Цифровой измеритель Советский патент 1991 года по МПК G01R19/25 

Фиг 1

V/CpU/lP

Изобретение относится к контроль но-иэмерительной технике и может быть использовано в системах контроля и управления технологическими процесса- ми в электроэнергетике и других об ластях при вычислении параметров сигнала переменного тока, как среднее действующее значение и актив- ная мощность.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения возможности вычисления активной мощности в цепи

сигнала переменного тока.

i

На изображена функциональная схема цифрового измерителя; на фиг.2 - функциональная схема блока управления.

Цифровой измеритель содержит умножитель 1 частоты (УЧ), генератор 2 импульсов (ГИ), блок 3 управления (БУ), счетчик 4 объема выборки, АЦП 5, блок 6 преобразования кода (ВПК), сумматор 7, регистр 8 сдвига, выходной регистр 9, аналоговый вычита- тель 0, аналоговые запоминающие блоки (АЗУ) 11-13 и аналоговый коммутатор 14, причем выход ГИ 2 соединен с первыми входами УЧ 1 и БУ 3, выход УЧ 1 соединен с вторым входом БУ 3, вход суммирования счетчика 4 объема выборки соединен с первым выходом БУ 3, а выход переполнения - с тре- тьим входом БУ 3, входы тактирования и управления АЦП 5 соединены с вторым и третьим выходами БУ 3 соответст венно, а выход готовности АЦП 5 - с четвертым входом БУ 3, цифровой вход АЦП 5 соединен с выходом переполнения сумматора 7, а информационные выходы АЦП 5 - с входами ВПК 6 и выходного регистра 9, выходы которого являются выходами цифрового измери- теля, выходы ВПК 6 соединены с первыми входами сумматора 7, вторые входы которого соединены с выходами регистра 8 сдвига, входы которого соединены с выходами данных сумматора 7, входы тактирования и управления регистра 8 сдвига соединены с четвертым и седьмым выходами БУ 3, а вход сброса регистра 8 сдвига - с входом тактирования выходного регистра 9 и пятым выходом БУ 3, первый вход аналогового вычитателя 10 соединен с входом данных АЗУ 11 и является первым входом цифрового измерителя для

напряжения, пропорционального току в сети, второй вход аналогового вычи- тателя 10 соединен с входом данных АЗУ 13 и вторым входом УЧ 1 и является вторым входом цифрового измерителя для напряжения сети, выход аналогового вычитателя 10 соединен с входом данных АЗУ 12, выход которого соединен с третьим входом аналоговог коммутатора 14, выход АЗУ 11 соеди- не ; с первым входом аналоговог j коммутатора 14, а выход АЗУ 13 - с вторым входом, входы управления АЗУ 11- 13 соединены с Ш( стым выходом БУ 3, восьмой и девятый выходы которого соединены с первым и вторым входами управления аналогового коммутатора 14, десятый выход - с входом переноса сумматора 7, одиннадцатый и двенадцатый выходы -с упралляющими входами ВПК 6, пятый, шестой и седьмой входы БУ 3 являются входами задания режима работы цифрового измерителя. При этом БУ 3 содержит суммирующий счетчик 15, постоянный запоминающий блок (ПЗУ) 16, вычитающий счетчик 17 элементы И 18-22, элементы ИДИ 23 и 24 и элемент НЕ 25 Выходы данных счетчика 15 соединены с входами младших адресных разрядов ПЗУ 16, вход суммирования счетчика 15 соединен с выходом элемента И 18, а вход сброса счетчика 15 является вторым входом БУ 3, первый вход элемента И 18 со- едлнен с входом вычитания счетчика 17, с первыми входами элементов И 21 и 22 и является первым входом БУ 3, второй вход элемента И 18 является четвертым входом БУ 3, третий вход элемента И 18 соединен с выходом элемента ИЛИ 23, четвертый вход - с выходом элемента ИЛИ 24, а пятый вход - с пятнадцатым выходом ПЗУ 16. Четвертый адресный вход ПЗУ lb соединен с выходом элемента И 19, пятый - с выходом элемента И 20, а шестой - с входом элемента НЕ 25 и является седьмым входом БУ 3, первый - десятый выходы ПЗУ 16 являются первым, третьим, седьмым, пятым, шестым, восьмым, девятым, десятым, одиннадцатым и двенадцатым выходами БУ 3 со- ответ гвенно, одиннадцатый и двенадцатый выходы ПЗУ 16 соединены с вторыми входами элементов И 21 и 22 соответственно, выходы которых являются вторым и четвертым выходами БУ 3, тринадцатый выход ПЗУ 16 соединен с

