактовым входом С АЦП 5, информационный вход DI которого объединен со входом формирователя 1, а выход соединен со входом блока 6 усреднения, первые и вторые тактовые входы формирователей 2, 3 объединены и составляют первый CLK1 и второй CLK2 тактовые входы измерителя.
Функциональная схема по фиг. 3 содержит формирователь 7 импульсов, первый формирователь 8 временных интервалов, второй формирователь 9 временных интервалов, элемент ИЛИ 10 и АЦП 11. Информационные входы формирователей 8, 9 объединены и подключены к выходу формирователя 7 импульсов, вход которого объединен с информационным входом DI АЦП 11, тактовый вход С которого соединен с выходом элемента ИЛИ 10, входы которого соединены с выходами формирователей 8, 9. Формирователь 8 временных интервалов содержит счетный триггер 12-1, ZD-триггер 13-1, логические элементы И 14-1, 15-1 и реверсивный счетчик 16-1, выход переноса обратного счета PD которого является выходом формирователя, с которым соединен обнуляющий вход D-триггера 13-1, тактовый вход которого объединен с тактовым входом триггера 12-1 и является информационным входом формирователя, прямой выход триггера 12-1 соединен с первым входом элемента И 14-1, а инверсный - с первым входом элемента И 15-1, второй вход которого соединен с выходом D-триггера 13-1, D-вход которого является входом фиксированного уровня логической единицы, второй и третий входы элементов И 14-1 и 15-1 соответственно служат тактовыми входами CLK1 и CLK2, выход элемента И 14-1 соединен со входом прямого счета CU (суммирующий вход) счетчика 16-1, а выход элемента И 15-1 - со входом обратного счета CD (вычитающий вход) счетчика 16-1, разрядные выходы которого составляют выход Т измерения периода исследуемого сигнала. Формирователь 9 временных интервалов содержит счетный триггер 12-2, D-триггер 13-2, логические элементы И 14-2, 15-2 и реверсивный счетчик 16-2, выход переноса обратного счета PD которого является выходом формирователя, с которым соединен обнуляющий вход D-триггера 13-2, тактовый вход которого объединен с тактовым входом триггера 12-2 и является информационным входом формирователя, инверсный выход триггера 12-2 соединен с первым входом элемента И 14-2, а прямой - с первым входом элемента И 15-2, второй вход которого соединен с выходом D-триггера 13-2, D-вход которого является входом фиксированного уровня логической единицы, второй и третий входы элементов И 14-2 и 15-2 соответственно служат тактовыми входами CLK1 и CLK2, выход элемента И 14-2 соединен со входом прямого счета CU (суммирующий вход) счетчика 16-2, а выход элемента И 15-2 - со входом обратного счета CD (вычитающий вход) счетчика 16-2.
RMS
Временные диаграммы (фиг. 4) содержат входной u(t) синусоидальный сигнал с периодом Т и среднеквадратическим значением U, импульсы S на выходе формирователя 7, импульс Q1 на выходе триггера 12-1, пакет счетных импульсов CU на входе прямого счета реверсивного счетчика 16-1, импульс Q2 на выходе триггера 13-1, пакет счетных импульсов CU на входе обратного счета реверсивного счетчика 16-1 и импульс C(PD) на выходе переноса счетчика 16-1.
В основе алгоритма функционирования заявленного измерителя лежит взаимосвязь параметров синусоидального напряжения u(t), к которым относятся среднеквадратическое значение, средневыпрямленное и амплитудное, с фазой синусоиды. Всегда можно найти фазу φ, при которой для всех n (n=1, 2, 3, …) будет соблюдаться равенство:
- между среднеквадратическим значением синусоиды и модулем ее мгновенного значения, соответствующего фазе φ
- между средневыпрямленным значением и модулем ее мгновенного значения, соответствующего фазе φ
- между амплитудным значением и модулем ее мгновенного значения, соответствующего фазе φ
RMS
|AVG|
Следовательно, отсчет с началом любой полуволны временного интервала, соответствующего заданной фазе, по сути определяет момент достижения синусоидой мгновенного значения u(f), равного измеряемому параметру. В частности, при  будет справедлива запись (1), при  будет справедлива запись (2), а при  - запись (3). Таким образом для измерения среднеквадратического значения U синусоидального напряжения следует сформировать временной интервал, привязанный к началу полуволны и равный 778, для измерения средневыпрямленного U - Т/9,1, для измерения амплитудного U- Г/4.
