Изобретение относится к системе преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую, включающей в себя средства приема входного аналогового сигнала, средства, предназначенные для введения колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала и аналогового сигнала в цифровой преобразователь с целью преобразования объединенного входного сигнала и колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала в цифровую величину.
Наложение подмешиваемого псевдослучайного сигнала или сигнала КОД (дисперсии ошибки квантования) на аналоговый сигнал до его преобразования в цифровую величину является хорошо известным способом обработки сигналов, направленным на преодоление ограничений, обусловленных разрешением некоторого данного аналого-цифрового преобразователя. Предел разрешения у преобразователя в общем случае определяется зазором между уровнями, существующими у преобразователя. Например, в случае традиционного аналого-цифрового преобразователя аналоговый сигнал, попадающий в зазор между двумя соседними уровнями или ступенями, существующими у преобразователя, будет всегда преобразовываться в меньшую цифровую величину. Следствием сказанного является возникновение ошибки квантования, поскольку разные аналоговые величины, попадающие в этот зазор, будут во всех случаях вызывать появление одной и той же цифровой величины. Повышением разрешения у преобразователя путем увеличения числа уровней можно уменьшить эту ошибку, но такой путь является сложным и дорогим. Кроме того, в некоторых случаях применения может возникнуть необходимость цифрового преобразования сигналов, вполне различающихся по величине, и в силу малой величины сигналов изменения, представляющие интерес у сигнала, могут все же оказаться попавшими в зазор между двумя уровнями преобразователя.
Способ наложения подмешиваемого псевдослучайного сигнала, такого как пилообразный сигнал или сигнал белого шума, на входной сигнал до его цифрового преобразования является одним из способов компенсации ошибок квантования. Рассмотрим, например, случай, когда аналоговый сигнал по своей величине в точности составляет половину уровня квантования. При отсутствии сигнала КОД преобразователь будет всегда выдавать пониженную цифровую величину. Если на входной сигнал до его преобразования налагается возрастающий пилообразный сигнал с размахом в один интервал квантования, то тогда величина объединенного сигнала будет оставаться ниже следующей пороговой величины в течение половины времени следования пилы, но станет превышать следующую пороговую величину в течение другой половины времени, в результате чего преобразователь станет выдавать нижний уровень квантования в течение половины времени и верхний уровень в течение другой половины времени. Усредняя выходной сигнал преобразователя ко времени прохождения пилы, можно тем самым получить величину, соответствующую середине зазора между двумя уровнями квантования, т.е. получить фактическую величину входного аналогового сигнала.
Такие способы обработки сигналов получили широкое распространение в ряде различных применений, таких как обработка видеоинформации, системы связи и техника измерений, и с использованием различных подмешиваемых псевдослучайных сигналов, таких как периодические пилообразные сигналы или непериодический сигнал белого шума (см., например, патент США N 4187466, европейский патент N EP 0047090 или европейский патент N EP 0181719).
Проблема особого свойства возникает при использовании периодического подмешиваемого сигнала, такого как треугольный пилообразный сигнал (в противоположность случаю использования подмешиваемого псевдослучайного сигнала белого шума). Чтобы происходило полное устранение любой ошибки квантования, необходимо, чтобы подмешиваемый псевдослучайный сигнал в точности охватывал целое число интервалов квантования. Если этого не произойдет, то по-прежнему будет возникать ошибка, величина которой будет зависеть от амплитуды входного сигнала. Например, рассмотрим случай, когда периодический подмешиваемый псевдослучайный сигнал обладает амплитудой от пика до пика, не равной числу интервалов квантования, т. е. обладает пиковой величиной, которая попадает между двумя уровнями квантования. При проведении измерений вблизи этого пика цифровая величина на выходе преобразователя не будет точно отражать амплитуду входного сигнала и, в сущности, выходной сигнал будет неразличимым в некоторой области значений входного сигнала. В противоположность сказанному, в случае подмешиваемого псевдослучайного сигнала с амплитудой колебания в целочисленное число интервалов квантования цифровой выходной сигнал будет изменяться вместе с аналоговым входным сигналом и это изменение будет носить пропорциональный характер. Однако, учитывая нелинейности и погрешности у зазоров между уровнями квантования аналого-цифрового преобразователя, а также разброс у допусков компонентов и температурный дрейф, трудно рассчитывать на то, что цифровой сигнал станет отвечать этому строгому ограничению, такие остаточные ошибки квантования обычно оказываются неизбежными.
