БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ЦИФРОВОЙ КОД ОТКЛОНЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01R19/22 

Изобретение относится к области электрических измерений и может использоваться в качестве быстродействующего датчика кода отклонения действующего значения входного напряжения от его номинального значения при построении информационно-измерительных, а также регулирующих систем.

Известен быстродействующий преобразователь переменного напряжения в постоянное [1] содержащий трансформатор, двухполупериодный выпрямительный диодный мост, резистивный делитель напряжения, сглаживающий конденсатор, повторитель напряжения, усилитель переменной составляющей напряжения, сумматор напряжений, источник напряжения смещения.

Недостатками аналога является низкое быстродействие (из-за инерционности усилителя переменной составляющей напряжения, выполненного на базе операционного усилителя постоянного тока с разделительным конденсатором на входе), а также высокий уровень пульсаций выходного напряжения преобразователя.

Известен также преобразователь амплитуды переменного напряжения в постоянное [2] содержащий фазоинвертор, диодно-емкостные запоминающие ячейки, коммутаторы, диодный элемент ИЛИ, сумматор, компараторы, формирователи.

Недостатками преобразователя являются: а) низкая точность, обусловленная наличием фазоинвертора, который вносит погрешность из-за различных параметров полуобмоток; б) неодинаковая длительность ступенек выходного напряжения преобразователя, формирующихся после окончания каждого очередного полупериода сетевого напряжения (проявляется при переходных процессах преобразователя и обусловлен изменяющимся опорным напряжением компараторов, подающимся на их входы с выхода устройства) этот недостаток затрудняет синхронизацию преобразователя с последующими блоками систем и устройств, в которые входит преобразователь, а иногда вносит дополнительную погрешность в работу всей системы в целом; в) высокий уровень пульсаций (из-за большого разрядного тока диодно-емкостных запоминающих ячеек через входное сопротивление сумматора).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является быстродействующий преобразователь переменного напряжения в постоянное [3] содержащий понижающий трансформатор, фильтр низких частот, инвертор, нуль-орган, аналоговые ключи, формирователи, амплитудные пиковые детекторы, сумматор со сглаживанием, источник опорного напряжения.

Недостатками преобразователя являются:
а) низкая точность, обусловленная несколькими причинами:
во-первых, необходимостью идентификации выходных сигналов двух каналов преобразователя;
во-вторых, зависимостью абсолютной погрешности (вносимой амплитудными пиковыми детекторами) от уровня входного напряжения преобразователя, величина которой определяется постоянной времени разряда запоминающего конденсатора амплитудного пикового детектора, которая определяется входными токами операционных усилителей, обратными токами диодов и свойствами самого запоминающего конденсатора (см. фиг.1);
в-третьих, низким быстродействием, обусловленным наличием на выходе преобразователя инерционного звена;
в-четвертых, малым предельно-допустимым значением амплитуды сигнала на входе (и выходе) амплитудного пикового детектора (около 1,5 В), при котором сохраняется его работоспособность;
б) необходимость переключения вручную диапазона измерения при различных уровнях входного сетевого напряжения;
в) невозможность непосредственного подключения преобразователя к интерфейсу вычислительных систем (так как на выходе преобразователя формируется аналоговый сигнал).

Технические задачи, решаемые изобретением:
а) повышение точности измерения исследуемого сигнала;
б) повышение удобства в эксплуатации устройства.

