RU2577549C2 - Method of measuring parameters of sinusoidal voltage and meter therefor (versions) - Google Patents
Method of measuring parameters of sinusoidal voltage and meter therefor (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2577549C2 RU2577549C2 RU2014136728/28A RU2014136728A RU2577549C2 RU 2577549 C2 RU2577549 C2 RU 2577549C2 RU 2014136728/28 A RU2014136728/28 A RU 2014136728/28A RU 2014136728 A RU2014136728 A RU 2014136728A RU 2577549 C2 RU2577549 C2 RU 2577549C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- input
- time interval
- output
- value
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/02—Measuring effective values, i.e. root-mean-square values
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и может быть использовано при построении цифровых измерителей среднеквадратического, средневыпрямленного и амплитудного значений синусоидальных сигналов.The invention relates to the field of electro-radio measurements and can be used in the construction of digital meters RMS, RMS and amplitude values of sinusoidal signals.
Известен способ, который достаточно широко используется в современных цифровых измерителях [Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах/ Под общей редакцией Б.Н. Тихонова - М.: Горячая линия - Телеком, 2007, стр. 160-161, рис. 7.10], согласно которому исследуемое переменное напряжение синусоидальной формы преобразуют 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 .A known method that is widely used in modern digital meters [Metrology and electro-radio measurements in telecommunication systems / Edited by B.N. Tikhonova - M .: Hot line - Telecom, 2007, p. 160-161, fig. 7.10], according to which the studied alternating voltage of the sinusoidal shape is converted to direct, as a rule, by its half-wave rectification, after which the obtained average straightened value is converted to digital form, and the final result is presented after the digital code of the average straightened voltage is multiplied by a constant coefficient, depending on which parameter (rms or amplitude) should be measured, for example, to obtain the rms rms multiplied by .
Недостатками способа являются 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. Разумеется, от аналоговой операции преобразования переменного напряжения в постоянное можно отказаться, преобразуя в цифровой код непосредственно переменное напряжение и реализовать таким образом в цифровом базисе алгоритм, непосредственно вытекающий из определений средневыпрямленного и/или среднеквадратического значений, см. например [Пат. RU 2298194. Опубл. 27.04.2007. Бюл. №12]. Однако такой подход требует выполнения еще большего количества арифметических операций, например, для получения среднеквадратического значения потребуется выполнить операции возведения в квадрат, суммирования, деления и извлечения квадратного корня.The disadvantages of the method are the need to perform the analog operation of converting AC voltage to DC, the accuracy of which determines the final result, as well as the need to perform arithmetic operations of multiplication by constant coefficients. Of course, the analog operation of converting AC voltage to DC can be abandoned by directly converting AC voltage to a digital code and thus implementing in an digital basis an algorithm that directly follows from the definitions of the mean-rectified and / or rms values, see for example [Pat. RU 2298194. Publ. 04/27/2007. Bull. No. 12]. However, this approach requires even more arithmetic operations, for example, to obtain the mean square value, you will need to perform the operations of squaring, summing, division and extraction of the square root.
В качестве прототипа выбран способ измерения параметров синусоидального напряжения, согласно которому для определения амплитудного значения измеряют интервал времени между двумя точками полуволны, имеющими равные значения, и далее вычисляют амплитудное или среднеквадратического значение по известной функциональной связи между измеренным временным интервалом и требуемым параметром [Пат. RU 2229138. Опубл. 20.05.2004. Бюл. №14]. 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, при фиксированном уровне, приводит к ограничению реального диапазона измерений.As a prototype, a method for measuring sinusoidal voltage parameters was selected, according to which, to determine the amplitude value, the time interval between two half-wave points having equal values is measured, and then the amplitude or root mean square value is calculated from the known functional relationship between the measured time interval and the required parameter [Pat. RU 2229138. Publ. 05/20/2004. Bull. No. 14]. The method allows to obtain information about the values of the investigated voltage by measuring only in the time domain, thus excluding the operation of the amplitude-digital voltage conversion. At the same time, its drawback limiting the application is the need to perform a relatively complex arithmetic operation to calculate the value of a trigonometric function that relates the measured time interval to the estimated voltage. In addition, the sensitivity of the method depends on the choice of the level at which the time interval between the same points is measured, which in practice, at a fixed level, limits the real measurement range.
