цифровой вольтметр

Формула изобретения

ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР, содержащий последовательно соединенные первый делитель напряжения, второй делитель напряжения, блок ключей, согласующий усилитель, усилитель и пьезоэлектрический дефлектор, квантующую линейку световодов, выходы которой оптически сопряжены с фотоприемниками блока фотоприемников, а также светодиод, оптический выход которого сопряжен через щелевую диафрагму и объектив с отражающей поверхностью пьезоэлектрического дефлектора, которая оптически сопряжена с входными торцами световодов, квантующей линейки световодов, последовательно соединенные первый дешифратор, шифратор и второй дешифратор, выходы которого подключены к управляющим входам блока ключей и к первой группе входов первого дешифратора, вторая группа входов которого соединена с соответствующими выходами блока фотоприемников, последовательно соединенные генератор импульсов и ключ, а также блок индикации, отличающийся тем, что в него введены регистр выхода и последовательно соединенные третий дешифратор, формирователь импульсов, счетчик импульсов, причем входы третьего дешифратора подключены к выходам блока фотоприемников, первый выход третьего дешифратора подключен к управляющему входу ключа, второй выход - к входу знакового разряда регистра выхода, вход обнуления которого соединен с выходом формирователя импульсов, счетный вход счетчика импульсов подключен к выходу ключа, входы регистра выхода соединены с соответствующими выходами шифратора, а выходы регистра выхода и счетчика импульсов являются выходами вольтметра и соединены с соответствующими входами блока индикации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике, и может быть использовано для измерений постоянного, переменного напряжений и импульсных электрических сигналов.

Прототипом заявляемого устройства является цифровой вольтметр, содержащий последовательно соединенные входной делитель напряжения, второй делитель напряжения, блок ключей, усилитель и пьезоэлектрический дефлектор, оптически сопряженный со светодиодом, квантующую линейку световодов, блок фотоприемников, последовательно соединенные первый дешифратор, шифратор, второй дешифратор, генератор импульсов, ключ и блок индикации.

Недостатком прототипа является то, что он измеряет только амплитуду входного сигнала, не измеряет длительность входного сигнала, имеющего одно и то же значение амплитуды.

Цель изобретения - измерение длительности сигнала одной и той же амплитуды.

Достижение цели расширяет область применения вольтметра. Предлагаемый вольтметр производит измерение и кодирование двух параметров сигнала: мгновенного значения амплитуды аналогового сигнала и длительности этого значения амплитуды с частотой дискретности, прямо пропорциональной крутизне изменения амплитуды сигнала (чем круче фронт, тем чаще кодирование).

На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого цифрового вольтметра; на фиг. 2 - плоскость входных зрачков квантующей линейки световодов.

Вольтметр содержит последовательно соединенные входной делитель 1 напряжения, второй делитель 2 напряжения, блок ключей 3, согласующий усилитель 4, усилитель 5 и пьезоэлектрический дефлектор 6, оптически сопряженный через объектив 7 и щелевую диафрагму 8 со светодиодом 9, содержит квантующую линейку 10 световодов, входами сопряженную с дефлектором 6, а выходы ее оптически сопряжены с фотоприемниками блока 11 фотоприемников, последовательно соединенные блок 12 первого дешифратора, блок 13 шифратора и блок 14 второго дешифратора, последовательно соединенные генератор 15 импульсов, ключ 16 и счетчик 20, третий дешифратор 18, формирователь 19 импульсов, регистр 21 выхода и блок 17 индикации.

Входной делитель 1 имеет входные зажимы со значениями 1, 10, 100, 1000 В и осуществляют масштабирование при измерении напряжения постоянного тока и напряжения переменного тока в полосе частот 20 Гц. . . 20 кГц. Общее сопротивление делителя 1 не менее 10 МОм. Измеряемая величина преобразуется им в величину не более 1 В. При измерении напряжения в полосе от 20 кГц до 2 МГц измеряемый сигнал и импульсы подаются на второй вход делителя 2, представляющий собой восьмиступенчатый делитель напряжения, частотно компенсированный до частоты 2 МГц, коэффициент передачи которого изменяется сигналом с второго дешифратора 14 при помощи размыкающих ключей блока 3, подключающих выход отдельных ступеней к входу согласующего усилителя 4. Ключи в блоке 3 открываются сигналом с дешифратора 14 и изменяют коэффициент передачи делителя 2, подключая выход соответствующей ступени делителя 2 к входу согласующего усилителя 4. Сигнал, усиленный усилителем 5, преобразуется в двоичный код дефлектором 6 и квантующей линейкой 10 световодов. Преобразование выполняется разверткой луча от светодиода 9 дефлектором 6 по плоскости входных зрачков линейки 10. Световой сигнал преобразуется фотоприемником блока 11 в электрический, который поступает на вход первого дешифратора 12. С дешифратора 12 сигнал поступает на соответствующий вход шифратора 13, который формирует на своих выходах двоичный код, соответствующий мгновенному значению измеряемого сигнала. Вольтметр не имеет преобразователя переменного напряжения в постоянное.