Указанные технические задачи решаются благодаря тому, что в быстродействующий преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий понижающий трансформатор, выводы первичной обмотки которого соединены с входными клеммами устройства, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с общей шинойустройства, а второй вывод обмотки соединен с входом фильтра низших частот, выход которого соединен с входами первого инвертора и нуль-органа, выход которого соединен с прямым входом первого и инверсным входом второго формирователей короткого импульса, первый и второй аналоговые ключи, дополнительно введены элемент И, элемент И-НЕ, третий, четвертый, пятый и шестой формирователи короткого импульса, первый и второй регистры сдвига, цифровой компаратор, первый, второй и третий аналоговые компараторы, блок преобразования кода, аналого-цифровой преобразователь, блок выборки-хранения, идеальный выпрямитель, генератор прямоугольных импульсов, первый, второй и третий счетчики импульсов, первый и второй триггеры, второй инвертор, первый, второй и третий светодиоды, первый, второй и третий балластные резисторы, первый, второй, третий элементы НЕ с открытыми коллекторными выходами, дешифратор, резистивный делитель напряжения, сглаживающий конденсатор, диод, анод которого подключен к выходу фильтра низших частот, а катод соединен с объединенными неинвертирующими входами первого, второго и третьего аналоговых компараторов и через сглаживающий конденсатор с общей шиной устройства, инвертирующие входы первого, второго и третьего аналоговых компараторов подключены соответственно к выходам резистивного делителя, вывод первого резистора которого подключен к шине источника опорного напряжения, а вывод последнего резистора соединен с общей шиной устройства, выходы первого, второго и третьего аналоговых компараторов соединены соответственно с входами дешифратора, выходы которого соединены соответственно со входами элементов НЕ, открытые коллекторные выходы которых через соответствующие последовательно соединенные балластные резисторы и светодиоды соединены с шиной источника опорного напряжения,выход первого инвертора соединен с информационным входом второго аналогового ключа и входом второго инвертора, выход которого соединен с информационным входом первого аналогового ключа, выход которого объединен с выходом второго аналогового ключа и соединен со входом идеального выпрямителя, выход которого соединен с информационным входом блока выборки-хранения, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, информационные выходы которого соединены с первой группой информационных входов цифрового компаратора и информационными входами первого регистра сдвига, информационные выходы которого соединены с информационными входами второго регистра сдвига и второй группой информационных входов цифрового компаратора, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с входом разрешения записи первого регистра сдвига, первый и второй выходы дешифратора соединены соответственно с управляющими входами первого и второго аналоговых ключей, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя и со счетными входами второго, третьего и первого счетчиков импульсов, инверсный выход переноса последнего из которых соединен с входом установки единицы первого триггера, прямой выход которого соединен с управляющим входом блока выборки-хранения, а инверсный выход с входом установки нуля второго счетчика импульсов, инверсный выход переноса которого соединен с входом установки нуля первого триггера и с входом установки единицы второго триггера, прямой выход которого соединен с выходом запуска аналого-цифрового преобразователя, последовательный выход которого соединен с входом третьего формирователя коротких импульсов, инверсный выход которого соединен со входом четвертого формирователя короткихимпульсов, прямой выход которого соединен со вторым входом элемента И, инверсный выход второго триггера соединен с входом установки нуля третьего счетчика импульсов, инверсный выход переноса которого соединен с входом установки нуля второго триггера, инверсные выходы первого и второго формирователей короткого импульса соединены с соответствующими входами элемента И-НЕ, выход которого соединен с входом сброса данных первого регистра сдвига и с входом пятого формирователя короткого импульса, прямой выход которого соединен с инверсным входом шестого формирователя короткого импульса, прямой выход которого соединен с входом разрешения записи второго регистра сдвига, информационные выходы которого соединены с информационными входами блока преобразования кода, информационные выходы которого являются выходной кодовой шиной устройства; в первом варианте выполнения блок преобразования кода содержит блок постоянной памяти, информационные входы которого являются информационными входами блока преобразования кода, а информационные выходы блока постоянной памяти являются информационными выходами блока преобразования кода; во втором варианте выполнения блок преобразования кода содержит блок вычитания, входы уменьшаемого которого являются информационными входами блока преобразования кода, а входы вычитаемого подключены к выходам блока задания кода номинального напряжения, выходы блока вычитания являются информационными выходами блока преобразования кода.