В состав устройства-прототипа, реализующего известный способ, 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]. 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.The structure of the prototype device that implements the known method includes two analog comparators, a synchronizer, a time interval meter and a functional converter. The first inputs of the analog comparators are combined and make up the input of the device, the second input of the first analog comparator is a threshold level input, the second input of the second analog comparator is connected to the zero potential bus, the output of the first analog comparator is connected to the synchronizer input, the output of which is connected to the control input of the time interval meter, the information input of which is connected to the output of the second analog comparator, the outputs of the time interval meter are connected to the inputs of the functional Converter, the output of which is the output of the device [Pat. RU 2229138. Publ. 05/20/2004. Bull. No. 14]. The disadvantages of the device are due to the disadvantages of the method, first of all, the need to use a functional converter, which serves to calculate the values of trigonometric functions, that is, the relative complexity of the implementation and a limited measurement range.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит главным образом в упрощении реализации способа и расширении диапазона измерений.The technical result achieved using the present invention consists mainly in simplifying the implementation of the method and expanding the measurement range.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения параметров синусоидального напряжения, имеющего период Τ (вариант 1), согласно изобретению, в момент перехода напряжением нулевой отметки начинают отсчет заранее заданного временного интервала, в момент его окончания осуществляют выборку мгновенного значения напряжения, полученное абсолютное значение мгновенного значения напряжения является оценкой измеряемого параметра синусоидального напряжения.The technical result is achieved by the fact that in the method of measuring the parameters of a sinusoidal voltage having a period Τ (option 1), according to the invention, at the time of the zero voltage transition, a predetermined time interval is started, at the moment of its completion, the instantaneous voltage value is sampled, the absolute value obtained The instantaneous voltage value is an estimate of the measured parameter of the sinusoidal voltage.
Технический результат достигается также тем, что для реализации способа по варианту 1, в измеритель среднеквадратического значения синусоидального напряжения, содержащий аналоговый компаратор, первый вход которого является входом измерителя среднеквадратического значения синусоидального напряжения, согласно изобретению, введены аналого-цифровой преобразователь и формирователь временных интервалов, вход которого соединен с выходом аналогового компаратора, второй вход которого соединен шиной нулевого потенциала, выход формирователя временных интервалов соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого подключен ко входу измерителя среднеквадратического значения синусоидального напряжения, выходом которого является выход аналого-цифрового преобразователя.The technical result is also achieved by the fact that in order to implement the method according to
Технический результат достигается также тем, что в способе измерения параметров синусоидального напряжения, имеющего период Τ (вариант 2), согласно изобретению, в момент перехода напряжением нулевой отметки начинают отсчет заранее заданного временного интервала, в момент его окончания осуществляют выборку мгновенного значения напряжения, указанную процедуру повторяют n раз для n периодов с запоминанием полученных абсолютных значений мгновенных значений напряжения, для получения оценки измеряемого параметра синусоидального напряжения усредняют n абсолютных мгновенных значений.The technical result is also achieved by the fact that in the method for measuring the parameters of a sinusoidal voltage having a period Τ (option 2), according to the invention, at the time of the zero voltage transition, a predetermined time interval is started, at the moment of its completion, the instantaneous voltage value is selected, the specified procedure repeat n times for n periods with storing the obtained absolute values of the instantaneous voltage values, to obtain an estimate of the measured parameter of the sinusoidal voltage I average n absolute instantaneous values.
Технический результат достигается также тем, что для реализации способа по варианту 2, в измеритель среднеквадратического значения синусоидального напряжения, содержащий аналоговый компаратор, первый вход которого является входом измерителя среднеквадратического значения синусоидального напряжения, согласно изобретению, введены аналого-цифровой преобразователь, формирователь временных интервалов и блок усреднения, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход аналогового компаратора соединен с шиной нулевого потенциала, выход измерителя временных интервалов соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход которого подключен ко входу измерителя среднеквадратического значения синусоидального напряжения, выходом которого является выход блока усреднения.The technical result is also achieved by the fact that in order to implement the method according to
Технический результат достигается также тем, что в способе измерения параметров синусоидального напряжения (вариант 3), согласно изобретению, определяют период Τ синусоидального напряжения, далее в момент перехода напряжением нулевой отметки начинают отсчет заранее заданного временного интервала связанного с периодом Т, в момент его окончания осуществляют выборку мгновенного значения напряжения, полученное абсолютное значение мгновенного значения напряжения является оценкой измеряемого параметра синусоидального напряжения.The technical result is also achieved by the fact that in the method for measuring the parameters of the sinusoidal voltage (option 3), according to the invention, the period Τ of the sinusoidal voltage is determined, then at the time of the zero voltage transition, the countdown of the predetermined time interval associated with the period T is started, at the time of its completion sampling the instantaneous voltage value, the obtained absolute value of the instantaneous voltage value is an estimate of the measured parameter of the sinusoidal voltage.