5I

первым входим элемента ИЛИ 23, и т строй вход которого является третьим входом БУ 3, четырнадцатый выход ПУ 16 соединен с первым входом элемента ИЛИ 24 и входом синхронизации записи параллельного кода счетчика 17, выход переполнения которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ 24, выход элемента НЕ 25 соединен с первыми входами элементов И I9 и 20, вторые входы которых являются соответственно пятым и шестым входами ВУ 3,входы данных счетчика 17 соединены с шинами уровней логических нуля и единицы в ci. тветстнии с кодом числа log IN, где N - бъем выборки, выход коммутатора 14 соединен с аналс г с.рым входом АЦП 5.

Цифровой измеритель работает дующим образом

Перел началом работы злдакт тип измеряемого парсТ стра цепи переменного тока (среднего или дейс /иуюте о значения тока или Нппря ення н сети или активной мощности) путем подачи соответствующих кодовых комбинации )а пятый, шестой и сед мой нходы RV 3. Предварительной установит цифровой измеритель не треГ.ует, так как после вычислении очередного резупьта та он переходит в исходное отстояние Периодический cm нал, представляющий входной сигнат напряжения, поступает на суммг ру.ощий вход аналогового вычитг теля 10, ихид данных АЗУ 13 и вход УЧ 1 Последний формирует на своем выходе импутыы через одинаковые интервали времени, ранные целой части периода входного сигнала Это позволяет заменигь вычисления интеграла при определении всех параметров вычислением сумм;,.

В начале очередного никла вычисления сигналом с выхода УЧ 1 сбрасывается в нуль счетчик 15. В зависимости от выбранного режима устанавливается соответствующий начальный адрес ПЗУ 16. При вычислении действующего значении входного напряжения начальный адрес равен -нулю. На шестом н седьмом выходах ПЗУ 16 устанавливается код, который через коммутатор 14 на аналоговый вход АЦП 5 подключает выход АЗУ 13, сигнал на выходе которого представляет мгновенное значение напряжения сети На втором выходе ПЗУ 16 появляется сигнал, станавлнвающий АЦП 5 в режим преоб0

5

работник аналог оного входного сигнала в код. На упранлятцие ьлидн ВПК 6 подается код, соответствующий выдаче с его выхода кода квадрата входной величины (девятый и десятый выходы ПЗУ 16) и регистр 8 сдвига устанав- пивается в режим приема параллельно- 10 кода (третий выход ПЗУ 16). На пятом вичоде ПЗУ 16 появляется сигнал, по которому прекращается запись аналоговых входных переменных во псе АЗУ. Тем самым в АЗУ запоминаются мгновенные значения входных величин,

5 соответствующие моменту поступления импульса от УЧ I Ближайший импульс от ill 2 проходит через элемент И 18 на вход суммирования счетчика 15 и изменяет адрес ПЗУ 16 на единицу На одиннадцатом выходе ПЗУ 16 появляется логическая 1, которая разрешает прохождение импульсов от ГТ1 2 на АЦП 5 через элемент И 21. За m тактов происходит преобразование мгновенного значения входного напряжения сети в код, где m - разрядность кода. До тех пор, пока идет преобразование, от АЦП 5 на второй вход элемента И 18 поступает сигнал /готического нуля и

0 блокирует прохождение импульсов от 111 2 на вход счетчика 15. Таким обратом, импульсы от П1 2 поступают на АЦП 5 до окончания преобразования По окончанию преобразования на выхо-

5 де АЦП 5 появляется код мгновенного значения входного напряжения, а на выходе ВПК 6 - квадрат этого кода

I

По первому после окончании преобразования импульсу от П1 2 счетчик 15 переводится в следующее состояние, и на выходе ПЗУ 16 появляются новые сигналы управления, благодаря которым происходит увеличение значения счетчика 4 объема выборки на единицу (сигнал с первого выхода ПЗУ 16), разрешается запись новых значений входных величин в АЗУ (сигнал с пятого выхода ПЗУ 16) и увели-

0 чнвается содержимое регистра 8 сдвига на величину квадрата кода полученного мгновенного значения путем подачи импульса на его вход записи (сигнал с двенадцатого выхода ПЗУ 16).

