SU1358093A1 - Stochastic voltage converter - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к устройствам измерени  напр жений с помощью цифровых измерительных приборов - вольтметров, аналого-цифровых преобразователей . Цель изобретени  - повышение точности измерени . Преобразователь содержит генератор 1 случайных чисел, цифровой вольтметр 2, входные шины 3,4, переключатель 5, 3 о управл емьй делитель 6 напр жени , вьтолненный на резисторах 7,8 и клю- че 9, регулируемый источник 10 опорного напр жени , цифроаналоговый преобразователь 11, а генератор i случайных чисел выполнен на генераторе 12 импульсов, ключе 13 и счетчике 14. В преобразователе использованы статистическа  минимизаци , погрешность от квантовани  за счет ведени  случайных сигналов. С помощью генератр- ра 1 случайных чисел, регулируемого источника 10 опорных напр жений и цифроаналогового преобразовател  11 устанавливаетс  максимальное значение величины случайного сигнала, равное максимальному значению предела измерени  цифрового вольтметра, производитс  измерение функции распределени  случайного сигнала, после чего его динамический диапазон уменьшаетс  в.определенное число раз и производ тс  многократные измерени  суммы случайного сигнала с измер емым напр жением. Результат вычисл етс  по формуле. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. i (Л оо ел 00 о х 00The invention relates to a measurement technique, in particular, to a device for measuring voltage using digital measuring instruments - voltmeters, analog-to-digital converters. The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy. The converter contains 1 random number generator, digital voltmeter 2, input buses 3.4, switch 5, 3 on the control voltage divider 6, implemented on resistors 7.8 and key 9, adjustable reference voltage source 10, digital-to-analog converter 11, and a random number generator i is made on a pulse generator 12, a key 13 and a counter 14. In the converter, a statistical minimization, quantization error due to tracking of random signals, is used. Using the random number generator 1, the adjustable source 10 of the reference voltages and the digital-to-analog converter 11, the maximum value of the random signal equal to the maximum limit value of the digital voltmeter is measured, the distribution function of the random signal is measured, after which its dynamic range is reduced. a number of times and repeated measurements of the sum of a random signal with a measured voltage are made. The result is calculated by the formula. 2 hp f-ly, 1 ill. i (L oo ate 00 about x 00

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к уст- ройства измерени  напр жений С помощью цифровых измерительных приборов - вольтметров, аналого-цифровых преобразователей.The invention relates to a measurement technique, in particular, to a voltage measurement device With the help of digital measuring devices - voltmeters, analog-to-digital converters.

Цель изобретени  - повышение точности измерени .The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy.

На чертеже приведена функциональна  схема преобразовател .The drawing shows the functional diagram of the Converter.

Преобразователь содержит генератор 1 случайных чисел, цифровой вольтметр 2, входные шины Зи 4,пере-, клЬчатель 5, управл емый делитель 6 напр жени , вьтолненный наорезистора 7 и 8 и ключе 9, регулируемый источник 10 опорного напр жени , цифро- аналоговьш преобразователь (ЦАП ) П. Генератор 1 случайных чисел выполнен на генераторе 12 импульсов, ключе 13 и счетчике 14.The converter contains 1 random number generator, digital voltmeter 2, input bus Z 4, overdrive 5, controlled voltage divider 6, outputted on resistor 7 and 8 and key 9, adjustable reference voltage source 10, digital-to-analog converter ( DAC) P. The random number generator 1 is made on the generator of 12 pulses, the key 13 and the counter 14.

Преобразователь работает следующим образом.The Converter operates as follows.

