Аналого-цифровой преобразователь действующего значения напряжения Советский патент 1990 года по МПК H03M1/58 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при измерении действующего значения напряжения произ- вольной формы, в том числе и с наличием постоянной составляющей.

Цель изобретения - повышение точности преобразования сигналов с постоянной составляющей.

На чертеже представлена блок-схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) действующего значения напряжения .

Устройство содержит ключи 1-4, источники 5, 6 опорного напряжения, усилитель 7, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 8, квадратор 9, умножающий ЦАП 10, блок 11 коррекции нуля, интегратор 12, блок 13 разряда- АЦП 14, регистры 15-17, блок 18 сравнения кодов, реверсивный счетчик 19, суммирующий блок 20, блок 21 деления, блок 22 извлечения квадратного корня, генератор 23 импульсов, счетчик 24, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 25,

Цикл работы устройства состоит из шести тактов фиксированной длительности. Длительность и порядок тактов определяются кодами, хранящимися в управляющем ПЗУ 25, выборка которых осуществляется при помощи счетчика 24. Первьй такт - коррекция. Состояние с первого по девятый выходов ПЗУ 25 таково, что ключ 2 замкнут, осталЕг- ные ключи разомкнуты, регистры 15-17 находятся в пассивном состоянии, включены блок t1 коррекции нуля и блок 13 разряда, блок 22 извлечения квадратного корня выключен. При этом

сд

00 СП

00 СО 00

первый вход усилителя 7 подключён к общей шине, корректируется выходное напряжение кбадратора 9, которое в момент начала коррекции равно

и ко + К.

, cirty

/Ку,е

смг(

Ку,и)

KvA

KjUcKHe ;

где К„ и К

- коэффициенты переда чк усилителя 7 соответственно по первому и по второму входам; 15 К,, и К., - коэффициенты переда К,

К

чи квадратора 9 по первому входу для линейной и- для квадратичной состав;ляю1цей д соответстзенно; - коэффициент передачи квадратора 9 по второму входу.;;

Uy, + ,,f .

Вькодное напряжение квадратора 9 с учетом работы блока 11 коррекции нуля равно

UK . е.-ь К иекнГ KK/v,Ue.(Ky,U5 - -- 2 ,- 2 )- Кк,К,и.

с/«у Смк

Выходное напряжение интегратора 12 в конце второго такта с учетом - напряжения смещения 25 максимального коэффициента передачи

нуля соответственно умножающего ЦАП 10 равно .усилителя 7, приведенное к его первому входу, и квадратора

Длительность второго такта выбрана в пределах примерно 5-10% от общей длительности цикла измерения (нижний предел обусловлен требованиями достаточной точности интегрирования, верхний - допустимыми потерями времени).

Выходное напряжение усилителя 7 во втором такте равно

10

15

Uy, + ,,f .

Вькодное напряжение квадратора 9 с учетом работы блока 11 коррекции нуля равно

UK . е.-ь К иекнГ KK/v,Ue.(Ky,U5 - -- 2 ,- 2 )- Кк,К,и.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении напряжения сигналов произвольной формы. Целью изобретения является повышение точности преобразования сигналов с постоянной составляющей. Для достижения поставленной цели в устройство введены цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, блок сравнения кодов, реверсивный счетчик, суммирующий блок, счетчик, постоянное запоминающее устройство, блок деления и блок извлечения квадратного корня. В каждом цикле преобразования осуществляется автоматическая подстройка паразитной линейной составляющей выходного напряжения квадратора, за счет чего повышается точность. 1 ил.

и.

и и

скн,

9, приведенное к его выходу;

- выходные напряжения соотвсчтственно ЦДЛ 8 и блока 11 коррекции нуля в момент начала коррекции.

Длительность первого такта определяется временем коррек11;ии квадратора 9 и разряда интегратора 12. Состояние группы выходов ПЗУ 25 - произвольное. По окончании первого такта выходное напряжение блока 11 коррекции нуля равно

к,.- К.и,). К,, -ь К,Д5-ьее,,,

ски, ,(К

Второй такт - интегрирование функционально преобразованного выходного напряжения и источника 6 Состояние с первого по девятый выходов ПЗУ 25 таково, что ключ 4 замкнут, остальные ключи разомкнуты блок 11 коррекции нуля, блок 13 и блок 22 выключены, состояние группы выходов ПЗУ 25 соответствует максимальному коэффициенту передачи умножающего ИДИ 10 Y. /.

к,,к ,

(Где К j - коэффициент передачи интегратора 12;

t Htj -моменты времени соответственно начала и конца второго такта.

В момент окончания второго такта управляющим сигналом на шестом выходе ПЗУ 25 производится запись в первый регистр 15 выходного кода М АЦП 14, которьй равен

«, дцпии,

где К ц - коэффициент преобразования А1ДП 14.

Третий такт - полностью аналогичен первому и необходим для восстановления начальных условий интегрирования.