Технический результат достигается также тем, что в способе измерения параметров синусоидального напряжения (вариант 4), согласно изобретению, определяют период Τ синусоидального напряжения, далее в момент перехода напряжением нулевой отметки начинают отсчет заранее заданного временного интервала связанного с периодом Т, в момент его окончания осуществляют выборку мгновенного значения напряжения, указанную процедуру повторяют n раз для η периодов с запоминанием полученных абсолютных значений мгновенных значений напряжения, для получения оценки измеряемого параметра синусоидального напряжения усредняют n абсолютных мгновенных значений.The technical result is also achieved by the fact that in the method for measuring the parameters of the sinusoidal voltage (option 4), according to the invention, the period Τ of the sinusoidal voltage is determined, then at the time of the zero voltage transition, the countdown of the predetermined time interval associated with the period T is started, at the time of its completion sampling of the instantaneous voltage value, this procedure is repeated n times for η periods with storing the obtained absolute values of the instantaneous voltage values, for Nia evaluation sinusoidal voltage measured parameter n averaged absolute values of instantaneous.
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, работающего с напряжением постоянной частоты, включая функциональную схему формирователя временных интервалов, а на фиг. 4 - функциональная схема измерителя напряжения произвольной частоты, включая функциональную схему формирователя временных интервалов, рассчитанного на работу с сигналами произвольной частоты. На фиг. 5 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип действия измерителя напряжения произвольной частотыThe invention is illustrated graphic material. In FIG. 1 is a timing chart explaining a measurement principle. In FIG. 2 presents a generalized functional diagram of the meter. In FIG. 3 shows a functional diagram of one of the possible embodiments of a meter operating with a constant frequency voltage, including a functional diagram of a time interval shaper, and in FIG. 4 is a functional diagram of a voltage meter of arbitrary frequency, including a functional diagram of a shaper of time intervals, designed to work with signals of arbitrary frequency. In FIG. Figure 5 shows timing diagrams explaining the principle of operation of a voltage meter of arbitrary frequency.
Временные диаграммы (фиг. 1) содержат входной a{t) синусоидальный сигнал с постоянным периодом Τ и изменяющейся амплитудой А, временные интервалы u(t) длительностью T/8 и T/4, а также короткие импульсы выборки С на выходе формирователя временных интервалов.Timing diagrams (Fig. 1) contain an input a (t) sinusoidal signal with a constant period Τ and a varying amplitude A, time intervals u (t) of duration T / 8 and T / 4, as well as short sampling pulses C at the output of the time interval shaper .
Функциональная схема по фиг. 2 содержит аналоговый компаратор 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, формирователь 3 временных интервалов и блок 4 усреднения, выход которого является выходом измерителя, входом a(t) которого является положительный (неинвертирующий) вход компаратора 1, отрицательный (инвертирующий) вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, выход компаратора 1 соединен со входом формирователя 3 временных интервалов, выход которого соединен с тактовым входом С АЦП 2, информационный вход DI которого объединен с положительным входом компаратора 1.The functional diagram of FIG. 2 contains an
Функциональная схема по фиг. 3 содержит аналоговый компаратор 5, АЦП 6, генератор 7 тактовых импульсов, триггер 8, логический элемент И 9, счетчик 10, цифровой компаратор 11, регистры 12 и 13 с высокоимпедансным состоянием выхода, входы разрешения выхода ОЕ которых являются входами выбора режима измерений RMS и МАХ соответственно, положительный вход которого является входом a(t) измерителя, выходом которого является выход АЦП 6, информационный вход DI которого объединен с положительным входом аналогового компаратора 5, выход которого соединен с тактовым входом С триггера 8, D-вход которого является входом логической «1», а обнуляющий вход R объединен с обнуляющим входом R счетчика 10 и подключен к выходу цифрового компаратора 11, первый информационный вход которого соединен с выходом счетчика 10, счетный вход CU которого соединен с выходом элемента 2И 9, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а второй вход - с выходом триггера 8, второй информационный вход цифрового компаратора 11 соединен с выходами регистров 12, 13, а к выходу компаратора 11 подключен тактовый вход АЦП 6. Элементы 7-13 образуют формирователь временных интервалов.The functional diagram of FIG. 3 contains an