Измерение осуществл етс  в два этапа. Сначала определ етс  функци  распределени  случайных напр жений с выхода ЦАП 11 и производитс  уменьшение их амплитуд в определенное число раз. Дл  этого.переключатель 5 устанавливают в положение, при котором первый вывод резистора 8 делител  6 оказываетс  подключенным к входам вольтметра 2, а шина 4 источника измер емого напр жени  отключена. Ключ 9 замкнут , так что резистор 7 зашунтирован и коэффициент делени  делител  равен единице. После этого включаетс  вольтметр 2 и выходное напр жение ЦАП оказываетс  приложенным к входу вольтметра. Контролиру  по показани м вольтметра величины случайных напр жений, их максимально возможна  амплитуда устанавливаетс  равной верхнему пределу измерени  вольтметра. После этого производитс  многократное изменение Случайных напр жений (п раз) и их измерение вольтметром 2, в результате чего определ етс  функци  распределени  случайного напр жени  во всем динамическом диапазоне прибора.The measurement is carried out in two stages. First, the random voltage distribution function from the output of the DAC 11 is determined and their amplitudes are reduced by a certain number of times. For this purpose, the switch 5 is set to the position in which the first terminal of the resistor 8 of the divider 6 is connected to the inputs of the voltmeter 2, and the bus 4 of the source of the measured voltage is disconnected. The key 9 is closed, so that the resistor 7 is bridged and the division factor of the divider is equal to one. After this, the voltmeter 2 is turned on and the output voltage of the DAC is applied to the input of the voltmeter. Controlled by the voltmeter readings, the magnitude of the random voltages, their maximum possible amplitude is set equal to the upper limit of the voltmeter measurement. After this, the Random voltages are changed many times (n times) and measured by a voltmeter 2, as a result of which the random voltage distribution function is determined in the entire dynamic range of the instrument.

Затем размыкают ключ 9 и измен ют положение переключател  5. При этом цепь делител  6 включаетс  второй резистор 7, устанавливаетс  коэффициент делени  делител  4:Then the switch 9 is opened and the position of the switch 5 is changed. At the same time, the splitter circuit 6 turns on the second resistor 7, sets the split ratio of splitter 4:

Ri+Rii ,+ Rj.fnRi + Rii, + Rj.fn

n  n

К 1К 1K 1K 1

кto

гдеWhere

R,R - сопротивлени  первого 7 и второго 8 резисторов.R, R - resistances of the first 7 and second 8 resistors.

Напр жение с выхода ЦАП уменьшаетс  в п раз -и в сумме с .неизвестной измер емой величиной напр жени  U поступает на входы вольтметра 2.The voltage from the output of the DAC decreases in n times and in total with an unknown measurement value of the voltage U supplied to the inputs of the voltmeter 2.

При этом на выходе ЦАП вьфабаты- ваютс  случайные значени  напр жений с известной функцией распределени  F(U). Эти сигналы, уменьшенные по амплитуде в К раз с помощью делител  6, складываютс  с измер емой величиной U;, и измер ютс  вольтметром. По 5 результатам многократных измерений (п раз) определ етс  значение функции распределени  суммарного сигнала относительно одного выбранного уровн  кваггговани , например N-4U , где и г величина шага квантовани  цифрового вольтметра, И - код случайного числа на выходе генератора 1.In this case, at the DAC output, random values of voltages with a known distribution function F (U) are obtained. These signals, reduced in amplitude by K times with the help of divider 6, are added to the measured value U ;, and measured by a voltmeter. According to 5 results of repeated measurements (n times), the value of the distribution function of the total signal relative to one selected quagging level, for example, N-4U, is determined, where r is the quantization step of the digital voltmeter, and is the random number code at the generator 1 output.

Это значение функции распределени  равно веро тности того; что сум- марньш сигнал меньше уровн  , поэтому за значение уровн  можно выбрать показание вольтметра, которое мен етс  в процессе многократных измерений . Неизвестное измер емое напр жение Uy определ етс  по полученным значени м в соответствии с выражением0This value of the distribution function is equal to the probability of that; that the sum of the signal is less than the level, therefore, for the value of the level, you can choose a voltmeter reading, which varies during repeated measurements. Unknown measured voltage Uy is determined by the values obtained in accordance with the expression 0

5five

00

U,N..U,- ipf n-n;U, N..U, - ipf nn;

1Г1G

), (2)), (2)