Пьезоэлектрический дефлектор 6 состоит из биморфного пьезоэлемента, на торце которого зеркальный отражатель. Световой луч на зеркальный отражатель приходит от светодиода 9. Диафрагмы 8 формирует луч в виде узкого прямоугольника шириной 0,8 диаметра входного зрачка световода линейки 10 и длиной 2 мм для облегчения юстировки. Дефлектор 6 под действием сигнала с усилителя 5 производит развертку луча по торцам световодов линейки 10. Квантующая линейка содержит 1024х2 шт световодов и два центральных (фиг. 2). Диаметр входного зрачка - 10 мкм. Разрешающая способность квантования - 10 мкм, что при кодировании только линейкой 10 составляет диапазон кодируемого сигнала 0,01024 В. Кодирование входного сигнала с участием второго дешифратора 14, блока 3 и делителя 2 расширяется до 17-разрядного кода. Диапазон сигнала на входе делителя 2 составляет от -1,3107 В до +1,3107 В (0,00001 2¹⁷). Первые 1024 световода в линейке 10 кодируют в 10-разрядный код сигнал положительной полярности, другие 1024 световода кодируют в 10-разрядный код сигналы отрицательной полярности. Каждый выходной торец световода оптически сопряжен с фотоприемником блока 11. Выходы фотоприемников подключены к соответствующим входным шинам первого дешифратора 12 и к соответствующим входам третьего дешифратора 18. Дешифратор 12 является двухкаскадным. На первый каскад подаются сигналы старших разрядов с второго дешифратора 14. Выходы дешифратора 12 подключены к соответствующим входам шифратора 13. Шифратор 13 является двухступенчатым и преобразует каждый сигнал с фотоприемника в двоичный код. Шифратор формирует 131070 двоичных чисел от 00000000000000000 до 10000000000000000. Дешифратор 14 является линейным, имеет 17 входов и 8 выходов. При поступлении с шифратора 13 кодов 0, 2¹⁰, 2¹¹, 2¹², 2¹³, 2¹⁴, 2¹⁵, 2¹⁶ на входы дешифратора 14 с соответствующего выхода его сигнал включает свой ключ в блоке 3, оставляя остальные ключи разомкнутыми. При пеpвичном включении (при отсутствии сигнала) на входы дешифратора 14 приходит код из одних нулей и сигнал с первого выхода дешифратора открывает первый ключ, который подключает к согласующему усилителю 4 первую ступень делителя 2, коэффициент передачи равен 1,0. При величине сигнала от 0 до 2¹⁰ коэффициент остается 1. При измеряемом сигнале от 2¹⁰ до 2¹¹ коэффициент 0,5; при сигнале от 2¹¹ до 2¹² 0,25; при 2¹² до 2¹³ - 0,125 и т. д. , при кодах от 2¹⁵ до 2¹⁶ - коэффициент 0,015625, при кодах свыше 2¹⁶ - 0,0078125.