Существенные отличия предлагаемого технического решения новая структура (одноканальная вместо двухканальной, используемой ранее), обеспечивающая реализацию нового более эффективного алгоритма обработки информации, и использование в схеме преобразователя новых элементов, а также практически полное обновлениесвязей между всеми элементами преобразователя:
1) группы элементов, включающей диод, сглаживающий конденсатор, первый, второй и третий аналоговые компараторы, дешифратор, резистивный делитель напряжения, второй инвертор, первый, второй и третий элементы НЕ с открытыми коллекторными выходами, первый, второй и третий балластные резисторы, первый, второй и третий светодиоды, которые позволяют реализовать блок автоматической подстройки диапазона измерения;
2) группы элементов, включающий генератор прямоугольных импульсов, первый, второй и третий счетчики, первый и второй триггеры образующие в совокупности блок управления и синхронизации:
3) группы элементов, включающей идеальный выпрямитель, блок выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь, числовой компаратор, первый и второй регистры сдвига, третий, четвертый, пятый и шестой формирователи короткого импульса, элемент И-НЕ, элемент И, блок постоянной памяти, которые образуют основной блок преобразователя, обеспечивающий реализацию нового алгоритма обработки информации.

Эти существенные отличия обеспечивают достижение положительного эффекта, а именно:
1) повышение точности:
а) в связи с отсутствием необходимости в идентификации двух каналов - теперь канал один;
б) в связи с исключением из схемы преобразователя амплитудных детекторов, имеющих большую абсолютную погрешность (зависящую от уровня входного напряжения преобразователя) и малое допустимое входное напряжение (около 1,5 В);
в) в связи с исключением из схемы преобразователя инерционного звена;
2) повышение удобства в эксплуатации:
а) в связи с автоматическим выбором преобразователем диапазона измерения;
б) в связи с получением на выходе преобразователя кода отклонения входного напряжения от номинального уровня, что исключает необходимость предварительной настройки и дополнительных переключений перед началом измерений, а также исключает необходимость проведения предварительных пробных замеров.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.2 представлена схема преобразователя, на фиг.3 приведены графики изменения напряжения на его элементах, а на фиг.4 и 5 изображены два варианта реализации блока преобразования кода.