Настоящее изобретение отличается тем, что средства получения подмешиваемого псевдослучайного сигнала выдают сигнал с формой, устанавливаемой первым периодическим подмешиваемым сигналом, формируемым под воздействием второго сигнала, содержащего, по крайней мере, одну компоненту, которая изменяет первый периодический подмешиваемый псевдослучайный сигнал на протяжении, по крайней мере, одного интервала квантования у аналого-цифрового преобразователя.
Этот второй сигнал оказывается эффективным в отношении компенсации любых различий у амплитуды полного размаха первого подмешиваемого псевдослучайного сигнала и у целочисленного числа интервалов квантования, поскольку положение максимального выброса у подмешиваемого псевдослучайного сигнала, связанное с положением уровня квантования, будет изменяться на протяжении, по крайней мере, одного интервала квантования таким образом, что окажутся устраненными или, по крайней мере, существенно пониженными остаточные ошибки квантования, зависящие от амплитуды сигнала.
В случае одного из вариантов осуществления изобретения второй подмешиваемый псевдослучайный сигнал может быть представлен сигналом белого шума с амплитудой полного размаха, превышающей один интервал квантования у цифрового преобразователя. Например, может быть использован сигнал белого шума со стандартным отклонением амплитуды, составляющим плюс или минус половину уровня квантования. В случае сигнала белого шума с нормальным распределением максимальная амплитуда будет составлять плюс или минус один интервал и еще половину интервала квантования, откуда следует, что амплитуда полного размаха будет приходиться на три интервала квантования. Наложение такого шумового сигнала на периодический первый подмешиваемый псевдослучайный сигнал будет сопровождаться изменением пиковых величин у подмешиваемого сигнала. Однако более желательно, чтобы второй колебательный псевдослучайный сигнал представлялся вторым периодическим сигналом, например сигналом с частотой, более низкой, чем частота у первого периодического колебательного сигнала, в результате чего максимальные или минимальные выбросы у первого периодического сигнала станут медленно изменяться со временем по амплитуде в пределах, по крайней мере, одного интервала квантования. При использовании второго периодического сигнала можно посредством полного колебательного сигнала осуществлять известным образом управление, при котором обеспечивается оптимальная компенсация. Первый колебательный подмешиваемый псевдослучайный сигнал может представлять собой треугольный пилообразный сигнал.
В случае одного из вариантов осуществления изобретения второй периодический сигнал может представлять собой простой возрастающий и спадающий пилообразный сигнал с величиной амплитуды полного размаха, превышающей один интервал квантования у аналого-цифрового преобразователя, который налагают на первый периодический колебательный псевдослучайный сигнал, чтобы происходил дрейф у полного колебательного псевдослучайного сигнала. Этот вариант осуществления изобретения обладает, однако, тем недостатком, что приходится вводить низкочастотную компоненту, соответствующую пилообразной частоте. Как будет показано ниже, частоты введенных сигналов могут играть важную роль в некоторых последующих предпочтительных вариантах осуществления изобретения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения второй периодический подмешиваемый псевдослучайный сигнал включает в себя модуляционный сигнал, устанавливающий модуляционную огибающую у первого колебательного сигнала, в случае чего каждая верхняя и нижняя границы модуляционной огибающей изменяются на величину, превышающую один интервал квантования у аналого-цифрового преобразователя. Такая огибающая может быть легко генерирована, в этом случае не возникают проблемы, связанные с введением нежелательных частотных компонент, обусловленных использованием сигнала пилообразной формы в виде второго колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала.
Желательно, чтобы полный колебательный подмешиваемый пвесдослучайный сигнал характеризовался формой, устанавливаемой первым треугольным пилообразным сигналом, модулированным вторым модуляционным сигналом, в случае чего верхняя и нижняя границы огибающей претерпевают изменение на величину, превышающую один уровень квантования. Для генерирования такого сигнала необходимо, чтобы колебательные средства в общем случае включали в себя средства генерирования импульсного модулированного по ширине сигнала, средства генерирования сигнала прямоугольной формы, интегрирующие средства, предназначенные для интегрирования импульсного модулированного по ширине сигнала с целью образования верхней и нижней границ у модуляционной огибающей, средств модулирования сигнала прямоугольной формы этой огибающей и средств интегрирования модулированного сигнала прямоугольной формы для получения модулированного треугольного пилообразного сигнала.