Код с шифратора 13 в параллельном виде поступает в разряды регистра 21 выхода. Третий дешифратор 18 предназначен для формирования управляющего сигнала, поддерживающего ключ 16 в открытом состоянии, и выдачи импульса, обозначающего знак "-", при измерении сигнала отрицательной полярности. Сигнал знака "-" поступает в знаковый разряд регистра 21. В формировании управляющего сигнала для ключа 16 участвуют импульсы от всех фотоприемников блока 11, в формировании сигнала знака "-" участвуют сигналы только от тех 1024 фотоприемников, которые кодируют сигнал отрицательной полярности (фиг. 2). При развертке луча по входным торцам квантующей линейки 10 соответственно длительности сигнала при одной и той же амплитуде луч задерживается на одном входном торце. Пока луч на этом торце световода с его фотоприемника на вход дешифратора 18 поступает сигнал той же длительности. Без изменения длительности он передается в качестве управляющего сигнала на ключ 16, который находится на время длительности сигнала в открытом состоянии и пропускает импульсы с генератора 15 на счетный вход счетчика 20. В качестве ключа может быть применен элемент И. Генератор 15 генерирует тактовые импульсы с частотой 10 МГц. Счетчик 20 производит счет импульсов, пока не закроется ключ, т. е. пока луч не перейдет на входной торец другого световода. Формирователь 19 импульсов предназначен для формирования из переднего фронта управляющего сигнала выдачи U_выд нужной амплитуды и длительности в 0,1 мкс. С приходом нового управляющего сигнала с дешифратора 18 сигнал выдачи выдает содержимое счетчика 20 и обнуляет его разряды. Вместе с тем сигнал выдачи выдает и содержимое регистра 21. Коды сигнала амплитуды и длительности поступают на внешнее устройство регистрации измерений (или в какую-либо систему управления) и в блок 17 индикации, который высвечивает в десятичном коде два параметра сигнала: его амплитуду и длительность. Частота измерений задается изменения значений амплитуды измеряемого сигнала. Источником излучения взят светодиод АЛ107А излучения ИК-диапазона. Процесс измерения для напряжения постоянного тока, переменного тока и импульсов один и тот же.

Вольтметр работает следующим образом.

Измеряемый сигнал частотой от 0 до 20 кГц подается на вход делителя 1, после мастшабирования поступает на вход делителя 2 и через соответствующий ключ блока 3 и согласующий усилитель - на вход усилителя 5. Сигнал частотой свыше 20 кГц и импульсы подаются на второй вход делителя 2. С усилителя 5 сигнал поступает на дефлектор 6, который отклоняет луч светодиода 9 в соответствующий зрачок квантующей линейки 10. Световой импульс преобразуется фотоприемником блока 11 в электрический сигнал, поступающий далее на соответствующий вход дешифратора 12 и дешифратора 18. С дешифратора 12 он идет на соответствующий вход шифратора 13, который формирует двоичный код амплитуды сигнала. Код с шифратора 13 поступает в регистр 21 выхода и в дешифратор 14. С выхода дешифратора 18 выходят два импульса: с первого выхода сигнал управляет длительностью открытия ключа 16 и поступает в формирователь 19, с второго выхода (при измерении сигнала отрицательной полярности) является знаком "-" и поступает в знаковый разряд регистра 21 выхода. Формирователь 19 выдает сигнал U_выд, который выдает содержимое счетчика 20 и регистра 21 и обнуляет их разряды. Счетчик считает импульсы с генератора 15. С приходом в дешифраторы 12 и 18 следующего сигнала с другого фотоприемника блока 11 содержимое регистра 21 и счетчика 20 выдается на выход и в блок 17 индикации и производится кодирование следующего измерения.

Диапазон измерения сигналов 0 - 1000 В.

Минимальная измеряемая длительность сигнала 0,1 мкс и выше до постоянного тока. Погрешность вольтметра та же, что и прототипа: абсолютная 5 мкВ, относительная:

Код Диапазон ступени Относит.

делителя 2 погреш. , %

2¹⁰ 0-0,01024 0,0488

2¹¹ 0-0,02048 0,0244

2¹² 0-0,04096 0,0122

2¹³ 0-0,08192 0,0061

2¹⁴ 0-0,16384 0,0030

2¹⁵ 0-0,32768 0,0015

2¹⁶ 0-0,65536 0,0010

2¹⁷ 0-1,31070 0,0010

Технико-экономический эффект заявляемого вольтметра состоит в расширении области применения: в измерении наряду с амплитудой сигнала и его длительности и использовании вольтметра для измерения импульсов. На порядок и более увеличивается точность измерения импульсов, так, цифровой импульсный вольтметр В4-24 имеет погрешность 0,5% .

Предлагаемый цифровой вольтметр может быть использован для измерений постоянного и переменного напряжений и импульсных сигналов.