ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ЦИФРОВОЙ КОД Российский патент 2002 года по МПК G01R19/22 G01R19/25 

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в качестве быстродействующего датчика амплитудного значения переменного напряжения при построении информационно-измерительных, регулирующих и управляющих систем.

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

Недостатками аналога являются низкое быстродействие (из-за инерционности усилителя переменной составляющей напряжения, выполненного на базе операционного усилителя с разделительным конденсатором на входе), а также высокий уровень пульсаций выходного напряжения преобразователя и, как следствие, его большая погрешность.

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

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

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является быстродействующий преобразователь переменного напряжения в постоянное [3], содержащий трансформатор, две диодно-емкостные запоминающие ячейки, инвертор, два повторителя напряжения, четыре коммутатора, нуль-орган, два одновибратора, два балластных резистора, сумматор, источник напряжения смещения, сглаживающий конденсатор.

Недостатками прототипа являются сложность схемы и значительная погрешность, вносимая диодами, а также узкие функциональные возможности - с его помощью может быть получена только аналоговая величина и не может быть получен эквивалентный цифровой код.

Технические задачи, решаемые изобретением - упрощение и повышение точности преобразователя, а также расширение его функциональных возможностей за счет получения на выходе цифрового кода.

Указанные технические задачи решаются благодаря тому, что в быстродействующий преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий пороговый элемент, первый и второй одновибраторы, резистор, первый и второй конденсаторы, коммутатор, трансформатор, выводы первичной обмотки которого соединены со входными зажимами преобразователя, а второй вывод вторичной обмотки соединен с шиной нулевого потенциала, вторая обкладка первого конденсатора соединена с первым выводом резистора, выход первого одновибратора соединен с управляющим входом коммутатора, вход повторителя напряжения через второй конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала, дополнительно введены первый и второй формирователи модуля, аналого-цифровой преобразователь, источник опорного напряжения, генератор прямоугольных импульсов, регистр и фильтр нижних частот, вход которого подключен к первому выводу вторичной обмотки трансформатора, а выход соединен с объединенными первой обкладкой первого конденсатора и входом первого формирователя модуля, выход которого соединен с информационным входом коммутатора, выход которого соединен со входом повторителя напряжения, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а информационный выход соединен с информационным входом регистра, вход записи которого подключен к выходу готовности аналого-цифрового преобразователя, а выход регистра является выходом преобразователя, второй вывод резистора соединен с шиной нулевого потенциала, первый вывод резистора соединен со входом второго формирователя модуля, выход которого соединен со входом порогового элемента, инверсный выход которого соединен со входом первого одновибратора, выход которого соединен с инверсным входом второго одновибратора, выход которого соединен со входом запуска аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов; повторитель напряжения содержит операционный усилитель, выход которого является выходом повторителя напряжения и соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого является входом повторителя напряжения; формирователь модуля содержит инвертор и "идеальные" диоды положительной и отрицательной полярности, входы которых объединены между собой и подключены ко входу формирователя модуля, выход которого подключен к объединенным выходам "идеального" диода положительной полярности и инвертора, вход которого подключен к выходу "идеального" диода отрицательной полярности; "идеальный" диод положительной полярности содержит диод и операционный усилитель, выход которого соединен с анодом диода, катод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и с выходом "идеального" диода положительной полярности, вход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя; "идеальный" диод отрицательной полярности содержит диод и операционный усилитель, выход которого соединен с катодом диода, анод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и с выходом "идеального" диода отрицательной полярности, вход которого соединен с неинвертирцющим входом операционного усилителя; инвертор содержит операционный усилитель, выход которого является выходом инвертора и через резистор обратной связи соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который через входной резистор подключен ко входу инвертора, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с шиной нулевого потенциала.

Существенными отличиями предлагаемого устройства являются введение первого и второго формирователей модуля, аналого-цифрового преобразователя, источника опорного напряжения, генератора прямоугольных импульсов, регистра и фильтра нижних частот, а также новая организация связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширения функциональных возможностей, упрощения и повышения точности преобразователя.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя, фиг.2 - схема повторителя напряжения, фиг. 3 - схема формирователя модуля, фиг.4 и 5 - соответственно схемы "идеальных" диодов положительной и отрицательной полярности, фиг.6 - схема инвертора, фиг. 7 - графики изменения напряжения на элементах схемы преобразователя.