Функциональная схема по фиг. 4 содержит аналоговый компаратор 14, АЦП 15, триггеры 16, 17, логические элементы 2И 18 и 3И 19, а также реверсивный счетчик 20, выход переноса обратного счета PD которого соединен с тактовым входом С АЦП 15, информационный вход DI которого объединен со входом аналогового компаратора 14, выход которого соединен с объединенными тактовыми входами С триггеров 16, 17, прямые выходы которых соединены с первыми входами элементов 2И 18 и 3И 19 соответственно, вторые входы которых являются входами тактовых импульсов CLK1 и CLK2 соответственно, третий вход элемента 3И 19 соединен с инверсным выходом триггера 16, выход элемента 2И 18 соединен со входом прямого счета CU (суммирующий вход) счетчика 20, а выход элемента 3И 19 - со входом обратного счета CD (вычитающий вход) счетчика 20, вход обнуления триггера 17 соединен с выходом переноса PD счетчика 20, а D-вход триггера 17 является входом логической единицы.The functional diagram of FIG. 4 contains an
Временные диаграммы (фиг. 5) содержат входной a{t) синусоидальный сигнал с периодом Г и среднеквадратическим значением ARMS, импульсы S на выходе компаратора 14, импульсы Q1 на выходе триггера 16, счетные импульсы CU на входе прямого счета реверсивного счетчика 20, импульсы Q2 на выходе триггера 17, пакеты счетных импульсов CD на входе обратного счета реверсивного счетчика 20 и импульсы C(PD) на выходе переноса счетчика 20.Timing diagrams (Fig. 5) contain an input a (t) sinusoidal signal with period G and RMS value A RMS , pulses S at the output of
Идея заявленного способа измерения параметров синусоидального напряжения, к которым относятся среднеквадратическое значение, средневыпрямленное и амплитудное, состоит в том, что искомое значение может быть выражено через фазу синусоиды, которая остается неизменной при изменении амплитуды А. Следовательно, отсчет с началом любой полуволны временного интервала, соответствующего заданной фазе, по сути определяет момент достижения синусоидой мгновенного значения a(t), равного искомому параметру Ах. Указанное иллюстрируется графиками по фиг. 1, где показаны временные интервалы длительностью T/8 и T/4 (см. фиг. 1, б и в) и соответствующие им мгновенные значения на фиг. 1, a. Искомое значение Ax при отсчете временного интервала с дискретом Δt и длительностью nΔt (n - целое число) определяется формулойThe idea of the claimed method for measuring the parameters of the sinusoidal voltage, which include the root mean square value, the average rectified and the amplitude, is that the desired value can be expressed through the phase of the sinusoid, which remains unchanged when the amplitude A changes. Therefore, the countdown from the beginning of any half-wave of the time interval, corresponding to a given phase, in fact, determines the moment the sinusoid reaches the instantaneous value a (t) equal to the desired parameter Ax. The above is illustrated by the graphs of FIG. 1, which shows time intervals of duration T / 8 and T / 4 (see FIG. 1, b and c) and their corresponding instantaneous values in FIG. 1, a. The desired value of A x when counting the time interval with a discrete Δt and duration nΔt (n is an integer) is determined by the formula
гдеWhere
- временной сдвиг, характеризующий конкретную полуволну с номером k; - time shift characterizing a specific half-wave with number k;
k=0, 2, 4, 6, … - для положительных полуволн;k = 0, 2, 4, 6, ... - for positive half-waves;
k=1, 3, 5, 7, … - для отрицательных полуволн;k = 1, 3, 5, 7, ... - for negative half-waves;
Δtx - погрешность привязки временного интервала nΔt к началу полуволны.Δt x is the error in the binding of the time interval nΔt to the beginning of the half-wave.
Для измерения среднеквадратического значения ARMS синусоидального напряжения интервал nΔt задают равным T/8 (см. фиг.1,б), для измерения амплитудного А - равным T/4 (см. фиг.1,в). При измерении средневыпрямленного значения A|AVG| следует исходить из отношения , следовательно указанное значение синусоидального напряжения будет соответствовать фазе φ = arcsin (2/π), что после вычислений и выражения в долях периода T дает значение, равное T/9,1 (arcsin (2/π)≈ 0,69), то есть nΔt = T/9,1For measuring the rms value of A RMS sinusoidal voltage, the interval nΔt is set to T / 8 (see Fig. 1, b), for measuring amplitude A, it is set to T / 4 (see Fig. 1, c). When measuring the average straightened value A | AVG | should be based on a relationship therefore, the indicated value of the sinusoidal voltage will correspond to the phase φ = arcsin (2 / π), which, after calculating and expressing in fractions of the period T, gives a value equal to T / 9.1 (arcsin (2 / π) ≈ 0.69), then there is nΔt = T / 9.1
По окончании формирования заданных временных интервалов генерируют короткий импульс С (см. фиг.1, г) передний фронт которого определяет момент выборки мгновенного значения а(t) напряжения, абсолютное значение которого в момент времени, соответствующий фазе, выбранной вышеприведенным путем, является оценкой измеряемого параметра синусоидального напряжения. Указанный импульс при схемотехнической реализации способа необходим для тактирования АЦП.At the end of the formation of the specified time intervals, a short pulse C is generated (see Fig. 1d), the leading edge of which determines the instant of sampling the instantaneous voltage value a (t), the absolute value of which at the moment of time corresponding to the phase chosen by the above method is an estimate of the measured sinusoidal voltage parameter. The specified impulse in the circuit implementation of the method is necessary for clocking the ADC.