Одновременно устанавливается признак окончания обработки очередного отсчета мгновенного значения входного напряжения на тринадцатом выходе ПЗУ 16, который через элементы ИЛИ

0

5

23 и И 18 блокирует поступление импульсов от ГИ 2 на счетчик 15 Оче- редкой цикл обработки мгновенного значения начинается сбросом счетчика 15 импульсом от УЧ 1

После N-го цикла счетчик 4 объема выборки сбрасывается и выдает сигнал переполнения (конца выборки). При этом сигнал с тринадцатого вы- хода ПЗУ 16 не блокирует поступление импульсов от ГИ 2 на счетчик i5,rraK как сигнал переполнения счетчика 4 объема выборки, поступив на второй вход элемента ИЛИ 23, формирует сигнал логической единицы на его выходе. Таким образом, после снятия последнего отсчета мгновенного значения входного напряжения очередным импульсом от ГИ 2 счетчик 15 перево- дится в следующее состояние При этом на двенадцатом выходе ПЗУ 16 появляетсл сигнал логической 1, который через элемент И 22 пропускает импульсы от П 2 на вход тактиро- вания сдвигающего регистра 9, установленного в режим сдвига содержимог Кроме того, сигналом с девятого выхода ПЗУ 16 устанавливается признак выбора инверсных значений квадратов из ВПК 6, что необходимо для подготовки выполнения операми извлечения квадратного корня. Одновременно с тактированием регистра 8 сдвига снимается сигнал записи параллельного кода со счетчика 17, в который занесен код log N, представляющий число операции сдвига, которое необходимо произвести для выполнения деления содержимого регистра 8 сдвига на N. Пока осуществляется сдвиг (деление) на выходе элемента ИЛИ 24 установлен сигнал логического нуля, который запрещает прохождение импульсов на суммирующий вход счетчика 15, а со- держимое счетчика 17 уменьшается на 1 с каждым тактом сдвига. По окончании операции сдвига на выходе переполнения счетчика 17 устанавливается сигнал логической 1, который, про- ходя через элемент ИЛИ 24 на вход элемента И 18, разрьшает дальнейшее поступление импульсов от ГИ 2 на вход счетчика 15. Очередной импульс с ГИ 2 переводит счетчик 15 в состоя ние, при котором на вход тактирования АЦП 5 через элемент И 21 передаются импульсы от П 2 ВПК 6 фор-

Q 5 5 0 5

5

мирует на выходе код, представляющий инверсию квадрата входного кода Регистр последовательного приближения в АЦП 5 реализует стандартный алгоритм последовательных приближений, но вместо ответа схемы сравнения (сигнала от компаратора) использует выход переполнения сумматора 7. При этом происходит подбор, числа, кпад- рат которого равен или близок к лу, хранящемуся в регистре 8 сдвига. По окончании выполнения и ерчции и звлечени квадратного корня из суммы квадратов фор -ируется сигнал готовности от АЦП 5, который позволяет перевести счетчик 15 очередным импульсом от ГИ 2 в еги последнее состояние. Сигналом с четвертого выхода ПЗУ 16 производятся перезапись результата с выхода АЦП 5 в выходной регистр 9 и сброс содержимого регистра 8 сдвига..Одновременно формируется сигнад окончания вычисления на пятнадцатом выходе ПЗУ 16, который запрещает любые дальнейшие изменения состояния счетчика 15 блокировкой его входа суммирования. Повторный процесс измерения начинается по оче редкому импульсу с выхода УЧ 1.

При вычислении действующего значения протекающего в цепи тока устанавливается код управления аналоговым коммутатором 14, соответствующий подключению к входу АЦП 5 выхода АЗУ 11, в котором,запоминаются мгновенные значения напряжения, пропорционального току в сети Дальнейшие вычисления не отличаются от вычислений аналогичного параметра напряжения сети.

При измерении среднего значения напряжения или тока отсчеты мгновенных значений с выхода АЦП 5 пере даются на вход сумматора 7, минуя ВПК 6 или через него, но при этом ВПК 6 работает как повторитель при накоплении суммы и как инвертор при окончательном вычислении результата.

Вычисление активной мощности на чинается также по импульсу, посту лающему от УЧ 1. При этом запоминаются мгновенные значения входных ве личин в АЗУ и к входу АЦП 5 подклкг- чается выход АЗУ 13, в который зане сено мгновенное значение напряжения сети. Затем осуществляется преобразо вание этого мгновенного значения в

код аналогично такому же преобрази ванию при вычислении действующего значения. Квадрат мгновенного значе- ния напряжения добавляется к содержимому регистра 8 сдвига и к входу АЦП 5 подключается выход АЗУ 11, в котором хранится мгновенное значение напряжения, пропорционального току в сети. После этого производится преобразование в код этого мгновенно го значения и его квадрат также добавляется к содержимому регистра 8 сдвига. Затем вход АЦП 5 подключается к выходу АЗУ 12, хранящему мгно- венное значение разности двух предыдущих величин. ВПК 6 переключается на формирование инверсии квадрата входной величины, а на вход переноса сумматора 7 с восьмого выхода ПЗУ 16 подается логическая единица. Производится преобразование мгновенного значения разности двух величин. После описанных действий на выходе сумматора 7 получается сумма квадратов мгновенных значений напряжения сети и напряжения, пропорционального току в сети, инверсии квадрата разности двух величин, к которой прибавляется единица младшего разряда сумматора 7, поступившая на вход переноса от БУ 3, т.е. реализуется соотношение

02(U) + Q2(i) - 02(u-i)

29 (u).0-,,

где 0 (U) - код квадрата мгновенного значения напряжения сети; 0(1) - код квадрата мгновенного значения напряжения,пропорционального току п се- ти.

В результате обработки одного отсчета мгновенных значений входных сигналов в регистре 8 формируется

удвоенное произведение мгновенного

значения напряжения, пропорционально го току в сети, и мгновенного значения напряжения сети.

Как и в случае вычисления действующих значений, перечисленные деист - вия повторяются для всех мгновенных значений одной выборки. Затем осуществляется деление результата суммирования на N путем сдвига содержимого в регистре 8 сдвига. Так как при обработке каждого отдельного отсчета в регистре 8 сдвига получалось удвоенное произведение мгновенных значе-

5

5 0 5 0

5

0

5

0 5

мин напряжения сети и напряжения, пропорционально о току в сети, то необходимо произнести деление суммы еще на два путем сдвиги на один разряд. При этом на четырнадцатом выходе ПЗУ 16 устанавливается сигнал логической единицы, в отличие от сдвига на разрядов, для того чтобы счетчик 17, определяющий количество сдвигов при делении, оставался в исходном состоянии и не блокировал прохождение импульсов от П1 2 на лход суммирования счетчика 15.

Окончательное вычисление результата производится аналогично вычислению среднего значения. При этом на девятом и десятом выходах ПЗУ 16 устанавливается код, который переключает БПК 6 на работу в качестве инвертора входного кода, а АЦП 5 - на прием цифрового сигнала с выхода переноса сумматора 7. После запуска АЦП 5 13 его регистре последовательного приближения формируется код результата, который в последнем такте работы перезаписывается в выходной регистр 9 по импульсу, поступающему с четвертого выхода ПЗУ 16. На этом процесс вычисления -значения активной мощности в цепи заканчивается

Таким образом, предлагаемый цифровой измеритель имеет более широкие функциональные возможности по сравнению с известным, имея способность вычислять как средние и действующие значения входных напряжений и тока, так и активную мощность. При этом дополнительные аппаратурные затраты незначительны. Применение АЗУ на входе измерителя позволяет применять его в области как инфранизких и низких частот, так и в среднечастотной области, вплоть до сотен килогерц при точностях вычисления перечисленных параметров около 0,1%.