Преобразователь (фиг. 1) содержит входные зажимы 1 и 2, соединенные соответственно с первым и вторым выводами первичной обмотки трансформатора 3, второй вывод вторичной обмотки которого соединен с шиной нулевого потенциала, а первый вывод через фильтр 4 нижних частот (ФНЧ) соединен со входом первого формирователя 5 модуля (ФМ), связанным через последовательно соединенные первый конденсатор 6 и резистор 7 с шиной нулевого потенциала, выход первого ФМ 5 соединен с информационным входом коммутатора 8, выход которого соединен со входом повторителя 9 напряжения (ПН), связанным через второй конденсатор 10 с шиной нулевого потенциала, а выход ПН 9 соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 11, вход опорного напряжения которого подключен к выходу источника 12 опорного напряжения (ИОН), а информационный выход соединен с информационным входом регистра 13, вход записи которого подключен к выходу готовности АЦП 11, а выход регистра 13 является выходом преобразователя, общая точка между первым конденсатором 6 и резистором 7 соединена со входом второго ФМ 14, выход которого через последовательно соединенные пороговый элемент 15 (ПЭ) с инверсным выходом и первый одновибратор 16 соединен с управляющим входом коммутатора 8 и с инверсным входом второго одновибратора 17, выход которого соединен со входом запуска АЦП 11, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 18 прямоугольных импульсов (ГПИ).

Повторитель 9 напряжения (фиг.2) содержит ОУ 19, выход которого является выходом ПН 9 и соединен с инвертирующим входом ОУ 19, неинвертирующий вход которого является входом ПН 9.

Формирователь 5 (или 14) модуля (фиг.3) содержит инвертор 20 и "идеальные" диоды положительной 21 и отрицательной 22 полярности, входы которых объединены между собой и подключены ко входу ФМ 5, выход которого подключен к объединенным выходам "идеального" диода 21 положительной полярности (ИДПП) и инвертора 20, вход которого подключен к выходу "идеального" диода 22 отрицательной полярности (ИДОП).

"Идеальный" диод 21 положительной полярности (фиг.4) содержит диод 23 и ОУ 24, выход которого соединен с анодом диода 23, катод которого соединен с инвертирующим входом ОУ 24 и с выходом ИДПП 21, вход которого соединен с неинвертирующим входом ОУ 24.

"Идеальный" диод 22 отрицательной полярности (фиг.5) содержит диод 25 и ОУ 26, выход которого соединен с катодом диода 25, анод которого соединен с инвертирующим входом ОУ 26 и с выходом ИДОП 22, вход которого соединен с неинвертирующим входом ОУ 26.

Инвертор 20 (фиг.6) содержит ОУ 27, выход которого является выходом инвертора 20 и через резистор 28 обратной связи соединен с инвертирующим входом ОУ 27, который через входной резистор 29 подключен ко входу инвертора 20, неинвертирующий вход ОУ 27 соединен с шиной нулевого потенциала.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемое напряжение сети u(t) после понижения уровня с помощью трансформатора 3 и фильтрации высших гармонических составляющих с помощью ФНЧ 4 (имеющего частоту среза 90 Гц) преобразуется в напряжение U₄ (см. фиг.7).

Напряжение U₇ на резисторе 7 пропорционально производной напряжения U₄. Напряжение U₇ преобразуется формирователем 14 модуля в напряжение U₁₄ (см. фиг. 7) и подается на вход ПЭ 15, имеющего опорное напряжение U_ОП. В случае превышения модулем производной входного напряжения опорного напряжения U_ОП ПЭ 15 срабатывает, при малых значениях производной - отпускает. При этом на инверсном выходе ПЭ 15 появляются короткие единичные импульсы (см. фиг.7), запускающие одновибратор 16. На выходе последнего появляются также короткие импульсы, открывающие коммутатор 8, через который конденсатор 10 заряжается до уровня амплитуды напряжения U₄ (см. напряжение U₁₀ на фиг.7).