В практическом варианте осуществления изобретения импульсный модулированный по ширине сигнал и сигнал прямоугольной формы могут быть в общем случае сняты с микропроцессорного чипа. Остальные компоненты, необходимые для проведения интегрирования, могут включать в себя вполне доступные и недорогие конденсаторы и резисторы, и для модулирования сигнала прямоугольной формы может быть использована простая интегральная схеме. Таким образом, этот вариант осуществления изобретения дает недорогой и легко реализуемый способ получения полного колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала, отвечающего настоящему изобретению.
В иных возможных вариантах осуществления изобретения первый периодический изгнал может принимать другие формы, такие как, например, у непрерывно возрастающего пилообразного сигнала (а не у треугольного пилообразного сигнала), или представлять собой любой иной известный колебательный псевдослучайный сигнал.
Желательно, чтобы амплитуда у первого периодического сигнала превышала множество интервалов квантования у аналого-цифрового преобразователя. Использованием колебательного псевдослучайного сигнала большой величины можно свести к минимуму ошибки нелинейности квантования, вызванные изменениями зазора у индивидуального уровня квантования, поскольку обеспечивается возможность усреднения по множеству таких уровней. Тем самым понижается вклад от любой нелинейности в ширине зазора у любого данного интервала квантования. При сочетании с вторым наложенным сигналом, как он определен ранее, предназначенным для устранения любых остаточных зависимых от сигнала ошибок квантования, связанных с первым колебательным сигналом, этот вариант осуществления изобретения является особенно точным средством понижения ошибок квантования и повышения разрешения аналого-цифрового преобразователя. В случае такого варианта осуществления изобретения второй периодический сигнал с диапазоном аналогичной величины может быть также наложен таким образом, что полный размах у первого сигнала станет эффективно изменяться от нуля и до своей максимальной величины. Однако при модулировании таким способом первого колебательного псевдослучайного подмешиваемого сигнала несколько понижается эффективность действия крупномасштабного первого колебательного сигнала в отношении понижения ошибок, ввязанных с нелинейностью квантования, поскольку полная величина размаха у первого сигнала окажется пониженной в течение значительного промежутка времени. Таким образом, желательно, чтобы полный сигнал включал в себя первый периодический сигнал с величиной, охватывающей относительно большое число интервалов квантования, и второй наложенный сигнал, охватывающий относительно небольшое число интервалов квантования. Этим достигается уравновешивание эффектов от воздействия первого сигнала, ведущего к понижению ошибок, вызванных нелинейностью квантования, и от воздействия второго сигнала, ведущего к понижению остаточных зависимых от сигнала ошибок квантования.
Например, при использовании модулированного колебательного псевдослучайного сигнала в аналого-цифровом преобразователе, имеющем 256 уровней, колебательный сигнал может включать в себя пилообразный сигнал с пилой, приходящейся примерно на 60 интервалов, который промодулирован таким образом, что верхняя и нижняя границы у огибающей охватывают 4 интервала.
Настоящее изобретение является особенно актуальным для проведения измерений значений меняющейся мощности, отбираемой у источника переменного напряжения, и в одном из вариантов осуществления изобретения рассматривается измерительная аппаратура, содержащая преобразовательные средства, воспринимающие аналоговый сигнал, представляющий собой напряжение или ток источника переменного напряжения, и систему аналого-цифрового преобразования, в которой используется такой сигнал, какой был описан ранее. Область измерений мощности, отбираемой по переменному напряжению, является одним из примеров, когда величина сигнала, такого как измеряемый ток, может изменяться в широком диапазоне значений. Настоящее изобретение является особенно актуальным применительно к проведению точного измерения таких значений при доведенном до минимума числе двоичных элементов, которые необходимо использовать в преобразователе.
Измерительная аппаратура может дополнительно включать в себя первый высокочастотный фильтр, введенный между преобразовательными средствами и колебательными средствами, в случае чего частота первого периодического колебательного псевдослучайного сигнала устанавливается такой величины, чтобы она превышала частоту среза; в измерительной аппаратуре может быть использован второй высокочастотный фильтр, устанавливаемый на выходе схемы аналого-цифрового преобразования для понижения величины или устранения первого периодического подмешиваемого псевдослучайного сигнала. В этом варианте осуществления изобретения обеспечивается возможность отфильтровывания указанного сигнала. Как отмечалось выше, выбор модуляционной формы у второго колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала, отвечающей одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, означает, что отсутствует необходимость введения дополнительных частотных сигналов в частотную полосу, представляющую интерес.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения аналого-цифровой преобразователь работает на частоте проведения замеров (для проведения замеров значений, подлежащих преобразованию), выбранной таким образом, что первый заградительный фильтр оказывается настроенным на частоту, составляющую менее половины частоты проведения замеров, т.е. на частоту Найквиста, и частота первого периодического сигнала оказывается настроенной на величину, находящуюся между частотой среза у первого высокочастотного фильтра и половиной частоты проведения замеров. При этом выходной фильтр, включающий в себя средства перевода в десятичную форму, устанавливается после аналого-цифрового преобразователя, чем обеспечивается последующее суммирование преобразованных в цифровую форму величин. Как более подробно будет объяснено ниже при описании предпочтительного варианта осуществления изобретения, смысл такой фиксации частоты проведения замеров и подмешиваемого псевдослучайного сигнала состоит в том, что при этом две следующие непосредственно друг за другом, превращаемые в цифровую форму величины оказываются соответствующими преобразуемыми аналоговым величинам входного сигнала с вычтенной второй добавкой, где первая и вторая добавки оказываются очень близкими. В соответствии со сказанным, сложение двух соседних величин сопровождается появлением лишь небольшой остаточной разностной величины, добавленной к величине, соответствующей удвоенному входному сигналу, так что колебательный подмешиваемый псевдослучайный сигнал оказывается эффективно вычтенным с получением остатка в виде усиленного входного сигнала, возникающего до проведения каких-либо последующих операций. В других возможных вариантах осуществления изобретения выходной фильтр может быть опущен.
Желательно, чтобы измерительная аппаратура или преобразовательная система содержала интегрирующие или накопительные средства, предназначенные для суммирования переведенных в цифровую форму величин, соответствующих мощности, связанной с преобразованными потенциальными и токовыми величинами.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи.
На фиг. 1 изображена измерительная аппаратура, содержащая аналого-цифровую преобразовательную систему, работающую с использованием колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала, соответствующего одному из вариантов осуществления изобретения; на фиг. 2 - средства генерирования колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала, использованного в измерительной аппаратуре на фиг. 1; на фиг. 3 - колебательный подмешиваемый псевдослучайный сигнал, генерированный средствами, показанными на фиг. 2; на фиг. 4 - другой возможный колебательный подмешиваемый псевдослучайный сигнал, который может быть использован в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 5 - распределение вероятности у обычного одинарного периодического колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала в сравнении с распределением вероятности у сигнала, показанного на фиг. 3; на фиг. 6 - посредством иллюстрации процесса перевода в десятичную систему показан характер влияния момента поступления пилообразного сигнала, когда пилообразный сигнал выбирается с частотой, чуть более низкой, чем половина частоты проведения замеров; на фиг. 7 - относительное подавление шумовой мощности квантования в зависимости от относительных величин первого и второго колебательных подмешиваемых псевдослучайных сигналов.
Фиг. 1 изображает измерительную аппаратуру, предназначенную для расчета энергии, отобранной у источника переменного напряжения, которая включает в себя аналого-цифровой преобразователь 1, предназначенный для преобразования аналоговых величин измеренных тока и напряжения в цифровые величины, умножитель 2, предназначенный для перемножения этих величин, и интегратор или накопитель 3, предназначенный для интегрирования мгновенной величины энергии за некоторый промежуток времени. Преобразователь 1 замеряет аналоговые величины с некоторой фиксированной скоростью проведения замеров и преобразует эти величины в цифровые величины, зависящие от их положения относительно ближайшего самого низкого уровня квантования. Аппаратура также содержит средства 4, используемые для наложения колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала на аналоговую токовую величину до преобразования ее в цифровую форму, высокочастотные фильтры 5 и 6 с частотой среза, составляющей менее половины частоты проведения замеров у аналого-цифрового преобразователя, и средства перевода в десятичную форму 7 и 8, которые действуют как высокочастотный фильтр.
Измерения подводимых тока и напряжения проводятся с использованием обычных устройств, таких как токовый шунт или делитель напряжения. Токовый и потенциальный сигналы I и U пропускаются затем через высокочастотные противопомеховые фильтры, которые отфильтровывают все сигналы с частотой, составляющей менее половины частоты проведения замеров аналого-цифровым преобразователем, но которые пропускают представляющие интерес частоты источника переменного напряжения. В типичном случае частота источника переменного напряжения составляет 50 Гц, частота проведения замеров у преобразователя, использованного в этом варианте осуществления изобретения, составляет примерно 4,25 кГц при использовании фильтров 5 и 6 с частотой среза, лежащей ниже 2,125 кГц, где точкой среза у фильтров считается точка, в которой входная амплитуда ослабляется в два раза. До преобразования конвертором 1 к аналоговому токовому сигналу добавляется колебательный подмешиваемый псевдослучайный сигнал, вырабатываемый средствами 4. В случае данного конкретного варианта осуществления изобретения колебательному воздействию подвергается только токовый сигнал, поскольку здесь учитывается возможность изменения токового сигнала в широком диапазоне значений. В противоположность сказанному, можно считать, что напряжение является постоянным. Однако в иных возможных вариантах осуществления изобретения колебательный подмешиваемый псевдослучайный сигнал может быть также наложен и на потенциальный сигнал U.
В данном варианте осуществления изобретения сигнал, на который налагают колебательный сигнал, представляет собой изменяющийся сигнал переменного напряжения. Как будет показано ниже, основная частота у колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала и частота проведения замеров у использованного преобразователя являются значительно более высокими, чем частота источника переменного напряжения, в результате чего колебание (и усреднение с последующим интегрированием) в пределах всего диапазона изменения колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала эффективно воздействует на постоянную входную величину и таким образом, что колебательные подмешиваемые псевдослучайные частоты оказываются отличимыми от представляющих интерес частот переменного напряжения.
Обычно подаваемый в данном случае колебательный подмешиваемый псевдослучайный сигнал представляет собой простой треугольный пилообразный сигнал или сигнал, подобный таковому. Однако, как отмечалось во введении, такие сигналы обуславливают появление ошибок, что связано с трудностью точного охвата колебательным подмешиваемым псевдослучайным сигналом целого числа уровней квантования. В противоположность сказанному в настоящем изобретении использован сигнал, представляющий собой первый периодический подмешиваемый псевдослучайный сигнал, формируемый под воздействием наложенного второго колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала. В настоящем варианте осуществления изобретения, как это показано на фиг. 3, полный колебательный подмешиваемый псевдослучайный сигнал включает в себя первый высокочастотный треугольный пилообразный сигнал 10, модулированный вторым колебательным подмешиваемым псевдослучайным сигналом более низкой частоты 11. В случае аналого-цифрового преобразователя на 256 интервалов квантования треугольный пилообразный сигнал 10 может быть взят с амплитудой максимального размаха в W интервалов квантования; при этом модуляционная огибающая содержит верхнюю и нижнюю полосовые компоненты 12 и 13, каждая из которых модулирует треугольный колебательный подмешиваемый псевдослучайный сигнал 10 на величину y, соответствующую, по крайней мере, одному интервалу квантования у аналого-цифрового преобразователя. Изменением положения у пиковых значений пилообразного сигнала 10, связанным с этим модулированием, снимается требование, по которому пила должна в точности охватывать целое число интервалов квантования.
Результирующая функция распределения вероятности у модулированного сигнала, показанного на фиг. 3, в сравнении с обычными треугольными пилообразными сигналами проиллюстрирована на фиг. 5. Верхняя фигура изображает распределение вероятности у обычного треугольного пилообразного сигнала, у которого пила характеризуется однородной амплитудной функцией плотности вероятности, т. е. имеет место случай, когда вероятность нахождения сигнала некоторой данной величины в пределах диапазона существования этих величин остается одной и той же для всех значений. В противоположность сказанному, распределение вероятности у колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала, отвечающего настоящему варианту осуществления изобретения, понижается к краям диапазона, что обусловлено воздействием модуляционной огибающей.
Другой возможный вариант осуществления изобретения с использованием такой же амплитудной функции плотности вероятности показан на фиг. 4, на котором изображен треугольный пилообразный сигнал 15 с наложенным вторым треугольным пилообразным сигналом 16, добавленным с целью изменения положения верхнего и нижнего пиков. Этому варианту осуществления изобретения свойственен тот недостаток, что в представляющую интерес частотную полосу сигнала приходится вводить дополнительный частотный элемент, соответствующий частоте второго пилообразного сигнала 16. В других вариантах осуществления изобретения первый колебательный подмешиваемый псевдослучайный сигнал может быть модулирован лишь по одной компоненте, воздействующей на верхний пик пилообразного сигнала. В других же вариантах осуществления изобретения второй подмешиваемый псевдослучайный колебательный сигнал может представлять собой сигнал белого шума со стандартным отклонением, составляющим, по крайней мере, плюс или минус половину интервала квантования.
Из фиг. 3 видно, что в показанном варианте осуществления изобретения использован треугольный пилообразный сигнал 10 с максимальной величиной размаха, охватывающей 60 интервалов квантования, у которого модуляционная огибающая характеризуется наличием верхней и нижней полосовых составляющих 12 и 13, модулирующих пилообразный сигнал на величину y, равную 4 интервалам квантования. Таким образом, у полного сигнала величина полного размаха изменяется от минимального значения z, равного 56 интервалам квантования, до максимального значения x, равного 64 интервалам квантования. Относительные амплитуды у первого и второго колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала выбираются такими, чтобы обеспечивалось введение необходимой поправки под воздействием второго сигнала, устраняющей остаточные ошибки квантования, когда величина полного размаха у первого сигнала не является равной целому числу интервалов квантования, что происходит в условиях обеспечения эффективной компенсации нелинейностей y уровней квантования под воздействием первого пилообразного сигнала. Как отмечалось в преамбуле, использование пилообразного сигнала, охватывающего большое число интервалов квантования, способствует компенсации нелинейности y уровней квантования, спадающих в пределах этой полосы. Повышая амплитуду у модуляционных составляющих, понижают этот компенсационный эффект, но способствуют компенсации остаточных зависимых от сигнала ошибок квантования.
На фиг. 7 показан график, изображающий относительное подавление шумов при квантовании у остаточных ошибок квантования в зависимости от величины z/2, где z - параметр, показанный на фиг. 3. Как видно из чертежа, подавление шумов является наихудшим при z/2 = 32 (что соответствует случаю использования обычного пилообразного сигнала без модуляции) и наилучшим при z/2 = 0 (что соответствует случаю применения модуляции) и наилучшим при z/2 = 0 (что соответствует случаю применения модуляции, у которой модуляционная огибающая понижает пилообразный сигнал до нуля в точке его минимума). Однако степень улучшения компенсации таких остаточных ошибок быстро спадает с приближением величины z/2 к нулю; и всякий такой выигрыш оказывается перекрытым снижением эффективности компенсации нелинейностей пилообразным сигналом. В соответствии с этим в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 3, величина z/2 установлена равной 28, в результате чего обеспечивается обоснованное соотношение между этими двумя факторами.
На фиг. 2 показаны средства 4, предназначенные для генерирования колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала, изображенного на фиг. 3, которые включают в себя стандартный трехполюсный переключающий элемент в виде интегральной схемы IC 4053, запитаный высокочастотным импульсным сигналом HF и сигналом с импульсами, модулированными по ширине PWM, который поступает от микропроцессора, и присоединенные интегрирующие средства 20, 21 и 22, каждое из которых содержит два соединенных последовательно резистора и конденсатор, подключенный одним концом к земле, а другим - к точке соединения двух резисторов. Интегральная схема IC 4053 представляет собой стандартный компонент, у которого сигналы, действующие на линиях управления A, B и C, управляют выходным сигналом, появляющимся на соответствующих выходных линиях, переключаемых между присоединенными входными линиями. Например, импульсное высокочастотное напряжение HF, поступающее на линию управления A, переключает вход между V1 и землей (входные сигналы затем модулируются сигналами с выходов в виде импульсов с модулированной шириной). Аналогичным образом сигналы с модулированными по ширине импульсами, поступающие на линии управления B и C, будут подключать V2 или землю и V3 или землю к выходам B и C соответственно.
Сигналы с модулированными по ширине импульсами известны в данной области техники и могут быть представлены действующим сигналом с попеременно возрастающей и уменьшающейся скважностью. Например, в случае 16-ти битового сигнала с модулированными по ширине импульсами выходной сигнал будет максимальным для 1/16 от полной ширины импульса, затем для 2/16 от ширины импульса, 3/16 и т.д. После достижения пиковой величины скважность затем медленно уменьшается. В настоящем варианте осуществления изобретения сигнал PWM с модулированными по ширине импульсами, поступающий на линии управления B и C, вызывает появление сигналов с модулированными по ширине импульсами величиной V2 и V3 на выходах B и C соответственною. Относительное инвертирование потенциальных входов, находящихся на B и C, на землю означает, что импульсный сигнал, находящийся на B, возрастает, а находящийся на C уменьшается и наоборот. Интегрированием модулированных по ширине импульсных сигналов, поступающих с выходов B и C, интегрирующими средствами 21 и 22 обеспечивается получение противоположно направленных возрастающего и спадающего пилообразных сигналов. Интегрирующие средства могут просто включать в себя устройство из емкости и сопротивления типа, показанного на чертеже. Указанные возрастающий и спадающий пилообразные сигналы определяют верхнюю и нижнюю полосы у модулирующей огибающей и модулируют входные сигналы V1 и земляной, когда они подключаются к входу A. Как уже упоминалось, высокочастотный импульсный сигнал HF, подаваемый на линию управления A, осуществляет переключение между V1 и землей, в результате чего на выходе A появляется модулированный импульсный сигнал. Этот модулированный импульсный сигнал может быть затем просто подвергнут интегрированию с получением модулированного треугольного пилообразного сигнала, показанного на фиг. 3.
Из фиг. 1 видно, что в схему введены фильтры 5 и 6 с величиной частоты среза, лежащей ниже половины частоты проведения замеров (частота Найквиста) преобразователем и составляющей 2,125 кГц. Частота пилообразной компоненты выбирается таким образом, чтобы она превышала частоту среза и была ниже половины частоты проведения замеров. Относительные значения каждой частоты могут быть выбраны при реализации устройства. В типичном случае пилообразная колебательная частота должна быть на несколько герц ниже частоты Найквиста, тогда как каждая ветвь модулирующей огибающей в типичном случае должна характеризоваться частотой, составляющей менее герца. Использование модуляционной огибающей, а не пилообразного сигнала (как это показано на фиг. 4) означает, что в полосе сигнала, представляющей интерес, не могут появиться нежелательные частотные компоненты из этого модулирующего сигнала.
На фиг. 6 показано влияние выбора пилообразного сигнала с частотой, несколько более низкой, чем половина частоты проведения замеров аналого-цифровым преобразователем. Результаты показаны с учетом использования немодулированного пилообразного сигнала, но характеризующегося такой же протяженностью, что и модулированный сигнал. Пилообразный сигнал является сигналом, у которого половина периода t2 несколько превышает период произведения замеров t1 у преобразователя. Таким образом, первый замер при t1 будет содержать небольшую положительную величину d1, поступающую от колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала, при втором замере появится несколько большая отрицательная величина d2, затем - несколько большая положительная величина d3, затем - несколько большая отрицательная величина d4 и т.д. Эти колебательные подмешиваемые псевдослучайные сигналы подаются на токовый аналоговый вход 1 и преобразуются. На выходе преобразователя появляется в результате частотный спектр, характеризующийся наличием преобразованной в цифровую форму токовой величины переменного напряжения на частоте 50 Гц, и колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала (включая ошибки квантования) с частотой, близкой половине частоты проведения замеров. Для вычитания колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала после преобразования в варианте осуществления изобретения предусмотрены, средства перевода цифровых данных в десятичную форму, которые эффективно суммируют соседние замеренные величины. Из фиг. 6 видно, что первая цифровая величина соответствует преобразованной величине 1 + d1, а вторая - соответствует 1 - d2. При сложении этих двух величин получается величина 21 - (d2 - d1). Если считать, что добавки d1 и d2 являются близкими по величине, то преобразованная величина разности d2 - d1 оказывается пренебрежимо малой. Считая, что относительные частоты у преобразователя и у пилообразного сигнала выбраны правильно, приходим к выводу, что вклад от остаточных величин должен изменяться между нулем и единичным уровнем квантования, что зависит от относительного положения соответствующих величин по отношению к ближайшим ступеням квантования. Следовательно, средства перевода в десятичную форму эффективно отфильтровывают или, по крайней мере, сильно ослабляют колебательный шумовой сигнал и выдают токовый сигнал удвоенной величины, но половинной частоты.