1 /n-n где - F (1 / nn where - F (

полученное значение функции распределени  случайного сигнала с учетом . ее сжати  в К раз. Дл  того, чтобы не сужать динамический диапазон измер емых напр жений , амплитуды случайных сигналов должны быть достаточно малыми. В идеальном случае максимальна  амплитуда случайного сигнала должна быть равна шагу квантовани  AU( вольтметра 2, т.е., если на первом этапе на выходе ЦАП 11 выставлено максимальное значение напр жени , равное пределу вольтметра Ucy,. N Uj. , то делитель 6 должен обеспечить его уменьшение в К раз, так чтоthe obtained value of the distribution function of the random signal with regard to. compress it K times. In order not to narrow the dynamic range of the measured voltages, the amplitudes of the random signals must be sufficiently small. In the ideal case, the maximum amplitude of a random signal should be equal to the quantization step AU (voltmeter 2, i.e., if at the first stage the maximum voltage value set at the output of the DAC 11 is equal to the limit of the voltmeter Ucy. N Uj., Then divider 6 should ensure its decrease by K times so that

5five

UQ.M КUQ.M K

N,N,

ли,сwhether with

КTO

и,and,

(3)(3)

Условие (3 выполн етс ,если выбрать соотношение резисторов6 и 7The condition (3 is satisfied if you select the ratio of resistors 6 and 7

RL (4)RL (4)

R, UK. R, UK.

Число измерений п, необходимых дл  первоначального определени  функции распределени  случайных сигналов а, также число многократных измерений п дл  определени  неизвестного напр жени  выбираютс  из общих, известных требований к измерению характеристик случайных величин..Как правило п, Пй 30-100,The number of measurements p required to initially determine the distribution function of random signals a, and the number of repeated measurements p to determine the unknown voltage are selected from the general, well-known requirements for measuring the characteristics of random variables. As a rule, P, P 30–100,

Выработка случайных напр жений производитс  с помощью генератора 1 случайных чисел и ЦАП 1I следующим образом.The generation of random voltages is performed using a random number generator 1 and a DAC 1I as follows.

С выхода генератора 12 высокочастотные пр моугольные импульсы поступают на счетный вход счетчика 14. При нажатии ключа 13 на управл ющий вход счетчика 14 поступает нулевой потенциал, разрешающий его заполнени импульсами от генератора I2. При отпускании ключа поступление импульсов блокируетс  и на выходных разр дных шинах .счетчика 14. Код с выхода счетчика поступает на входы ЦАП П, на выходе которого по вл етс  соот- ветствующее ему напр жение. При последующем нажатии ключа I3 происходит повторное заполнение счетчика 14 и выборка нового, напр жени  на выходе ЦАП. Поскольку врем  нажати  ключа 13 не коррелировано с периодом генератора 12, каждый раз счетчик запол- н етс  случайным числом импульсов и каждый раз вырабатываетс  случайна  ступенька напр жени  на выходе ЦАП II. Такой реж1М позвол ет после каждой выработки случайного напр жени  произвести его сложение с измер емым напр жением и их измерение вольтметром 2, а затем повторить цикл.From the output of the generator 12, high-frequency rectangular pulses arrive at the counting input of the counter 14. When the key 13 is pressed, the control input of the counter 14 receives a zero potential allowing it to be filled with pulses from the generator I2. When the key is released, the pulse input is blocked on the output bit buses of the counter 14. The code from the counter output goes to the inputs of the D / A converter, at the output of which the corresponding voltage appears. Subsequent pressing of the I3 key, the counter 14 is refilled and a new voltage is sampled, the voltage at the DAC output. Since the time for pressing the key 13 is not correlated with the period of the generator 12, each time the counter is filled with a random number of pulses and each time a random voltage step is generated at the output of the DAC II. Such a mode allows, after each generation of a random voltage, to make its addition with the measured voltage and their measurement with a voltmeter 2, and then repeat the cycle.