Несложно понять, что в реальных условиях измерений присутствуют помехи, приводящие к ошибкам определения искомой фазы (положения импульса выборки С). В этом случае, допуская, что ошибки распределены по нормальному закону или другому с симметричной формой, целесообразным с точки зрения снижения погрешностей является усреднение результатов измерения мгновенных значений за серию полуволн, причем усреднять можно проводя измерения не только в каждом очередном периоде, но и в каждой полуволне, увеличивая, таким образом, в 2 раза количество полученных отсчетов.It is easy to understand that under real measurement conditions there are disturbances leading to errors in determining the desired phase (position of sample pulse C). In this case, assuming that the errors are distributed according to the normal law or another with a symmetrical shape, it is advisable from the point of view of reducing errors to average the results of measuring instantaneous values over a series of half-waves, and it is possible to average the measurements not only in each successive period, but also in each half-wave, thus increasing, by 2 times, the number of samples obtained.
Принцип действия измерителя, показанного на фиг.2, заключается в следующем. Входной синусоидальный сигнал а(t), представляющий собой измеряемое переменное напряжение, подается одновременно на вход аналогового компаратора 1 и АЦП 2, однако АЦП 2 тактируется строго в моменты времени, соответствующие достижению а(t) заданного значения, согласно рассматриваемому способу измерений, то есть в моменты времени tφ The principle of operation of the meter shown in figure 2, is as follows. The input sinusoidal signal a (t), which is the measured alternating voltage, is fed simultaneously to the input of the
гдеWhere
nΔt = Т/4 - при измерении амплитудного значения;nΔt = T / 4 - when measuring the amplitude value;
nΔt = T/8 - при измерении среднеквадратического значения;nΔt = T / 8 - when measuring the root mean square value;
nΔt = T/9,1 - при измерении средневыпрямленного значения. Моменты времени tφ отсчитываются в предположении, что точкой начального отсчета сигнал а{t) является нуль. Если же вести отсчет от начала полуволны, причем независимо какой, положительной или отрицательной, то моменты взятия выборок определяются окончанием интервала времени nΔt, который отсчитывается формирователем 3 от начала действия полуволны. По окончании отсчета интервала nΔt формирователь 3 вырабатывает импульс выборки, подаваемый на тактовый вход АЦП 2, в результате последний оцифровывает и запоминает отсчет напряжения а(tφ) до прихода на вход С следующего импульса. Отсчеты, полученные указанным образом, поступают в блок 4 усреднения, служащий для получения оценки искомого параметра как результата усреднения единичных измерений.nΔt = T / 9.1 - when measuring the average straightened value. The instants of time t φ are counted under the assumption that the signal a (t) is zero at the origin. If we count from the beginning of the half-wave, regardless of whether it is positive or negative, then the sampling times are determined by the end of the time interval nΔt, which is measured by the former 3 from the beginning of the half-wave action. At the end of the interval count nΔt, the shaper 3 generates a sampling pulse supplied to the clock input of the
Изменение длительности формируемого временного интервала позволяет переключать измеритель в режим измерения одного из возможных параметров синусоидального напряжения Аrms, А|AVG|, А. В качестве примера на фиг.3 показана схема измерителя с раскрытым формирователем временных интервалов, в котором предусмотрена возможность управления указанными интервалами. Запуск формирователя временных интервалов осуществляется по переднему фронту импульса на выходе компаратора 5, в связи с чем триггер 8 переходит в состояние логической «1» на выходе, и через логический элемент 2И 9 на счетный вход счетчика 10 начинают поступать тактовые (счетные) импульсы, вырабатываемые генератором 7. Текущий код на выходе счетчика 10 сравнивается с помощью компаратора 11 с одним из кодов, хранящихся в регистрах 12, 13. В первом из них хранится код величины T/8, во втором - величины T/4. В зависимости от того, какой из параметров АRMS или А следует измерить, на правый по схеме вход компаратора 11 подается код T/8 (регистр 12) или Т/4 (регистр 13). Переключение осуществляется подачей на один из входов RMS или МАХ разрешающего уровня ОЕ (Output Enable), необходимого для включения выхода выбранного регистра, оставляя в высокоимпедансном состоянии выход другого. В момент равенства кодов - текущего и хранящегося в одном из регистров 12, 13 - на выходе компаратора 11 появляется скачок напряжения, который возвращает триггер 8 в исходное состояние и обнуляет счетчик 10, после чего уровень сигнала на выходе компаратора И возвращается к прежнему. Таким образом формируется короткий импульс выборки С, подаваемый на вход АЦП 6.Changing the duration of the generated time interval allows you to switch the meter in the measurement mode of one of the possible parameters of the sinusoidal voltage A rms , A | AVG | , A. As an example, figure 3 shows a diagram of a meter with an open shaper time intervals, which provides the ability to control these intervals. The shaper of the time intervals is started on the leading edge of the pulse at the output of the