При сработавшем состоянии ПЭ 15 его выходное напряжение равно нулю, коммутатор 8 закрыт, напряжение на конденсаторе 10 поддерживается постоянным и равным амплитудному значению напряжения U₄(t).

Заканчиваясь, выходной импульс первого одновибратора 16 запускает второй одновибратор 17, который приводит в действие АЦП 11. Выходной код АЦП 11, пропорциональный амплитуде первой гармонической составляющей входного напряжения u(t), сигналом с выхода готовности АЦП 11 вписывается в регистр 13.

Преимуществами предлагаемого технического решения по сравнению с известными являются расширение функциональных возможностей, упрощение и повышение точности преобразователя. Схема устройства реализуется на интегральных микросхемах отечественного производства.

Список использованных источников информации
1. Ермаков В.Ф., Теребаев В.В. Быстродействующий преобразователь переменного напряжения в постоянное //Изв. вузов. Электромеханика. - 1981. - N 8. - С.934-935.

2. А.с. 1033977 СССР, кл. G 01 R 19/22, 1982.

3. Свид. на полезную модель 204 РФ, кл. G 01 R 19/22, 1995 (прототип).

Использование: в качестве быстродействующего датчика амплитудного значения переменного напряжения при построении информационно-измерительных, регулирующих и управляющих систем. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, упрощении и повышении точности преобразователя. Преобразователь содержит входные зажимы, трансформатор, фильтр нижних частот, первый и второй формирователи модуля, первый и второй конденсаторы, резистор, коммутатор, повторитель напряжения, аналого-цифровой преобразователь, источник опорного напряжения, регистр, пороговый элемент, первый и второй одновибраторы, генератор прямоугольных импульсов, 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Преобразователь переменного напряжения в цифровой код, содержащий пороговый элемент, первый и второй одновибраторы, резистор, первый и второй конденсаторы, коммутатор, трансформатор, выводы первичной обмотки которого соединены с входными зажимами преобразователя, а второй вывод вторичной обмотки соединен с шиной нулевого потенциала, вторая обкладка первого конденсатора соединена с первым выводом резистора, выход первого одновибратора соединен с управляющим входом коммутатора, вход повторителя напряжения через второй конденсатор соединен с шиной нулевого потенциала, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй формирователи модуля, аналого-цифровой преобразователь, источник опорного напряжения, генератор прямоугольных импульсов, регистр и фильтр нижних частот, вход которого подключен к первому выводу вторичной обмотки трансформатора, а выход соединен с объединенными первой обкладкой первого конденсатора и входом первого формирователя модуля, выход которого соединен с информационным входом коммутатора, выход которого соединен с входом повторителя напряжения, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а информационный выход соединен с информационным входом регистра, вход записи которого подключен к выходу готовности аналого-цифрового преобразователя, а выход регистра является выходом преобразователя, второй вывод резистора соединен с шиной нулевого потенциала, первый вывод резистора соединен с входом второго формирователя модуля, выход которого соединен с входом порогового элемента, инверсный выход которого соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с инверсным входом второго одновибратора, выход которого соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что повторитель напряжения содержит операционный усилитель, выход которого является выходом повторителя напряжения и соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого является входом повторителя напряжения. 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что формирователь модуля содержит инвертор и "идеальные" диоды положительной и отрицательной полярности, входы которых объединены между собой и подключены к входу формирователя модуля, выход которого подключен к объединенным выходам "идеального" диода положительной полярности и инвертора, вход которого подключен к выходу "идеального" диода отрицательной полярности. 4. Преобразователь по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что инвертор содержит операционный усилитель, выход которого является выходом инвертора и через резистор обратной связи соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который через входной резистор подключен к входу инвертора, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с шиной нулевого потенциала. 5. Преобразователь по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что "идеальный" диод положительной полярности содержит диод и операционный усилитель, выход которого соединен с анодом диода, катод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и с выходом "идеального" диода положительной полярности, вход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя. 6. Преобразователь по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что "идеальный" диод отрицательной полярности содержит диод и операционный усилитель, выход которого соединен с катодом диода, анод которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и с выходом "идеального" диода отрицательной полярности, вход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя.