Аналого-цифровой преобразователь интегральных характеристик электрических величин с мультипликативной автокоррекцией Советский патент 1985 года по МПК H03M1/06 

ключей, выход второго преобразователя напряжения в частоту каждого блока перемножпмия соединен соответственно с первыми входами первого, второго и третьего триггеров cyMi a- тора частот, вторые входы которых соединены с выходами соответственно четвертого, пятого и шестого триггеров, первые входы которых подключены соответственно к выходам первого, второго и третьего триггеров, вторые входы объединены и через инвертор подключены к входу сдвигового регистра, выходу генератора опорной частоты и третьему входу блока деления на период, а третьи входы четвертого, пятого и шестого триггеров подключены к выходам сдвигового регистра, тре- тий вход цифрового интегратора соединен с выходом элемента задержки, а первые выходы - с четвертыми входами блока деления на период, пятый вход которого соединен с вторым выходом цифрового интегратора, первым входом триггера памяти знака, второй вход которого- подключен к выходу элемента ИЛИ, второй, третий и четвертый входы блока масштабирования соединены соответственно с первым и вторым выходами блока деления на период и выходом блока извлечения корня квадратного, второй вход которого подключен к тр-етьему выходу блока деления на

5604

период и пятому входу блока масштабирования, выход которого подключен к второму входу счетчика результата, выход1-г которого являются выходными шинами, третий вход аналогового коммутатора соединен с выходом источника опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения преобразователя, в него введены вычитающий счетчик, ключ, двоичный умножитель коррекции, выполненный на элементах И, элементе ИЛИ и счетчике, первый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ сумматора частот, второй вход счетчика соединен с выходом блока управления, а выходы - с первыми входами соответствующих элементов И, вторые входы которых соединены с выходами вычитающего счетчика, а выходы с входами элемента ИЛИ двоичного умножителя коррекции, выход которого подключен к четвертому входу цифрового интегратора, причем выход блока управления соединен с первыми входами ключа и вычитающего счетчика, второй вход которого через ключ соединен с выходом блока масштабирования , при этом в сумматоре частот входы элемента ИЛИ объединены с вторыми входами первого , второго и третьего триггеров .

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С МУЛЬТИПЛИКАТИВНОЙ АВТОКОРРЕКЦИЕЙ, содержащий аналоговый коммутатор, источник опорного напряжения, три блока перемножения, каждый из которых выполнен на двух операционных усилителяхинверторах, четырех аналоговых ключах, формирователе импульсов стабильной длительности и двух преобразователях напряжения в частоту, блок управления, выполненный на нуль-ор гане., счетчике и дешифраторе, сумматор частот, выполненный на шести триггерах, сдвиговом регистре, инверторе и элементе ИЛИ, генератор опорной частоты, элемент задержки, цифровой интегратор, блок масштабирования, элемент ИЛИ, счетчик результата, триггер памяти знака и согласующее устройство, входы которого являются шинами входных сигналов, первые выходы соединены с соответствующими первыми входами аналогового коммутатора, а.второй выход - с входом нуль-органа блока управления, выход нуль-органа соединен с входом счетчика, выходы которого подключены к входам дешифратора, выходы которого являются выходами блока управления и соединены с вторыми входами аналогового коммутатора, первыми входами первого и второго аналоговых ключей каждого блока перемножения, первым и вторым входами блока деле- ния на период, первым входом блока , извлечения корня квадратного, первы ми входами блока масштабирования, первым и вторым входами цифрового интегратора, первым и вторым входами элемента ИЛИ, входом элемента i задержки, первым входом счетчика результата, каждый первый и второй выходы аналогового коммутатора соединены соответственно с входами первого и второго операционных усилителей-инверторов каждого блока перемножения и через второй и третий аналоговые ключи соединенысоответственно с входами соответствующих преобразователей напряжения в часто00 ту блоков перемножения, выходы первого и второго операционных усили;л телей-инверторов каждого блока пере9) множения соединены соответственно через первый и четвертый аналоговые ключи с входами первого и второго преобразователей напряжения в частоту, выход первого преобразователя напряжений в частоту каждого блока перемножения подключен к первому входу Соответствующего формирователя импульсов стабильной длительности, второй вход каждого из которых соединен с выходом генератора опорной частоты, а выходы - с вторыми входа- ми третьего и четвертого аналоговых

1

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в измерительно-информационных системах, автоматизированных системах управления, где предусматривается контроль и ввод данных об интегральных параметрах электрической сети (активной и реактивной энергии и мощности трехфазной цепи, действующих значений напряжения и силы переменного тока) в электронные вычислительные машины для последующей обработки.