Необходимо отметить, что погрешность формирования временных интервалов может быть достаточно просто уменьшена путем выбора периода следования счетных импульсов Δt, кратного формируемому временному интервалу. Существенный вклад в погрешность измерений во временной области оказывает Δtx - нестабильность момента привязки начала временного интервала к моменту перехода синусоиды через нуль, что с одной стороны вызвано нестабильностью моментов срабатывания входного аналогового компаратора 5 (1), а с другой - случайным характером соотношения во времени момента перехода синусоиды через нуль и положением фронта ближайшего счетного импульса на выходе генератора 7. В частном случае погрешность определения среднеквадратического значения Ах, вызванная случайной ошибкой Δtx начала формирования временного интервала длительностью T/8, будет определяться из выражения It should be noted that the error in the formation of time intervals can be quite simply reduced by choosing the period of the counting pulses Δt, a multiple of the generated time interval. A significant contribution to the measurement error in the time domain is provided by Δt x - instability of the moment of linking the beginning of the time interval to the moment the sinusoid passes through zero, which on the one hand is caused by the instability of the response times of the input analog comparator 5 (1), and on the other hand, by the random nature of the time relationship the moment the sinusoid passes through zero and the position of the front of the nearest counting pulse at the output of the
а относительная погрешностьand relative error
Снижение погрешности ΔА достигается либо синхронизацией тактовых импульсов формирователя временных интервалов с моментом перехода синусоиды через нуль, то есть жесткой привязки фазы тактовых импульсов к нулевым значениям исследуемого напряжения, либо снижением периода Δt следования тактовых импульсов до значения, приводящего к допустимым погрешностям ΔА. В последнем случае следует исходить из того, что максимальное отклонение начала формируемого временного интервала от требуемого положения будет определяться дискретом Δt, в предположении, что задержка срабатывания цепей запуска формирователя временных интервалов пренебрежимо мала по сравнению с Δt.A decrease in the error ΔA is achieved either by synchronizing the clock pulses of the shaper of the time intervals with the moment the sinusoid passes through zero, that is, by tightly linking the phase of the clock pulses to zero values of the voltage under study, or by reducing the period Δt of the repetition of clock pulses to a value leading to permissible errors ΔA. In the latter case, one should proceed from the fact that the maximum deviation of the beginning of the generated time interval from the required position will be determined by the discrete Δt, on the assumption that the delay of operation of the start circuits of the shaper of the time intervals is negligible compared to Δt.
К отмеченному, касающемуся погрешностей измерений, следует добавить, что поскольку способ, в вышепредставленном виде, рассчитан на работу с синусоидальным напряжением известной и постоянной частоты, то отклонение частоты от заданной безусловно приведет к ошибкам измерений. В то же время при применении способа, в частности, для контроля сетевого напряжения частотой 50 Гц со среднеквадратическим значением 220 В, допустимое существующим ГОСТом максимальное отклонение частоты на 0,4 Гц приведет к относительной ошибке определения среднеквадратического значения не более 1%.To the noted regarding measurement errors, it should be added that since the method, in the form presented above, is designed to work with a sinusoidal voltage of known and constant frequency, the deviation of the frequency from the set will certainly lead to measurement errors. At the same time, when applying the method, in particular, to control the mains voltage of 50 Hz with a rms value of 220 V, the maximum frequency deviation of 0.4 Hz allowed by the existing GOST will lead to a relative error in determining the rms value of not more than 1%.
Из приведенных описания способа и функциональных схем измерителей (см. фиг. 1-3) видна как алгоритмическая, так и структурная простота заявленных решений, легкость получения оценки выбранного параметра и, как следствие, возможность создания простого, надежного и недорогого цифрового измерителя. Единственная арифметическая операция, 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, то он определяется только разрядностью применяемого АЦП.From the above descriptions of the method and functional diagrams of the meters (see Fig. 1-3), both the algorithmic and structural simplicity of the claimed solutions, the ease of obtaining an estimate of the selected parameter, and, as a result, the possibility of creating a simple, reliable and inexpensive digital meter are visible. The only arithmetic operation necessary for averaging the results is the summation of the samples in the accumulating adder, but the averaging of the results can easily be done without division operations by accumulating the results, the number of which is a multiple of 10. As for the measurement range, it is determined only by the bit depth of the applied ADC.