Четвертый такт - инт егрирование функционально преобразованного выходного напряжения U источника 5 (напряжения первого и второго источников опорного напряжения равны по модулю, но противоположны по знаку).

Состояние с первого по девятый выходов ПЗУ 25 таково, что ключ 3 замкнут, остальные ключи разомкнуты, блоки 13 н 22 выключены. Состояние ,л 15ь:ходов ПЗУ 25 соответствует К6 11лительность четвертого ц лмяке

такта строго равна длительности второго такта,

Выходное напряжение интегратора 12 Е конце четвертого такта равно

StK,

tj

,,+ 2 ) + . ,Ujdt,

и,. К, К, 1к.. к и (К, и.

4 Ц Ц мкхс О - К У, О 5( tj

+ 2 К., е

где t и t - моменты времени соответственно начала и . конца четвертого такта, В момент окончания, четвертого так- так управляющим сигналом на седьмом выходе ПЗУ 25 производится запись во второй регистр 16 выходного кода N АЦП 14, которьм равен N Кдц(,иц.. Коды N и NJ поступают на блок 18 сравнения кодов,, пои которого определяется знак разности Nj-N,, или (что аналогично) определяется знак ве20

т.е. не зависящий от паразитной линейной составляющей выходного напряжения квадратора.

Пятый такт - полностью аналогичен первому и третьему тактам,

Кестой такт - интегрирование функ) ционально преобразованного измеряемого напряжения ),, Состояние с первого по девятый выходов ПЗУ 25 та- 25 KOBOj, что ключ 1 замкнут, остальные ключи разомкнуты, блоки 11 и 13 вы- 1шючены, Усреднение функционально преобразованного входного напряжения производится известнь м методом весоПл

2 К., К.

личины Кпд.-ЗО вого интегрирования, что позволяет

измерять сигналы произвольной формы, в том числе и непериодические. Весовая функция oJ(t) реш1изуется методом

, .ступенчатой аппроксимации при помощи

Данное вьфажение отражает погреш- ic умножающего 11АП 10, работающего в ре, ему

,

- 2 К ,К П чность от линейной составляющей выходного напряжения квадратора. Очевидно, что при.

жиме управляемого делителя тока, в соответствии с кодами, хранящимися в ПЗУ 25 и определяняцими вид весовой функции Длительность шестого такта

яаЧ

К

К

С/лу

2 К 1 К у к У

Эта Погрешность равна нулю.

По окончании четвертого такта и сравнения кодов на пятом выходе ПЗУ 25 появляется короткий импульс, поступающий на вход реверсивного счетчика 19, на входе направления счета которого в этот момент имеется логический уровень, зависящий от знака ПА если К f, 7 О, то состояние реверсивного счетчика 19 уменьшается на единицу, а в противоположном piy- чае -увеличивается. Соответственно изменяется и напряжение Цц.

Таким образом, с учетом того, что составляющая К„, дрейфует достаточно

иЛ

0 выбирается в зависимости от минималь кой частоты измеряемого сигналау требуемого подавления переменной составляющей и вида весовой функции, На- пример, известно, что функция Дольфаде Чебышева при длительности интервала времени усреднения 3,2 периода усредняемого напряжения минимальной частоты обеспечивает подавление переменной составляющей на 80 дБ,

ел Выходное напряжение интегратора 12 в конце шестого такта равно

ч

55

м, К„К,К; S U)(t)u2 (t)dt

5

K«K,,(t - t5)w + cf ,

. медленно, в каждом цикле преобразова- где J- остаточная погрешность от не585 986

ния происходит приближение напряжения Иц к требуемому, а -в установившемся режиме происходят небольшие колебания ,

5 Уц (х 1 единица младшего разряда U-АП 8) вокруг положения равновесия, что фактически не снижает точности устройства и ими можно пренебречь, Кроме того, коды М и Nj поступают

10 на суммирующий блок 20, на выходе ко- торого будет код Nj, равный

N, . М

, + NJ - K m5KyKj y 5j K,,Ug X

x(t + (tj - t,),

т.е. не зависящий от паразитной линейной составляющей выходного напряжения квадратора.

Пятый такт - полностью аналогичен первому и третьему тактам,

Кестой такт - интегрирование функ) ционально преобразованного измеряемого напряжения ),, Состояние с первого по девятый выходов ПЗУ 25 та- KOBOj, что ключ 1 замкнут, остальные ключи разомкнуты, блоки 11 и 13 вы- 1шючены, Усреднение функционально преобразованного входного напряжения производится известнь м методом весожиме управляемого делителя тока, в соответствии с кодами, хранящимися в ПЗУ 25 и определяняцими вид весовой функции Длительность шестого такта

выбирается в зависимости от минималь кой частоты измеряемого сигналау требуемого подавления переменной составляющей и вида весовой функции, На- пример, известно, что функция ДольфаЧебышева при длительности интервала времени усреднения 3,2 периода усредняемого напряжения минимальной частоты обеспечивает подавление переменной составляющей на 80 дБ,

Выходное напряжение интегратора 12 в конце шестого такта равно

ч

55

м, К„К,К; S U)(t)u2 (t)dt

5

K«K,,(t - t5)w + cf ,

- п олуого подавления переменн составляющей функционально преобразованного входного сигнала, которая равна

t

, Iw(t)U, (t) - if

2

- ;

Uo. действующее значение преобразуемого сигнала;

w среднее значение функции w(t) за интервал времени

В момент окончания шестого такта у равляюищм сигналом на восьмом выхо д|е ПЗУ 25 производится запись в .регистр 17 вькодного кода АЦП 14 Ы

: При помощи блока 21 деления осуще с|гвляется деление кода N на N, .- С учетом того, что величина «Р мала и е|о можно пренебречь, выходной код бл ка 21 деления равен

Hs,

Nj

UxA W(t {,- t5)

К

u, маис

u|T(t,

После окончания шестого такта и операции деления сигналом на девятом вЬпсоде ПЗУ 25. включается блок 22 из- влечения квадратного коркя, при помощи которого производится вьтисление по формуле

N, K W, и,„

где К - коэффициент передачи блока 22 извлечения квадратного корня, равный

.

|Кч.мс.кс() -(Ч-Ь)3 - - . и код М, поступает на выход устройст- сд ва.

Таким образом, благодаря автоматической следящей подстройке напряжения омещения усилителя 7 за счет вновь введенных ЦАП 8,, блока 18 сравнения - Йодов, реверсивного счетчика 19j сум- iиpyющeгo блока 20 удалось достигнуть Момпенсашш линейной составляющей вы- «одного напряжения квадратора 9

g

5

5

0

0

5

д

-

Б реальных условиях эксплуатации параметры внешней среды, а следова- ; тельно, и коэффициенты передачи, напряжения смещения аналоговых узлов изменяются достаточно медленно. Вследствие этого быстродействие преобразования устройства мЬ)1;ет быть значительно повышено. Это достигается тем, что без снижения точности с первого по четвертый такты преобразования могут производиться один раз за несколько циклов преобразования (при этом коды

N и N2 будут храниться в соответст- вующих регистрах).

Формула изобретения

Акалого-цифровой преобразователь действующего значения напряжения, содержащий первьш,, второй, третий и четвертый ключи,, информационные входы которых соединены соответственно с входной ииной устройства, с общей шиной, с выходом первого источника опорног о напряжения и с выходом второго источника опорного напряжения, выходы объединены и соединены с пер- зьп входом усилителя, выход которого соединен с. первым входом квадратора, выход которого соединен с аналоговым. входом умножающего цифроаиалогового преобразователя,, интегратор, первый и второй входы которого соединены с соответствуюгоимм вькод,а{.-1И блока раз- ряда генератор имггульсов первый, второй и третий регистры к блок коррекции нуля,, первьтй вход которого соединен с общей ииной, отличающийся тем; что, с целью повышения точности преобразования сигналов с постоянной составляющей, в него введены счетчикj цифроанапого- вый преобразовательр реверсивный счетчик,, блок сравнения кодов, блок деления, блок извлечения квадратного корня, cy fмиpyющий блок ,постоянное запоминающее устройство аналого-цифровой преобразователь, вход которого

I соединен с выходом интегратора, а выходы соединены с соответствующими информационными входами первого, второго и третьего регистров, выходы первого регистра соединены с соответствующими входами первых групп

.входов блока сравнения кодов и сумми- ру сщего блока, входы вторых групп входов которых соединены с соответст

.вуюшимк вьжодами второго регистра.

выходы третьего регистра соединены с соответствующими входами первой группы входов блока деления, входы второй группы входов которого соединены с соответствующими выходаьда суммирующего блока, а выходы - с соответствующими информационными входами блока извлечения квадратного корня, выходы которого являютса выходной шиной, выход генератора импульсов соединен с входом счетчика, выходы . которого соединены с соответствующими входами постоянного запоминающего устройства, группа выходов которого соединена с соответствуняцими цифровыми входами умножающего илфроанало- гового преобразователя, первьй, второй, третий и четвертый выходы постоянного запоминающего устройства соединены соответственно с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого ключей, пятый вы

ход - с управляющим входом реверсивного счетчика, шестой, седьмой и вось мой выходы - с управляющими входами соответственно первого, второго и третьего регистров, девятый вьпсод соединен с управляющим входом блока извлечения квадратного корня, второй вход блока коррекции нуля соединен с

выходомквадратора, а выход -с вторым входом квадратора, информационные входы цифроаналогового преобразователя соединены с соответствующими выходами реверсивного счетчика, а выход - с вторым входом усилитепя, управляющие входы блока коррекции нуля и блока разряда соединены с втор.ым выходом постоянного запоминающего устройства, при этом выход блока сравнения кодов соединен с информационным входом реверсивного счетчика, а третий вход интегратора подключен к выходу умножа- - ющего цифроаналогового преобразователя.