Регулировка максимальной амплитуды случайного напр жени  производитс  предварительно с помощью регули- руемоРо источника 10 опорного напр жени . Дл  этого, например, на входы ЦАП подаетс  код максимального входного сигнала и регулировкой источника 10 устанавливаетс  максимальна  амплитуда на выходе ЦАП I1 (установочные входы счетчика 14 не пока:за- ны).Adjustment of the maximum amplitude of the random voltage is made in advance by means of an adjustable source 10 of the reference voltage. To do this, for example, the maximum input signal is fed to the DAC inputs and the source amplitude 10 sets the maximum amplitude at the DAC I1 output (the installation inputs of the counter 14 are not yet bored).

Возможность периодической калибровки средств, формирующих случайные напр жени -, в составе устройства поThe ability to periodically calibrate means that form random stresses - as part of a device according to

093 . 4093. four

звол ют повысить точность измерени  входного напр жени .They allow to increase the accuracy of the input voltage measurement.

При этом и определение параметров случайного сигнала и измерение неизвестной величины осуществл етс  с помощью вход щего в состав преобразовател  цифрового вольтметра.In this case, the determination of the parameters of a random signal and the measurement of an unknown quantity are carried out using a digital voltmeter included in the converter.

fOfO

1515

00

00

5five

00

5five

00

5five

Claims (3)

1. Стохастический преобразователь напр жени , содержащий первую входную шину, генератор случайных чисел и управл емый делитель напр жени , выход которого подключен к первому входу блока цифрового измерени , отличающи и с   тем, что, с целью повьшени  точности, в него введены переключатель, регулируемый источник опорного напр жени  и циф- роаналоговый преобразователь, а блок цифрового измерени  выполнен на цифровом волЬ|Тметре, причем информационные входы цифроаналогового преобразовател  соединены с соответствующими выходами генератора случайных чисел, первьй и второй входы опорного напр жени  подключены к соответствующим выходам регулируемого -источника опорного напр жени ,: а первый и второй выходы подключены к первому и второму входам управл емого делител  напр жени  соответственно, последний из которых подключен к выводу подвижного контакта переключател , вывод первого неподвижного контакта которого  вл етс  второй входной шиной, а вывод второго неподвижного контакта объединен с вторым входом цифрового вольтметра и подключен к первой входной шине.1. A stochastic voltage converter containing a first input bus, a random number generator and a controlled voltage divider, the output of which is connected to the first input of the digital measuring unit, is also different because, in order to increase the accuracy, a switch the source of the reference voltage and the digital-analogue converter, and the digital measurement unit is made on a digital wave | meter, and the information inputs of the digital-analogue converter are connected to the corresponding outputs Random numbers, the first and second inputs of the reference voltage are connected to the corresponding outputs of the adjustable source of the reference voltage, and the first and second outputs are connected to the first and second inputs of the controlled voltage divider, respectively, the last of which is connected to the output of the moving contact of the switch The output of the first stationary contact of which is the second input bus, and the output of the second stationary contact is combined with the second input of the digital voltmeter and connected to the first input bus. 2.Преобразователь по п. .1, о т - личающийс  тем, что генератор случайных чисел выполнен на генераторе импульсов, ключе и счетчике, управл ющий вход которого соединен через ключ с шиной нулевого потенциала , счетный вход - с выходом генератора импульсов, а выходы  вл ютс  выходами генератора случайных чисел.2. The converter according to p .1, o t is characterized in that the random number generator is made on the pulse generator, key and counter, the control input of which is connected via a key to the zero potential bus, the counting input is from the output of the pulse generator, and the outputs are the outputs of a random number generator. 3.Преобразователь по п. I, о т - личающийс  тем, что управ- лнем1з1Й делитель напр жени  вьтолнен на двух резисторах и ключе, подключенном параллельно первому резистору, первьй в ывод которого и первый вывод второго резистора  вл ютс  соответственно первыми вторым входами управ . 1358093®3. The converter according to claim I, T is characterized by the fact that the controllable voltage divider is implemented on two resistors and a switch connected in parallel to the first resistor, the first in the output of which and the first output of the second resistor are respectively the first second control inputs. 1358093® л емого делител  напр жени , а вто- торов объединены и  вл ютс  выходом рые выводы первого и второго резис- управл емого делител  напр жени .A splittable voltage divider, while the secondors are combined and are the output terminals of the first and second resistively controlled voltage divider.