Для применения вышерассмотренного подхода в ситуациях, когда частота синусоидального напряжения не известна, требуется предварительное ее измерение и учет полученной информации в формирователе временных интервалов. Функциональная схема такого измерителя показана на фиг. 4 (без блока усреднения). Особенностью измерителя является формирователь временных интервалов, который позволяет задавать временные интервалы, зависящие от частоты поступающего на его вход клиппированого синусоидального напряжения a(t) (см. фиг. 5). Клиппирование осуществляется в аналоговом компараторе 14, который в данной схеме целесообразно реализовать с петлей гистерезиса, и выбором нижнего порога срабатывания максимально близкого к нулю. Это необходимо для однократного срабатывания компаратора 14 при приближении синусоиды к нулю в реальных условиях воздействия помех.To apply the above approach in situations where the frequency of the sinusoidal voltage is not known, its preliminary measurement and accounting of the received information in the shaper of time intervals is required. A functional diagram of such a meter is shown in FIG. 4 (without averaging block). A feature of the meter is a time interval generator, which allows you to set time intervals depending on the frequency of the clipped sinusoidal voltage a (t) supplied to its input (see Fig. 5). Clipping is carried out in an
Работа формирователя складывается из двух этапов, на первом осуществляется измерение периода Т, на втором - отсчет временного интервала, в частном случае, равного Т/8 (для упрощения изложения материала будем считать, что измеритель по фиг. 4 служит только для измерения среднеквадратического значения напряжения). В компараторе 14, как показано на временной диаграмме (см. фиг. 5), происходит клиппирование входного напряжения с выделением импульсов S (Signum), передние фронты которых определяют моменты перехода синусоиды через нуль. Указанные импульсы поступают на вход счетного триггера 16 (T-триггер), который работает в режиме деления на два, выделяя таким образом импульсы (выход Q1) с длительностью, равной периоду входных импульсов. Измерение длительности указанных импульсов - периода Т - осуществляется путем дискретного счета тактовых импульсов CLK1, поступающих с выхода элемента 2И 18 на вход прямого счета CU реверсивного счетчика 20. Счет заканчивается по отрицательному фронту импульса на прямом выходе (Q1) триггера 16, 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 16 разрешает прохождение тактовых импульсов CLK2 на вход обратного счета CD реверсивного счетчика 20. При этом триггер 17 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 T/8, значение которого задается как величиной Т, так и отношением периодов тактовых импульсов CLK1 Δt1 и CLK2 Δt2, для получения временного интервала в N раз меньшего периода Т должно выполняться условие: . При измерении среднеквадратического значения N=8, амплитудного N=4 и средневыпрямленного N=9,1. По окончании обратного счета, фактически отсчета требуемого временного интервала, на выходе переноса PD счетчика 20 появляется перепад напряжений, который обнуляет триггер 17, в связи с чем прекращается подача тактовых импульсов CLK2 на вход CD счетчика 20, на выходе переноса завершается формирование короткого импульса, отстоящего от начала полуволны на время, равное T/8 (см. фиг. 5), и служащего импульсом выборки C(PD) для АЦП 15.The operation of the shaper consists of two stages, the first measures the period T, the second measures the time interval, in the particular case equal to T / 8 (to simplify the presentation of the material, we assume that the meter in Fig. 4 serves only for measuring the rms voltage ) In the
Из описания принципа действия формирователя временных интервалов, показанного на фиг. 4, несложно понять, что для переключения режимов измерений следует менять отношение периодов N тактовых импульсов. В частности, это может быть осуществлено путем использования одного опорного генератора тактовых импульсов, частота которого в зависимости от режима измерений уменьшается в 8 или 4 раз. При этом опорная частота используется как частота тактирования последовательности CLK2, являясь частотой, определяющей дискрет, и соответственно, точность, формирования временного интервала, а частота последовательности CLK1, уменьшенная в N раз, используется для отсчета периода исследуемого синусоидального напряжения.From the description of the principle of operation of the time slot driver shown in FIG. 4, it is easy to understand that to switch the measurement modes, the ratio of the periods of N clock pulses should be changed. In particular, this can be done by using one reference clock generator, the frequency of which, depending on the measurement mode, is reduced by 8 or 4 times. In this case, the reference frequency is used as the clock frequency of the CLK2 sequence, being the frequency determining the discrete and, accordingly, the accuracy of the formation of the time interval, and the frequency of the CLK1 sequence, reduced by N times, is used to count the period of the studied sinusoidal voltage.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014136728/28A RU2577549C2 (en) | 2014-09-09 | 2014-09-09 | Method of measuring parameters of sinusoidal voltage and meter therefor (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014136728/28A RU2577549C2 (en) | 2014-09-09 | 2014-09-09 | Method of measuring parameters of sinusoidal voltage and meter therefor (versions) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014136728A RU2014136728A (en) | 2015-01-20 |
