Регистратор формы электрических сигналов Советский патент 1991 года по МПК G01R13/04 

Изобретение относится к информационно-преобразовательной и измерительной технике и может быть использовано для образного представления переменных электрических величин или воспроизведения формы волны электрического сигнала.

Цель изобретения - повышение точности за счет исключения влияния аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности.

На фиг.1 представлена структурная схема регистратора; на фиг 2 - диаграммы, поясняющие его работу,

Устройство содержит согласующий усилитель 1 с перестраиваемым коэффициентом усиления Ki, сумматор 2, источник 3 опорного сигнала, делитель 4 напряжения с перестраиваемым коэффициентом передачи К2, автоматический переключатель 5, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь 6, арифметический блок 7, регистр 8, генератор 9 импульсов, счетчик 10 импульсов, дешифратор 11, первый 12 и второй 13 элементы задержки, задатчик 14 числа No, кнопку 15 Уст. 1 счетчика импульсов.

Вход согласующего усилителя 1 соединен с входной клеммой устройства. Выход усилителя 1 через сумматор 2 подключен к первому входу автоматического переключателя 5, второй вход которого соединен с выходом усилителя 1. Второй вход сумматора 2 соединен с третьим входом автоматического переключателя 5 и через делитель напряжения 4 подключен к выходу источника 3 опорного сигнала.

Три управляющих входа автоматического переключателя 5 соединены с тремя входами управления арифметического блока 7 и подключены к трем выходам дешифратора

С

сл о

00 VI О

11, соединенного с выходами счетчика 10 импульсов, счетный вход которого соединен с входом первого элемента 12 задержки и подключен к выходу генератора 9 импульсов.

Выход автоматического переключателя 5 соединен с сигнальным входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя 6, управляющий вход которого соединен с входом второго элемента 13 задержки и подключен к выходу первого элемента 12 задержки.

Три выхода интегрирующего аналого- цифрового преобразователя 6 соединены с первыми тремя входами арифметического блока 7, вторые три входа которого подключены к трем выходам задатчика 14 числа N0. Три выхода арифметического блока соединены с тремя входами регистра 8.

Устройство работает следующим образом.

Для регистрации формы электрического сигнала, например,

Ui(t) f; Vmj sin (lorn pi), (1) 1 1

содержащего, кроме основной вторую и третью гармонические составляющие (см. фиг.2,а), формируют опорный сигнал (см. фиг.2,б).

Vo (0,01-0,1)Vg (2) стабильного постоянного уровня Уо.не превышающего (1 - 10)% от действующего значения Vg дискретизируемого сигнала U i(t) k-UJt),(3)

где k- коэффициент передачи исследуемого сигнала к,аналого-цифровому преобразователю (1):

Допустим, что . Суммируют опорный сигнал (2) с исследуемым электрическим сигналом (1). В результате получают суммарный сигнал (см.фиг.2,в)

Це (t) - V0 + Ј Vi sin (tot+ pi), (4) i 1

Затем с высокой частотой дискретизации fg, выбираемой из условия

fo fg 180fl,(5)

где fo - максимально допустимая частота преобразования в код амплитуд выборок;

ft - частота основной гармоники исследуемого сигнала, осуществляют взятие выборок длительностью A t, выбираемой из условия

Atnp At 1/3fg,(6)

где Atrip - время преобразования в код амплитуд выборок, причем Atnp 1/fo, из суммарного (4), исследуемого (3) и опорного (2) электрических сигналов.

пЈ

т

Выбор частоты дискретизации согласно условию (5), т.е. большей 180fi, обусловлен необходимостью воспроизведения формы исследуемого сигнала с погрешностью воспроизведения текущей фазы исследуемого сигнала менее одного градуса. В противном случае погрешность воспроизведения увеличивается в 180/А раз, где А - множитель при fi, меньший 180.

Сигнал (см.фиг.2,г) частоты дискретизации fg Шд/2 я описывается выражением

ь1„.

ftt i Т, i

tUtl-rrA U22I-1 ,f costffnЈ9t L m

i To им .. At « I l

ГДе Tg 1 /tg;

A - амплитуда импульсов, принимаемая за единицу(т.е. ).

Согласно условию (6) At /Tg 1 /3. Тогда выражение (7) примет вид

и1«-5 | « «|«

При дискретизации сигналов (2), (3) и (4) возможны два случая: когда выборки из сигналов (4), (3) и (2) осуществляют одновременно; когда выборки из сигналов (4), (3) и (2) осуществляют поочередно.

В первом случае используют сигнал ди- скретизации (7), а во втором дополнительно формируют два сигнала частоты дискретизации, сдвинутые по фазе относительно (7) на 120 и 240° или на Тд/3 и 2Тд/3, т.е. сиг- лалы (см.фиг.2, г,д,е):

«MW-HZ c« o,i №

.2

Sinnli /S

лп ir/ii i fz- S rinii/o,.. ,лгл

40 U1(i).l + - W7rCOSr,Ј0(i + ). (Ю)

Sinn K lj

5

0

5

и, . ( г . 5inn «i5,, „,, . ,tt.

PF7rco5TlW b2T /3b(11)

ГДе (Од -1П fg.

Известно, что процесс дискретизации математически описывается в виде произведения дискретизируемого сигнала на фун- кцию (сигнал) дискретизации. Тогда результат дискретизации суммарного (4), исследуемого (3) и опорного (2) сигналов опишется выражениями (см.фиг.2,ж,з,и): Ugz(t) Ui(t)-Ug (t);(12)

Ugu(t) U i(t).Ug(t);(13)

Ugo(t)VoUg (t).(14)

Затем дискретизированные сигналы (Т2), (13) и (14) интегрируют в течение времени А At:

1

ui«w-sit

U

V.Out

ЭД VWdt 1

t,+3At

I и.

t; ti+зМ:

Jlu

(tUt

(15)

(16)

Затем

3«(t)3Tt- I . (17)

i

преобразуют

амплитуды Vij. , Viu и V|0 усредненных i-x выборок из сигналов (12), (13) и (14) в коды чисел:

(1+ tf + AN;J18)

Niu ViuS(1 + й + AN;(19)

Nio VioS(1+ tf + AN;(20)

где Vir , V|U и V|0- амплитуды усредненных выборов из суммарного, исследуемого и опорного электрических сигналов, соответствующие ь-м моментам времени;

А N - аддитивная составляющая погрешность преобразования в код амплитуд выборок;

Vij. S у ,Viu , S у, V|0 S у - мультипликативные составляющие преобразования в код амплитуд выборок из сигналов (12), (13) и (14) соответственно;

S - крутизна преобразования. Определяют истинное значение амплитуд выборок из исследуемого сигнала (см.фиг.2,к) по выражению

. - -йЈ35где NiЈ ,М|и , NIO - результаты измерений (преобразования в код ) амплитуд выборок из суммарного, исследуемого и опорного сигналов в ti-e моменты времени (при I 1,2,3п);

No - значение постоянного уровня опорного сигнала.

Затем восстанавливают исходную форму исследуемого электрического сигнала по запомненным истинным значениям кодов NI.

Покажем, что обработка результатов промежуточных измерений по выражению (21) обеспечивает получение истинных значений кодов амплитуд выборок из исследуемого сигнала. Для этого подставим в (21) выражения (18), (19) и (20). Тогда

(21)

V5tS()+uN -tYie5(UJf)+AN

N 4v;25(uf)+ANHY;u5(uj)4bN; п

и- VV-

,ЦП- .у.

-v;u eva v

так как N0 V0 - числовое значение опорного уровня.

Исследуемый сигнал U(t) (1) поступает на согласующий усилитель 1 с перестраиваемым коэффициентом усиления h. При малых уровнях сигнала (1) устанавливают 5 ki 1 а при больших - . Допустим, что , т.е. регистрируется форма электрического сигнала достаточно высокого уровня. С помощью источника 5 опорного сигнала формируется напряжение V, которое

10 с помощью делителя 4 напряжения с перестраиваемым коэффициентом передачи k2 уменьшается к k2 раз до значения Vo V/k2. не превышающего (1-10)% от действующего значения дискретизируемого сиг15 нала (3), Сигналы (1) и (2) поступают на сумматор 2, с помощью которого формируется сигнал (4). Выходные сигналы сумматора 2, усилителя 1 и делителя 4 напряжения поступают соответственно на

20 первый, второй и третий входы автоматического переключателя 5 (переключателя- дискретизатора), управляемого выходным сигналом (7) или (8) частоты дискретизации tg, формируемым дешифратором 11. Причем

25 сигналы (9),(10) и (11) частоты дискретизации, сдвинутые друг относительно друга на треть периода (Тд/3),формируются соответственно на первом, втором и третьем выходах дешифратора 11.

30 В результате периодической работы автоматического переключателя 5 с его выхода на сигнальный вход интегрирующего аналого-цифрового преобразователя б поочередно поступают выборки длительностью

35 At из суммарного, исследуемого и опорного сигналов (4), (3) и (2) соответственно. Поскольку используется интегрирующий аналого-цифровой преобразователь 6, то интегрирование амплитуд выборок (или

40 сглаживание их вершин) осуществляется в самом преобразователе 6.

В результате преобразования в код амплитуд усредненных выборок с выхода интегрирующего аналого-цифрового преоб45 разователя 6 на первые входы арифметического блока 7 поступают поочередно коды амплитуд выборок (18), (1Э) и (20). Управление выводом информации с интегрирующего аналого-цифрового преобразователя б

50 осуществляется выходным импульсом первого элемента 12 задержки, подключенного к выходу генератора 9 импульсов, Время задержки устанавливается таким, чтобы вывод очередного i-ro кода амплитуд выборок

55 осуществлялся в момент времени появления заднего фронта импульсов длительностью At.

Арифметический блок 7управляется выходными сигналами дешифратора 11, которые обеспечивают управление процессом распределения кодов чисел N, N|u , NIO во входных регистрах блока 7 и вычисление значения NI в соответствии с выражением (21) по мере поступления каждой тройки кодов чисел (18), (19) и (20).

Результат обработки (21) в виде кода числа NI поступает через регистр 8 на выход устройства. Управление работой регистра 8 осуществляется выходными импульсами второго элемента 13 задержки, обеспечивающего поступление информации на регистратор в конце каждого периода сигнала частоты дискретизации. Это достигается путем установления соответствующей посто- .янной времени задержки блока 13. Причем значение N0 уровня опорного сигнала вводится в арифметический блок через задат- чик 14 числа.

Связь условия выбора длительности выборок и времени интегрирования обеспечивает повышение точности регистрации за счет постоянной времени интегрирования, равной утроенному значению длительности выборки, и за счет сглаживания коммутационных помех.

Выполнение условия (5) выбора частоты дискретизации обеспечивает снижение погрешности воспроизведения текущей фазы исследуемого сигнала до (0,3-0,5)°.

Формула изобретения Регистратор формы электрических сигналов, содержащий генератор тактовых импульсов, согласующий усилитель, вход которого соединен с входной клеммой, а выход - с вторым входом коммутатора,

выход которого соединен с входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, три выхода которого соединены с первыми тремя информационными входами арифметического блока, а также регистр, выходы которого являются выходами регистратора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, введены последовательно соединенные источник опорно- 0 го напряжения, делитель напряжения, сумматор, а также последовательно соединенные счетчик импульсов и дешифратор, также задатчик числа, первый и второй элементы задержки, выход которого соеди- 5 нен с управляющим входом регистра, вход второго элемента задержки соединен с управляющим входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя и с выходом первого элемента задержки, вход 0 которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов и со счетным входом счетчика импульсов, вход установки нуля которого соединен через кнопку с источником напряжения, три выхода счетчика импуль- 5 сов подключены к трем входам дешифратора, три выхода которого соединены с тремя управляющими входами арифметического блока и коммутатора, первый вход которого подключен к выходу сумматора, первый 0 вход которого соединен с вторым входом коммутатора, второй вход сумматора соединен с третьим входом коммутатора и через делитель напряжения - с выходом источника опорного напряжения,, три выхода зэ- 5 датчика числа соединены с вторыми тремя информационными входами арифметического блока.

Изобретение относится к информационно-преобразовательной и измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности аналого-цифрового преобразования формы сигналов. Аналоговый сигнал через усилитель подается на сумматор, а затем на переключатель, с выхода которого поступает на интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где преобразуется в код. Затем в АЦП преобразуется сигнал опорного уровня с источника, а затем в АЦП преобразуется суммарный сигнал: входной и опорный. Арифметический блок обрабатывает три измерения и преобразованный входной сигнал вычисляет по формуле NI No ц| -м|°- где Nt , Niu, Nio результаты трех измерений (преобразований) амплитуд суммарного, исследуемого и опорного сигналов; М0 - цифровое значение постоянного уровня опорного сигнала. За счет такой обработки исключаются аддитивные и мультипликативные помехи во входном сигнале. На чертеже - делитель напряжения, резистор, генератор импульсов, счетчик, дешифратор, линии задержки, задатчик числа N0, кнопка сброса, 2 ил. сл с