RMS.
На графиках по фиг. 1 показан пример определения среднеквадратического значения U Цикл единичного измерения состоит из двух тактов, в каждом такте на первом этапе происходит измерение периода Т, и по результатам измерения T - на втором этапе - формирование временного интервала T/8, начало которого совпадает с началом положительной полуволны следующего периода, как показано на фиг. 1. При этом начало каждого очередного такта совпадает с началом очередной положительной полуволны, а заканчивается такт по завершении формирования упомянутого временного интервала. Причем длительность каждого такта, как несложно видеть из графиков, составляет T+T/8, и они перекрываются во времени. Наличие двух тактов позволяет ускорить процесс измерений, поскольку одновременно с формированием временного интервала, размеры которого определены по результатам измерений периода в первом такте, происходит измерение периода во втором такте. Таким образом, при наличии двух физически независимых блоков, выполняющих указанные операции и работающих потактно, но с перекрытием во времени, удается реализовать алгоритм, позволяющий получать оценку искомого мгновенного значения в каждом периоде.
Принцип действия цифрового измерителя (см. фиг. 2) сводится к следующему.
*
Входной сигнал - синусоидальное напряжение u(t) - поступает на вход формирователя 1 импульсов, где происходит его клиппирование, после чего импульсы, начало которых определяет начало положительных волн, поступают на информационные входы одновременно двух формирователей 2, 3 временных интервалов. Указанные формирователи временных интервалов работают поочередно, потактно: во время первого периода измеряет значение T верхний по схеме формирователь 2, во время второго периода - нижний по схеме формирователь 3 (формирователь 2 в это время непосредственно формирует временной интервал), далее, во время действия третьего периода значение T измеряет верхний по схеме формирователь 2 (формирователь 3 в это время непосредственно формирует следующий временной интервал) и т.д. По окончании формирования временных интервалов на выходах формирователей 2, 3 поочередно с периодом T вырабатываются импульсы выборки, подаваемые через элемент ИЛИ 4 на тактовый вход АЦП 5, в результате последний оцифровывает и запоминает отсчет напряжения u(t), соответствующий значению исследуемого параметра. Отсчеты, полученные указанным образом, поступают в блок 6 усреднения, служащий для получения оценки как результата усреднения единичных измерений за выбранное количество периодов, задаваемых блоком усреднения. В общем случае, принимая во внимание равенства (1)-(3) и полагая, что за один период Т берется один отсчет мгновенного значения сигнала, результат измерений u можно показать в виде следующей суммы:
где М - количество периодов исследуемого синусоидального напряжения, участвующих в усреднении;
x
t - формируемый в блоках 2, 3 временной интервал, причем:
при  т.е. находится оценка среднеквадратического значения напряжения;
при  - оценка средневыпрямленного значения;
при  - оценка амплитудного значения.
RMS
|AVG|
Формирователи 2, 3 строятся по идентичным схемам, за исключением цепей, обеспечивающих потактный режим работы (см. ниже) и управляются едиными последовательностями тактовых импульсов CLK1 и CLK2, необходимыми для отсчета и формирования временных интервалов. Частота следования импульсов в первой последовательности CLK задает точность оценки периода Т. Отношение указанных частот определяет длительность формируемого временного интервала и, следовательно, режим измерений. Перевод измерителя в режим измерения одного из возможных параметров синусоидального напряжения U, U и U происходит путем изменения значения формируемого временного интервала, как было указано выше.