RU2577549C2 true RU2577549C2 (en) | 2016-03-20 |
Family
ID=53280846
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014136728/28A RU2577549C2 (en) | 2014-09-09 | 2014-09-09 | Method of measuring parameters of sinusoidal voltage and meter therefor (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2577549C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2615159C2 (en) * | 2016-02-24 | 2017-04-04 | Гарри Романович Аванесян | Method for measuring time interval and device variants of its implementation |
RU2773621C1 (en) * | 2021-06-15 | 2022-06-06 | Гарри Романович Аванесян | Method for determining the amplitude of pulses and a meter implementing it (options) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU181731A1 (en) * | Всесоюзный научно исследовательский институт Государственного | METHOD OF MEASUREMENT OF THE AMPLITUDE OF SINUSOIDAL VOLTAGE OF LOW AND INFRANIZED FREQUENCIES | ||
SU1132242A1 (en) * | 1983-09-30 | 1984-12-30 | Предприятие П/Я В-2015 | Method and device for measuring amplitude of infra low sine voltage |
SU1354122A1 (en) * | 1986-01-21 | 1987-11-23 | Предприятие П/Я А-1979 | Device for checking amplitude of a.c. voltage |
SU1732285A1 (en) * | 1990-03-30 | 1992-05-07 | Л.Н.Кузичев | Method of amplitude measuring for alternative signal |
RU2240567C2 (en) * | 1998-11-30 | 2004-11-20 | Эйбиби Пауэ Ти & Ди Компани Инк. | Method and system for measuring electrical parameters dependent on frequency |
-
2014
- 2014-09-09 RU RU2014136728/28A patent/RU2577549C2/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU181731A1 (en) * | Всесоюзный научно исследовательский институт Государственного | METHOD OF MEASUREMENT OF THE AMPLITUDE OF SINUSOIDAL VOLTAGE OF LOW AND INFRANIZED FREQUENCIES | ||
SU1132242A1 (en) * | 1983-09-30 | 1984-12-30 | Предприятие П/Я В-2015 | Method and device for measuring amplitude of infra low sine voltage |
SU1354122A1 (en) * | 1986-01-21 | 1987-11-23 | Предприятие П/Я А-1979 | Device for checking amplitude of a.c. voltage |
SU1732285A1 (en) * | 1990-03-30 | 1992-05-07 | Л.Н.Кузичев | Method of amplitude measuring for alternative signal |
RU2240567C2 (en) * | 1998-11-30 | 2004-11-20 | Эйбиби Пауэ Ти & Ди Компани Инк. | Method and system for measuring electrical parameters dependent on frequency |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Мелентьев В.С., Кожевникова Е.Г. Использование компарирования мгновенных значений периодических сигналов для определения их интегральных характеристик // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. - Самара, СамГТУ, 2010. -N7(28) - С. 225 - 228. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2615159C2 (en) * | 2016-02-24 | 2017-04-04 | Гарри Романович Аванесян | Method for measuring time interval and device variants of its implementation |
RU2773621C1 (en) * | 2021-06-15 | 2022-06-06 | Гарри Романович Аванесян | Method for determining the amplitude of pulses and a meter implementing it (options) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014136728A (en) | 2015-01-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108037348B (en) | Single-phase alternating current zero-crossing detection method | |
JP2010505124A (en) | Real-time spectrum trigger system on real-time oscilloscope | |
CN106645952B (en) | A kind of detection method and system of signal phase difference | |
CN101907656B (en) | Method for measuring phase difference of common-frequency signal with fixed phase drift | |
JP2001337121A (en) | Measurement device of quality yardstick for phase noise waveform and measuring method therefor | |
JP2019022237A (en) | Temporal digital converter with high resolution | |
RU2577549C2 (en) | Method of measuring parameters of sinusoidal voltage and meter therefor (versions) | |
WO2015044715A1 (en) | Low jitter pulse output for power meter | |
Petrovic | New digital multimeter for accurate measurement of synchronously sampled AC signals | |
JP5872794B2 (en) | Phase transient response measurement method | |
CN107430159B (en) | System and method for ripple-free AC power determination | |
TWI553319B (en) | Apparatus and Method Thereof of Determining Phase Sequence for Three Phase Power Supply | |
RU2582880C2 (en) | Digital meter of sinusoidal voltage parameters | |
RU2582848C2 (en) | Method of measuring mean-square values of sinusoidal voltage and meter therefor (versions) | |
JP6369866B2 (en) | Time measuring device | |
CN103197108B (en) | The equivalent sampling method of data collecting card | |
RU2577078C2 (en) | Digital meter for amplitude-frequency characteristics (versions) and special-purpose time interval former | |
Bernhard et al. | Error characterization of duty cycle estimation for sampled non-band-limited pulse signals with finite observation period | |
Bekirov et al. | Real time processing of the phase shift and the frequency by voltage signal conversion into the sequence of rectangular pulses | |
KR20170006067A (en) | Apparatus for estimating frequency of power system | |
RU2368910C1 (en) | Device for measurement of commercial frequency alternating current parametres | |
RU2229138C1 (en) | Meter measuring parameters of harmonic processes | |
RU2551788C2 (en) | Synchronisable phase shift meter | |
RU2645775C2 (en) | Method of measuring the relative time shift of impulses and the device for its implementation | |
RU2298194C1 (en) | Method of measurement of effective value of voltage in ac electric circuits |