В десятичную форму также переводится преобразованный потенциальный сигнал U, чем обеспечивается сохранение фазового сдвига между током и напряжением. Хотя средства перевода в десятичную форму 7 и 8 и показаны в виде раздельных логических элементов, на практике эти функциональные операции могут быть осуществлены упоминавшимся микропроцессором. Приемлемыми являются и другие способы перевода в десятичную форму, например, посредством суммирования взвешенных величин трех или большего числа соседних цифровых выходных сигналов.
После перевода в десятичную форму преобразованные потенциальный и токовый сигналы поступают в обычную схему умножения 2 и затем в интегратор или накопитель 3, в результате чего устанавливается величина потребляемой энергии. Любой шумовой сигнал, оставшийся после проведения процесса перевода в десятичную форму, будет представлять собой прямоугольный импульсный сигнал относительно низкой частоты. Фактическая частота у сигнала прямоугольной формы будет зависеть от амплитуды пилообразного сигнала, частоты пилообразного сигнала, частоты проведения замеров и размера интервала квантования, но в общем случае она должна быть много меньше частоты источника переменного напряжения. Величина этого сигнала прямоугольной формы должна быть равна одному уровню квантования. Проведением интегрирования за некоторый промежуток времени можно тем самым также устранить влияние любого остаточного шума; при этом любой положительный вклад, внесенный колебательным подмешиваемым псевдослучайным сигналом в текущую суммарную величину, устраняется обратным отрицательным вкладом равной величины. Для данной величины входного сигнала цифровой выходной сигнал, полученный после проведения вычитания по диапазону изменения первого колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала, будет соответствовать последовательности величин, изменяющихся по амплитуде примерно в пределах одного уровня квантования, где средняя величина будет соответствовать фактической величине входного сигнала.
На практике можно исключить стадию перевода в десятичную форму и проводить усреднение преобразованных токовых величин с добавленной компонентой, изменяющейся в пределах всего диапазона воздействия периодического первого колебательного подмешиваемого псевдослучайного сигнала. В случае данного входного сигнала цифровой выходной сигнал у аналого-цифрового преобразователя включает в себя входные сигналы, шум квантования и колебательные подмешиваемые псевдослучайные компоненты, находящиеся между частотой среза фильтра и частотой Найквиста. Поскольку информация о входной амплитуде статистически не коррелируется с колебательными подмешиваемыми псевдослучайными компонентами у цифрового сигнала, цифровой токовый сигнал может быть непосредственно использован для расчета энергии. В таком случае приходится вести относительно более длительное интегрирование.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системе преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую. Целью изобретения является исключение ошибки квантования при преобразовании. Поставленная цель в первом изобретении достигается за счет использования второго вспомогательного псевдослучайного сигнала, при этом первый периодический вспомогательный псевдослучайный сигнал имеет пилообразную форму, причем перед модулированием входного сигнала первым дополнительно модулируют первый вспомогательный псевдослучайный сигнал вторым вспомогательным псевдослучайным сигналом. Согласно второму изобретению первый вспомогательный псевдослучайный сигнал получают путем модулирования исходного периодического псевдослучайного сигнала вторым вспомогательным сигналом, содержащим по меньшей мере одну составляющую, изменяющую исходный сигнал в пределах одного интервала квантования. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.
| ЕР, патент, 0181719, кл | |||
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