1
2
Поясним отмеченное на примере реализации формирователей временных интервалов, представленных в измерителе, функциональная схема которого приведена на фиг. 3 (блок усреднения в данном случае на схеме не показан, так как его отсутствие не влияет на дальнейшее изложение особенностей работы измерителя). В формирователе 7, как показано на временной диаграмме (см. фиг. 4), происходит клиппирование входного напряжения с выделением импульсов S, передние фронты которых определяют моменты перехода синусоиды через нуль. Полученные импульсы поступают на информационные входы формирователей 8, 9 временных интервалов. Учитывая, что формирователи 8, 9 идентичны, рассмотрим далее работу формирователя 8. Импульсы со входа формирователя поступают на вход счетного триггера 12-1 (T-триггер), который работает в режиме деления на два, выделяя таким образом импульсы (выход Q1) длительностью, равной периоду входных импульсов. Измерение длительности указанных импульсов - периода Т - осуществляется путем дискретного счета тактовых импульсов CLK1, поступающих с выхода элемента 2И 14-1 на вход прямого счета CU реверсивного счетчика 16-1. Счет заканчивается по отрицательному фронту импульса на прямом выходе (Q1) триггера 12-1, который (фронт) совпадает с моментом перехода синусоиды через нуль при изменении полярности с отрицательной на положительную, а появившийся при этом высокий логический уровень на инверсном выходе триггера 12-1 разрешает прохождение тактовых импульсов CLK2 на вход обратного счета CD реверсивного счетчика 16-1. При этом триггер 13-1 находится в состоянии высокого логического уровня на выходе (выход Q2), так как он был в это состояние переведен положительным фронтом импульса S. Таким образом запускается процесс отсчета требуемого временного интервала (в данном примере 778), значение которого задается как величиной Т, так и отношением периодов тактовых импульсов CLK1 Δt и CLK2 Δt, для получения временного интервала, в N раз меньшего периода Т, должно выполняться условие:  При измерении среднеквадратического значения N=8, средневыпрямленного - N=9,1 и амплитудного - N=4. По окончании обратного счета, фактически отсчета требуемого временного интервала, на выходе переноса PD счетчика 16-1 появляется перепад напряжений, который обнуляет триггер 13-1, в связи с чем прекращается подача тактовых импульсов CLK2 на вход CD счетчика 16-1, и на выходе переноса завершается формирование короткого импульса, отстоящего от начала полуволны на заданное режимом измерений время (в данном примере на 778) (см. фиг. 4) и служащего импульсом выборки C(PD) для АЦП 11. Добавим, что одновременно с оценкой амплитудных параметров устройство без добавления дополнительных цепей и блоков позволяет легко получать информацию и о периоде T исследуемого сигнала, так как код Т может сниматься с разрядных выходов счетчика 16-1 по завершении этапа измерения периода (см. фиг. 1).
Формирователь 9 временных интервалов работает аналогично, только со сдвигом во времени на период исследуемого сигнала. Технически это реализуется путем инвертированного, по отношению к формирователю 8, подключения выходов триггера 12-2 к элементам И 14-2, 15-2.
Для снижения влияния помех на процесс клиппирования исследуемого сигнала целесообразно в формирователь 1 (7) импульсов ввести петлю гистерезиса с выбором верхнего порога срабатывания в области, максимально приближенной к нулевому уровню, а нижний порог сместить в отрицательную область. При таком распределении пороговых уровней передний фронт сформированного импульса будет совпадать с началом положительной полуволны, а задний фронт окажется задержанным относительно момента окончания полуволны на время, зависящее от параметров сигнала (периода Т, амплитуды U) и значения нижнего порога. Однако это не приведет к искажению результатов измерений, поскольку информативным в нашем случае является только момент начала положительной полуволны.
Как видно из принципа действия заявленного измерителя, основная часть операций по нахождению оценки исследуемого параметра выполняется во временной области, и, в отличие от прототипа, не требуется выполнения сложных тригонометрических преобразований, что существенно упрощает структуру устройства, особенно в случае реализации многорежимного измерителя. Единственная арифметическая операция (см. формулу (4)), необходимая для усреднения результатов, - это суммирование отсчетов в накапливающем сумматоре, усреднение же результатов может легко производиться без операций деления путем накапливания результатов, число которых кратно 10. Что же касается диапазона измерений в амплитудной области, то он зависит только от разрядности применяемого АЦП и не связан с чувствительностью измерителя.