Формула изобретения

Цифровой измеритель, содержащий умножитель частоты, генератор импульсов, блок управления, счетчик объема i

выборки, аналого-цифровой преобразователь, .блок преобразования кода, сумматор, регистр сдвига и выходной регистр, причем выход генератора импульсов соединен с первыми входами умножителя частоты и блока управления, выход умножители частоты соедч- не с вторым входом блока управле- ния, вход суммирования и выход переполнении счетчика объема выборки со единены с первым выходом, третьим входом блока ;ения соответст- венио, входы тактирования и управления аналого-цифрового преобразователя соединены с вторым и тр гьим вы- ходами блока управлении соотло но, выход готовности анало C -u i bi.rv вого преобразователя соединен с четвертым входом блока управлении, i .ч1 ровой вход аналого-цифрового преоб - разователп соединен с выходом пере полпенни сумматора, а информационные выходы - с входами данных блока гре- образования , ч-; i н выходного регистра , выходы которого являются выход:- ми данных цифрового измерителя, ш:-- ходы С ic а преобразования кода со единены с первыми входами сумматора, вгорье входы .со ivporo соединены с выходами регистра с,, пига, входы ко го рога соединены с выходами данных сумматора, вход тактирования сдвигающего регистра соединен с четв.рп-г- входом блок, ) п авчення, вход ; .- гирован:1Ч яь1ходного регистра соеди™ пен с jinniM п.гходом управления отличаю щ и и с я тем, что, с целью расширении его функциональных возможностей путем обеспечения возможности вычисления тстивгой мпп, носп в цепи сигнала переменного то-- ка, г него дополнительно ввег.счм .мь1 лотовый вьпчитатель, первый, второй и третий аналоговые запомч; ающие FUIO кн и anajiOropiM коммутатор, при 1ем

Q Q 5 Q Q

5

первый вход аналогового вычитателя -- соединен с входом данных первого аналогового запоминающего блока и является первым входом цифрового измерителя для напряжения, пропорционального току в сети, второй вход аналогового вычитателя соединен с входом данных второго аналогового чап )ми- лающего блока, вторым входом умно--, - 1° ь астоты и является цторы - о- дсм щ,() J-IOBO: о тмеритечя для н. пряжения С -ТИ, ВЫХОД li .иОГО ЗОГО Bbl4HT ii- лп го и-1ен с входом данных третьего знало;ового запоминающего блока, выходы первого, гторого и тре1 ье- го jna Оговых запоминающих блоков соединены сои г .четственно с первым, вторым i третьим входами аналогового коммутатора, входы управления первого, второго и тр«т ji ro аг.шаговых запоминающих блоков соедине ш с шестым выходом блока управления, седьмой пыхсд котопого соединен с входом управления регистра сдвига, восьмой и девятый нкходг - соответственно с первым и вторым входами управления ашшоги.чого коммутатора, десятый выход - с ходом переноса сумматора, одичнадц 1тый и двенадцатый выходы - с перлы;- , входами блока пре- ofip.-i знания кода соответственно, пятый, тест и.1 и седьмой входы блока упплвмения являются входами задания ;ежчма работы цифрового измерителя, а вхгт, сброса регистра сдвига подключен к выходу блока управления, г 1,год аналогового коммутатора соеди- .MI с аналоговым ЬУОДОМ анааого- циф- pouoiо преобразователя

CN

Л)

ij

е

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах контроля и упраыления технологичес процессами в электроэнергетике и других областях при вычислении параметров сигнала переменного тока. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения вычисления активной мощное ти - достигается тем, что в цифровом измеритель, содержащий умножитель 1 частоты, генератор 2 импульсов, блок 3 управления, счетчик 4 объема выборки, аналого-цифровой преобразователь 5, блок 6 преобразования кода, выполненный в виде постоянного запоминающего устройства с управляющими входами, цифровой сумматор 7, сдвигающий регистр 8, -выходной регистр 9, введены дополнительно аналоговый вычитатень 10, три аналоговых запоминающих устройства 11-13 и аналоговый коммутатор 14. Введение новых элементов позволяет измерять как параметры переменного напряжения, так и мощности. 2 ил. (О