Схема преобразователя (фиг.2) содержит понижающий трансформатор 1, выводы первичной обмотки которого соединены с входными клеммами устройства, первый вывод вторичной обмотки трансформатора 1 соединен с общей шиной устройства, а второй вывод обмотки соединен с входом фильтра 2 низших частот (ФНЧ), выход которого соединен с входами нуль-органа 3, первого инвертора 4 и с анодом диода 5, катод которого соединен через сглаживающий конденсатор 6 с общей шиной устройства, а также с объединенными неинвертирующими входами первого 7, второго 8 и третьего 9 аналоговых компараторов, инвертирующие входы которых подключены соответственно к выходам резистивного делителя, состоящего из резисторов 10 13, причем вывод первого резистора 10 подключен к шине источника опорного напряжения, а вывод последнего резистора 13 соединен с общей шиной устройства, выходы первого 7, второго 8 и третьего 9 аналоговых компараторов соединены соответственно с входами шифратора 14, первый и второй выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого 15 и второго16 аналоговых ключей, выходы дешифратора 14 соединены также соответственно со входами первого 17, второго 18 и третьего 19 элементов НЕ, открытые коллекторные выходы которых через соответствующие последовательно соединенные первый 20, второй 21 и третий 22 балластные резисторы и первый 23, второй 24 и третий 25 светодиоды соединены с шиной источника опорного напряжения, выход первого инвертора 4 соединен с информационным входом второго аналогового ключа 16 и входом второго инвертора 26, выход которого соединен с информационным входом первого аналогового ключа 15, выход которого объединен с выходом второго аналогового ключа 16 и соединен со входом идеального выпрямителя 27, выход которого соединен с информационным входом блока 28 выборки-хранения (БВХ), выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 29, последовательный выход которого соединен с входом третьего формирователя 30 коротких импульсов, инверсный выход которого соединен с входом четвертого формирователя 31 коротких импульсов, прямой выход которого соединен со вторым входом элемента И 32, выход которого соединен с входом разрешения записи первого регистра 33 сдвига, информационные выходы которого соединены с информационными входами второго регистра 34 сдвига и второй группой информационных входов цифрового компаратора (ЦК) 35, выход которого соединен с первым входом элемента И, информационные выходы АЦП 29 соединены с первой группой информационных входов ЦК 35 и информационными входами первого регистра 33 сдвига, информационные выходы которого соединены с информационными входами второго регистра 34 сдвига и второй группой информационных входов ЦК 35, выход которого соединен с первым входом элемента И 32, информационные выходы второго регистра 34 соединены с информационными входамиблока 36 преобразования кода (БПК), информационные выходы которого являются выходной кодовой шиной устройства, инверсные выходы первого 37 и второго 38 формирователей короткого импульса соединены с соответствующим входами элемента И-НЕ 39, выход которого соединен с входом сброса данных первого регистра 33 сдвига и с входом пятого формирователя 40 короткого импульса, прямой выход которого соединен с инверсным входом шестого формирователя 41 короткого импульса, прямой выход которого соединен с входом разрешения записи второго регистра 34 сдвига, выход генератора 42 прямоугольных импульсов (ГПИ) соединен с тактовым входом ВЦА 29 и со счетными входами первого 43, второго 44 и третьего 45 счетчиков импульсов, инверсный выход переноса первого счетчика 43 соединен с входом установки единицы первого триггера 46, прямой выход которого соединен с управляющим входом БВХ 28, а инверсный выход с входом установки нуля второго счетчика 44 импульсов, инверсный выход переноса которого соединен с входом установки нуля первого триггера 46 и с входом установки единицы второго триггера 47, прямой выход которого соединен с входом запуска АЦП 29, инверсный выход второго триггера 47 соединен с входом установки нуля третьего счетчика 45 импульсов, инверсный выход переноса которого соединен с входом установки нуля второго триггера 47.

В первом варианте выполнения блок 36 преобразования кода (см. фиг.4) блок 48 постоянной памяти (БПП), информационные входы которого являются информационными входами БПК 36, а информационные выходы БПП 48 являются информационными выходами БПК 36.

Во втором варианте выполнения блок 36 преобразования кода (см. фиг.5) содержит блок 49 вычитания (БВ), входы уменьшаемого которого являются информационными входами БПК 36, а входы вычитаемогоподключены к выходам блока 50 задания кода номинального напряжения (БЗКНН), выходы БВ 49 являются информационными выходами БПК 36.

Старший разряд информационных выходов преобразователя используется в качестве знакового разряда, а группа младших разрядов информационных выходов преобразователя используется для получения двоичного кода модуля разности текущего значения напряжения и его номинального значения.

Преобразователь можно разделить на два функциональных блока: блок автоматического выбора диапазона измерения напряжения А и блок аналого-цифрового преобразования В (фиг.2).

Блок автоматического выбора диапазона измерения А включает диод 5, конденсатор 6, резистивный делитель, состоящий из резисторов 10 13, аналоговые компараторы 7 9, дешифратор 14, элементы НЕ 17 19 с открытыми коллекторными выходами, балластные резисторы 20 22, светодиоды 23 25, инверторы 4 и 26, аналоговые ключи 15 и 16. Блок автоматического выбора диапазона измерения А осуществляет: а) автоматический выбор диапазона измерения, б) индикацию значения номинального напряжения в контролируемой сети, в) функцию защиты измерительной части преобразователя от перенапряжения в сети.

Блок автоматического выбора диапазона измерения А работает следующим образом.