Цель изобретения - повышение точности и упрощение преобразователя.

На чертеже изображена структурная схема электрического аналогоцифрового преобразователя интегральных характеристик электрических величин с мультипликативной автокоррекцией.

Аналого-цифровой преобразователь состоит из согласующего устройства 1, аналогового коммутатора 2, источника 3 опорного напряжения, блоков 4-6 перемножения, каждый из которых содержит входы 7-11, два операционных усилителя - инвертора 12 и 13, аналоговые ключи 14 - 17, преобразователи 18 и 19 напряжения в частоту и формирователь 20 импульсов стабильной длительности, блок 21 управления, содержащий нуль-орган 22, счетчик 23

и дешифратор 24, сумматора 25 4acTof, содержащего триггеры 26 - .«I, сдайговый регистр 32, инвертор 33 и эле мент ИЛИ 34, генератора 35 опорной частоты, двоичного умножителя 36 коррекции, содержащего счетчик 37, группу элементов И 38, элемент ИЛИ 39,вычитающего счетчика 40, ключа 41, элемента 42 задержки, цифрового интегратора 43, блока 44 деления на период, блока 45 извлекателя корня квадратного, блока 46 масштабирования, счетчика 47 результата, элемента ИЛИ 48 и триггера 49 памяти знака. Входы согласующего устройства 1 являются шинами входных сигналов, а первые выходы соединены с первыми входами аналогового коммутатора 2, второй выход Согласующего устройства 1 подключен к входу нуль-органа22, выход которого соединен с входом счетчика 23, Выходы последнего подключены к входам дешифратора 24, выходы которого соединены с вторыми входами аналогового коммутатора.2,, первыми входами аналоговых ключей 14 и 15 каждого блока 4-6, первьм и вторым входом цифрового инте/рато 43, блока 44, первыми входами блоков 45 1 46, счетчика 47, входом элемента 42, первым входом вычитающего счетчика 40,первым и вторым входами элемента ИЛИ 48, первым входом ключа 41. Каж дый первый и второй выходы аналогов го коммутатора 2 соединены с входами 9 и 11 блоков 4-6. Входы 7 и 8 каждого из блоков 4-6 подключены к входам соответственно аналоговых ключей 14 и 15, а входы 9 и 11 - к входам соответственно операционных усилителей-инверторов 12 и 13 и через аналоговые ключи 15 и 17 - к входам преобразователей 18 и 19 напряжения в частоту. Выходы операцион ных усилителей-инверторов 12 и 13 соединены соответственно через аналоговые ключи 14 и 16 с входами преобразователей 18 i 19. Выход преобразователя 18 подк очен к первому входу формирователя 20, второй вход которого соединен с входом 10 блоков 4 - 6, а выходы - с входами аналоговых ключей 16 и 17. Выход преобразователя 19 каждого блока 4-6 соединен с первым входом триггеров соответственно 26 - 28, вторые входы последних соединены с входами элемента ИЛИ 34 и выходами соответственно триггеров 29 - 31, первые входы кото рых подключены соответственно к выходам триггеров 26 - 28, вторые входы объединены и подключены через инвертор 33 к входу сдвигового регистра 32, выходу генератора 35, а третьи входы соединены с выходами сдвигового регистра 32. Выход элемента ИЛИ 34 Соединен с первым входом счетчика 37 двоичного умножителя 36 коррекции. Второй вход счетчика 37 подключен к выходу дешифратора 24. Выходы счетчика 37 соединены с первыми входами элементов И 38, вторые входы которых подключены к выходам вычитающего счетчика 40, а выходы - к входам элемента ИЛИ 39, третий вход цифрового интегратора 43 соединен с выходом элемента 42, четвертый вход - с выходом элемента 39, а выход генератора 35 соединел с третьим входом блока 44, четвертые входы которого соединены с первыми выходами цифрового интегратора 43, второй выход которого соединен с пятым входом блока 44 и первым входом триггера 49, второй вход которого соединен с выходом элемента 48. Выход генератора 35 соединен с входами 10 блokoв 4 - 6. Второй и третий входы блока 46 соединены с первым и вторым выходами блока 44, четвертый вход с выходом блока 45, второй вход которого подключен к третьему выходу блока 44 и пятому входу блока 46. Выход блока 46 подключен к второму входу счетчика 47 и через ключ 41 к второму входу вычитающего счетчика 40. Выход источника 3 соединен с третьим входом аналогового коммутатора 2. Работа аналого-цифрового преобразователя интегральных характеристик электрических величин с мультипликативной автокоррекцией отличается от работы прототипа осуществлением мультипликативной автокоррекции и введением корректирующего коэффициента. Мультипликативная автокоррекция в аналого-цифровом преобразователе производится в каждом его рабочем цикле. Цля этого блоком 21 выделяется такт коррекции, в начале которого вычитающий счетчик 40 устанавливается в состояние . , где п - число двоичных разрядов счетчика 40, счетчик 37 сбрасывается в нуль, клкт 41 замыкается, а к входу блоков 4 6 подключается опорное напряжение U| с выхода источника 3 опорного напряжения претерпевающее в аналогоцифровом преобразователе те же преобразования, что и входные токи (напряжения) .

Поэтому при проведении коррекции на выходе блока 46 формируется пачка импульсов, число N| которых определяется из выражения

N, ,(1)

где Ki - суммарный масштабный коэффициент функции преобразования аналого-цифрового преобразователя;

- корректирующий коэффициент, устанавливаемый двоичным умножителем 36 коррекции совместно с вычитающим счетчиком 40; U| - опорное напряжение

K, Np,/2 (2) где N - число, которому соответствует код в вычитающем счетчике 40, п

2 - коэффициент пересчета счетчиков 37 и 40.

Управляющим кодом двоичного умножителя 36 коррекции является код числа NOP, находящийся в вычитающем счетчике 40, причем старший разряд последнего является управляющим для младшего разряда счетчика 37 и наоборот - младший - для старшего. Число NQ(; может быть представлено так: .,

.2 -2

NOC П.Г2

+ d,

n-2

(3)

+ d

+ . .

О где d dg - состояния

d

h-( п-г разрядов вычитающего счетчика 40

((n-i 1-2 I

do могут принимать

значения О или 1). При этом при поступлении NJ импульсов на первый вход счетчика 37 с выхода элемента 34 сЗмматора 25 частот на выход первого элемента И 38 поступает число импульсов (NK /2)dn, , на выход следующего за ним элемента И 38 ( ) df.j на выход последнего элемента И 38 (N || 2)dg, На выход элемента ИПИ 39 поступает число имп-г

. п-2

+ d

п-г

4)

что Соответствует выражению (2).

При отсутствии мультипликативной погрешности аналого-цифрового преобразователя ЛК К - К О, где К - расчетное значение масштабного коэффициента функции преобразования аналого-цифрового преобразователя (число импульсов в выходной пачке блока 46 равно 2 . Поэтому при поступлении этой пачки на второй

вход вычитающего счетчика 40 его состояние не изменяется и соответствует

Г-1

числу N

ос

При наличии мультипликативной погрешности (ДК 0) число импульсов на выходе блока 46, а следовательно, и входе вычитающего счетчика 40 изменяется на некоторую величину uNp, что приводит к изменению состояния

счетчика 40 до значения, соответствую щего числу N jj. 2 - д, , а следовательно, и изменению корректирующего коэффициента К. Причем последний должен принять такое значение,

при котором при поступлении на вход двоичного умножителя 36 коррекции того же числа импульсов (N | ), что и до коррекции состояния вычитающего счетчика 40, число импульсов на входе этого счетчика будет равно 2.

Коэффициент К до и после коррекции определяется из следующих выражений (5) и (6) соответственрю:

KK 1/2; (5) к, (,-uN,,)/2 (1 -uNo /2 )/2.(6)

При этом с учетом выражения (1)

справедливы следующие соотношения K.Uy4l/2 2 +

(7)

К,.и.40 - ilTTI i- T/r 2 ,

К (8)

Ос

которые при подстановке значения , из (7) в (8) и деления обеих частей последнего на (2 + ,l) преособразуются к виду

- ftN,,(1 + -t-uN /2)(9)

ос

Разложим правую и левую часть уравнения (9) в степенные ряды

-17 - UN Of/2 1 - А N., /2 - (iN,,/2) -„(ANoc/S V „(10) 5 (1 - uNoe/2 r 1 - &N /2%

(&Noc/2) (iNoc/). (11)

I

Два первых члена степенных рядов (10) и (11) совпадают, поэтому при пренебрежении остальными их членами можно говорить о справедливости выражения (7).

Наличие третьего, четвертого и т.д. членов рядов (10) и (11) приводит к относительной методической погрешности коррекции

8 - |(ЛК/К)2.

(12)

При uK/Ki: 1%, что имеет место в реальных аналого-цифровых преобразо- , вателях с периодической (через несколько секунд) коррекцией,

S 0,015%.

Цля снижения 8„ можно увеличивать число шагов коррекции. Так, после ее. второго и третьего шага относительная методическая погрешность определяется как 3/2(ЛК/К) и - |(йК/К)

при ЛК/К 1% составляет соответственно 0,0015% и О,00015%.

Инструментальная погрешность мультипликативной автокоррекции в предлагаемом преобразователе зависит от числа разрядов вычитающего счетчика 40 и при и 12 составляет:

1:.ц. (1/2)МОО% 0,03%. (13)

В прототипе инструментальная погрешность мультипликативной автокоррекции зависит от числа разрядов вычитающих счетчиков, а также точности подборки шунтирующих резисторов и сопротивления ключей. Сопротивления резисторов в прототипе должны быть подобраны как г . г, где i - порядковый номер резистора, а г - сопротивление резистора. Однако несоответствие реальных шкал рядов высокостабильньгх резисторов этим значениям, а также сопротивления аналоговых ключей могут привести к поправке в шунтирующих сопротивлениях rj до 1%. Тогда при поступлении на вход вычитающего счетчика на первом шаге коррекции,,когда сопротивление между стабилизаторами тока и напряжения в преобразователе напряжения в частоту составляет R г/2,01, (2

1), импульсов состояние этого счетчика изменяется до значения 2 - 1, что приводит к изменению сопротивления R до значения

.о(г

(t) ,ОН(2 -1)

При этом погрешность коррекции определяется из выражения

к.и. ftN,/2,(15)

где NQP определяется из выражения

.|,о14( п ii.

- .о1.г

ос

с/б;

при п 12; S 1(,о,г - 0,5%.

Таким образом, инструментальная погрешность коррекции в предлагаемом 5 аналого-цифровом преобразователе снижается по сравнению с инструментальной погрешностью прототипа в

&K.U. K.U. ( раз.

В предлагаемом аналого-цифровом

0 преобразователе мультипликативная автокоррекция для всех блоков перемножения производится в его каждом рабочем цикле, в то время как в прототипе она производится для каждого блока 1 раз-за три рабочих цикла. При этом методическая погрешность в аналого-цифровом преобразователе по сравнению с таковой в прототипе снижается с учетом формулы (12) в

Q 9 раз.

Кроме того, в предлагаемом аналогоцифровом преобразователе по сравнению с прототипом отпадает необходимость в двух вычитающих счетчиках,

j шунтирующих резисторах и аналоговых ключах для их подключения, сдвиговом регистре, четырех ключах, трех элементах ИЛИ, элементе И, за счет чего осуществляется упрощение устройства по сравнению с прототипом.