При подключении первичной обмотки понижающего трансформатора 1 (имеющего коэффициент трансформации К1) к сети на выходе вторичной обмотки появляется напряжение, поступающее на вход ФНЧ 2. Далее сигнал выпрямляется диодом 5 и, сглаженный конденсатором 6, поступает на неинвертирующие входы аналоговых компараторов 7 9. При достижении действующим значением напряжения сети70 В срабатывает компаратор 9, на его выходе появляется единичное напряжение, код на входах дешифратора 14 становится равным 001, и на первом выходе дешифратора 14 появляется единичное напряжение, которое поступает на управляющий вход второго аналогового ключа 16 и вход первого элемента НЕ 17. В результате выходное напряжение элемента НЕ 17 спадает до нуля и через светодиод 23 начинает протекать ток, светодиод 23 загорается, сигнализируя о контроле в сети с номинальным напряжением 100 В; через открывшийся второй ключ 16 напряжение с выхода первого инвертора 4 поступает на вход идеального выпрямителя 27.

При подключении преобразователя к сети с номинальным действующим значением напряжения 220 В срабатывают компараторы 8 и 9, код на входах дешифратора 14 становится равным 011, вследствие чего на втором выходе дешифратора 14 появляется единичное напряжение, которое поступает на вход элемента НЕ 18 и прикладывается к управляющему входу первого аналогового ключа 15. Ключ 15 открывается (в то время, как ключ 16 закрыт нулевым напряжением с первого выхода дешифратора 14) и пропускает напряжение с выхода второго инвертора 26 на вход идеального выпрямителя 27. Выходное напряжение элемента НЕ 18 спадает до нуля, при этом загорается светодиод 24, сигнализируя о контроле в сети с номинальным напряжением 220 В. Коэффициент усиления второго инвертора 26 в 2,2 раза меньше, чем коэффициент усиления первого инвертора 4, в связи с этим на вход идеального выпрямителя 27 подается одинаковое нормированное напряжение независимо от номинального напряжения контролируемой сети (100 или 220 В).

При превышении действующим значением напряжения сети 290 В срабатывают все три компаратора 7 9; в результате код на входах дешифратора 14 становится равным 111; на третьем выходе дешифратора14 появляется единичное напряжение, что приводит к загоранию светодиода 25, сигнализирующего об аварийном превышении напряжения в контролируемой сети. При этом первый и второй аналоговые ключи 15 и 16 находятся в закрытом состоянии и не пропускают сигналы с выходов первого 4 и второго 26 инверторов на вход идеального выпрямителя 27, защищая блок В.

При отключении от сети преобразователя не неинвертирующих входах компараторов 7 9 присутствует малый потенциал, на входы дешифратора 14 подается код 000, на всех его выходах присутствует нулевое напряжение: в результате все три светодиода 23 25 погашены, ключи 15 и 16 закрыты.

Блок аналого-цифрового преобразования В включает нуль-орган 3, формирователи 30, 31, 37, 38, 40, 41 коротких импульсов, элементы И-НЕ 39 и И 32, ГПИ 42, счетчики 43 45 импульсов, триггеры 46 и 47, идеальный выпрямитель 27, БВХ 28, АЦП 29, регистры 33 и 34 сдвига, ЦК 35, БПК 36.

Работа блока аналого-цифрового преобразования В заключается в вычислении разности между текущим и номинальным значениями огибающей действующего значения контролируемого напряжения с последующим преобразованием этой разности в цифровой код отклонения, осуществляемым каждые пол-периода.

Для синхронизации работы АЦП 29 и БВХ 28 в схеме преобразователя предусмотрено устройство управления, содержащее ГПИ 42, счетчики 43 45 импульсов, триггеры 46 и 47.

Устройство управления работает следующим образом.

По переднему фронту очередного импульса напряжения ГПИ 42 в момент времени t_o (см. фиг.3) на выходе переноса счетчика 43 появляется положительный импульс напряжения, по переднему фронту которого происходит установка в единичное состояние триггера 46.Положительный импульс напряжения с прямого выхода триггера 46 поступает на управляющий вход БВХ 28, который при этом запоминает уровень текущего значения входного напряжения. Отрицательный импульс напряжения с инверсного выхода триггера 46 поступает на вход установки нуля счетчика 44, в результате чего счетчик 44 начинает отсчет импульсов.

Далее, в момент t₁ на выходе переноса счетчика 44 появляется отрицательный импульс напряжения, по переднему фронту которого происходит установка в нулевое состояние триггера 46, по переднему фронту положительного импульса на инверсном выходе которого происходит установка в нулевое состояние счетчика 44. Кроме того, по переднему фронту импульса с выхода переноса счетчика 44 происходит установка в единичное состояние триггера 47. В результате, в момент времени t₁ прекращается процесс запоминания напряжения в БВХ 28 и по переднему фронту положительного импульса напряжения с прямого выхода триггера 47 происходит запуск АЦП 29. Отрицательный импульс с инверсного выхода триггера 47 разблокирует счетчик 44, который начинает отсчет импульсов.

Далее, в момент времени t₂ на выходе переноса счетчика 45 появляется отрицательный импульс напряжения, по переднему фронту которого происходит установка в нулевое состояние триггера 47. В результате в момент времени t₂ происходит установка в нулевое состояние счетчика 45 оканчивается положительный импульс напряжения на входе запуска АЦП 29.

В момент времени t₄ на выходе переноса счетчика 43 появляется положительный импульс напряжения и процесс, описанный выше на интервале t_o t₂, повторяется. Таким образом осуществляется управление БВХ 28 и АЦП 29. Причем счетчик 43 является элементом, определяющим длительность следования циклов работы БВХ 28 и АЦП 29.

Работа всего устройства в целом протекает следующим образом. Исследуемое сетевое напряжение подается на вход блока автоматического выбора диапазона измерения А, после нормировки в котором поступает далее на вход идеального выпрямителя 27. Выпрямленное напряжение с выхода идеального выпрямителя 27 поступает на информационный вход БВХ 28. Зафиксированное в БВХ 28 напряжение прикладывается к информационному входу АЦП 29.

В момент времени t₃ при переходе выходного напряжения ФНЧ через нулевое значение срабатывает нуль-орган 3, формирующий на своем выходе положительный импульс напряжения, по переднему фронту которого запускается формирователь 37 и формирует на своем инверсном выходе короткий отрицательный импульс напряжения. Этот импульс проходит (инвертируясь через элемент И-НЕ 39) на вход сброса данных регистра 33 и на прямой вход формирователя 40, на инверсном выходе которого появляется отрицательный импульс напряжения длительностью
τ₁= 3/4 τ_o, (1) (1)
где τ_o длительность полупериода первой гармоники исследуемого напряжения.

В момент времени t₅ на информационных выходах АЦП 29 появляется код, соответствующий текущему значению напряжения, зафиксированному на выходе БВХ 28. Этот код прикладывается к первой группе информационных входов ЦК 35 и к информационным входам регистра 33. Поскольку ко второй группе информационных входов ЦК 35 приложен нулевой код с выхода регистра 33, то в момент времени t₅ на выходе ЦК 35 появляется положительный импульс, поступающий на второй вход элемента И 32.

В момент времени t₆ на последовательном выходе АЦП 29 появляетсяположительный импульс напряжения, по переднему фронту которого происходит запуск формирователя 30, с инверсного выхода которого на прямой вход формирователя 31 поступает отрицательный импульс: вследствие этого в момент времени t₇ на прямом выходе формирователя 31 с задержкой времени относительно переднего фронта импульса на последовательном выходе АЦП 29 появляется положительный импульс напряжения, который поступает на первый вход элемента И 32. Появляющийся на его выходе положительный импульс записывает код текущего напряжения с выходов АЦП 29 в регистр 33, вследствие чего коды первой и второй групп информационных входов ЦК 35 становятся одинаковыми, что приводит к спадению до нуля выходного напряжения ЦК 35.

В дальнейшем процесс, описанный выше на интервале времени t₅ - t₇, продолжает повторяться до достижения исследуемым напряжением очередного экстремального значения.

В момент времени t₈ (наступающий после прохождения входным напряжением преобразователя экстремума) на информационных выходах АЦП 29 появляется новый код. Поскольку этот код меньше кода максимального напряжения, хранящегося в регистре 33 и приложенного ко второй группе информационных входов ЦК 35, то потенциал на его выходе сохраняется низким.

В момент времени t₉ на последовательном выходе АЦП 29 появляется положительный импульс напряжения, по переднему фронту которого происходит запуск формирователя 30, с инверсного выхода которого на прямой вход формирователя 31 поступает отрицательный импульс напряжения, который запускает формирователь 31 своим задним фронтом. Поскольку к первому входу элемента И 32 приложено нулевое напряжение с выхода ЦК 35, выходной импульс формирователя 31 не пропускается на вход разрешения записи регистра 33,в результате чего содержимое последнего не изменяется и остается соответствующим максимальному значению текущего полупериода входного исследуемого напряжения.

В момент времени t₁₀ по заднему фронту импульса напряжения с выхода формирователя 40 запускается формирователь 41, по переднему фронту выходного импульса которого происходит запись информации с информационных выходов первого регистра 33 во второй регистр 34.

Далее код с информационных выходов регистра 34 поступает на информационные входы БПК 36. В обоих вариантах выполнения БПК 36 (см. фиг.4 и 5) на выходной кодовой шине преобразователя формируется код отклонения действующего значения входного напряжения от его номинального значения:
Y 2^n-1 Sign(U U_н) + (U U_н). (2)
где U действующее значение первой гармонической составляющей входного напряжения преобразователя, заданное в двоичном коде;
U_н двоичный код номинального действующего значения входного напряжения;
n число двоичных разрядов выходной кодовой шины преобразователя.

Преимуществами преобразователя по сравнению с известными техническими решениями являются более высокая точность (примерно на 1 2 порядка) и повышение удобства в эксплуатации (за счет автоматического выбора диапазона измерения, а также получения на выходной кодовой шине кода отклонения входного напряжения от номинального уровня). Схема преобразователя реализуется на интегральных микросхемах.

Применение: устройство относится к области электрических измерений и может быть использовано в качестве быстродействующего датчика кода отклонения действующего значения входного напряжения от его номинального значения. Сущность изобретения: устройство содержит: понижающий трансформатор (1), фильтр низших частот (2), нуль-орган (3), инверторы (4, 26), диод (5), сглаживающий конденсатор (6), аналоговые компараторы (7, 8, 9), резистивный делитель из резисторов (10, 11, 12, 13), дешифратор (14), аналоговые ключи (15, 16), элементы НЕ с открытыми коллекторными выходами (17, 18, 19), балластные резисторы (20, 21, 22), светодиоды (23, 24, 25), идеальный выпрямитель (27), блок выборки-хранения (28), аналого-цифровой преобразователь (29), формирователи короткого импульса (37, 38, 30, 31, 40, 41), элемент И (32), элемент И-НЕ (39), регистры сдвига (33, 34), цифровой компаратор (35), блок преобразования кода (36), генератор прямоугольных импульсов (42), счетчики импульсов (43, 44, 45), триггеры (46, 47) с соответствующими связями между ними. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Быстродействующий преобразователь переменного напряжения в цифровой код отклонения, содержащий фильтр низших частот, нуль-орган, первый инвертор, первый и второй формирователи короткого импульса, первый и второй аналоговые ключи, понижающий трансформатор, выводы первичной обмотки которого соединены с входными клеммами устройства, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с общей шиной устройства, а второй вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с входом фильтра низших частот, выход которого соединен с входами первого инвертора и нуль-органа, выход которого соединен с прямым входом первого и инверсным входом второго формирователей короткого импульса, отличающийся тем, что в него дополнительно введены элемент И, элемент И-НЕ, третий, четвертый, пятый и шестой формирователи короткого импульса, первый и второй регистры сдвига, цифровой компаратор, первый, второй и третий аналоговые компараторы, блок преобразования кода, аналого-цифровой преобразователь, блок выборки-хранения, идеальный выпрямитель, генератор прямоугольных импульсов, первый, второй и третий счетчики импульсов, первый и второй триггеры, второй инвертор, первый, второй и третий светодиоды, первый, второй и третий балластные резисторы, первый, второй, третий элементы НЕ с открытыми коллекторными выходами, дешифратор, резистивный делитель напряжения, сглаживающий конденсатор, диод, анод которого подключен к выходу фильтра низших частот, а катод соединен с объединенными неинвертирующими входами первого, второго и третьего аналоговых компараторов и через сглаживающий конденсатор с общей шиной устройства, инвертирующие входы первого, второго и третьего аналоговых компараторов подключены соответственно к выходам резистивного делителя, вывод первого резистора которого подключен к шине источника опорного напряжения, а вывод последнего резистора соединен с общей шиной устройства, выходы первого, второго и третьего аналоговых компараторов соединены соответственно с входами дешифратора, выходы которого соединены соответственно с входами элементов НЕ, открытые коллекторные выходы которых через соответствующие последовательно соединенные балластные резисторы и светодиоды соединены с шиной источника опорного напряжения, выход первого инвертора соединен с информационным входом второго аналогового ключа и входом второго инвертора, выход которого соединен с информационным входом первого аналогового ключа, выход которого объединен с выходом второго аналогового ключа и соединен с входом идеального выпрямителя, выход которого соединен с информационным входом блока выборки-хранения, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, информационные выходы которого соединены с первой группой информационных входов цифрового компаратора и информационными входами первого регистра сдвига, информационные выходы которого соединены с информационными входами второго регистра сдвига и второй группой информационных входов цифрового компаратора, выход которого соединен с первым входом элемента И, выход которого соединен с входом разрешения записи первого регистра сдвига, первый и второй выходы дешифратора соединены соответственно с управляющим входами первого и второго аналоговых ключей, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом аналого-цифрового преобразователя и со счетными входами второго, третьего и первого счетчиков импульсов, инверсный выход переноса последнего из которых соединен с входом установки единицы первого триггера, прямой выход которого соединен с управляющим входом блока выборки-хранения, а инверсный выход с входом установки нуля второго счетчика импульсов, инверсный выход переноса которого соединен с входом установки нуля первого триггера и с входом установки единицы второго триггера, прямой выход которого соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, последовательный выход которого соединен с входом третьего формирователя коротких импульсов, инверсный выход которого соединен с входом четвертого формирователя коротких импульсов, прямой выход которого соединен с вторым входом элемента И, инверсный выход второго триггера соединен с входом установки нуля третьего счетчика импульсов, инверсный выход переноса которого соединен с входом установки нуля второго триггера, инверсные выходы первого и второго формирователей короткого импульса соединены с соответствующими входами элемента И-НЕ, выход которого соединен с входом сброса данных первого регистра сдвига и с входом пятого формирователя коротких импульсов, прямой выход которого соединен с инверсным входом шестого формирователя коротких импульсов, прямой выход которого соединен с входом разрешения записи второго регистра сдвига, информационные выходы которого соединены с информационными входами блока преобразования кода, информационные выходы которого являются выходной кодовой шиной устройства. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в первом варианте выполнения блок преобразования кода содержит блок постоянной памяти, информационные входы которого являются информационными входами блока преобразования кода, а информационные выходы блока постоянной памяти являются информационными выходами блока преобразования кода. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что во втором варианте выполнения блок преобразования кода содержит блок вычитания, входы уменьшаемого которого являются информационными входами блока преобразования кода, а входы вычитаемого подключены к выходам блока задания кода номинального напряжения, выходы блока вычитания являются информационными выходами блока преобразования кода.