Многофункциональный аналого-цифровой преобразователь энергетических параметров сигнала Советский патент 1980 года по МПК G01R13/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Известно устройство, основанное на методе измерения разности двух стабилизированных по действующим значениям напряжений с помощью воль метра действующих значений 1 . Недостатками этого устройства являются низкая точность, обусловленная наличием методической погреш ности нелинейности, а также ограниченные функциональные возможности (прибор позволяет измерять только лишь коэффициент мощности). Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является устройство, которое содержит узел выделения периода, переключатели, квадратичный преобразователь напряжения в частоту, схему ИЛИ, реверсивный счетчик, формирователь линей но изменяющейся частоты, блок управ ления, преобразователь код - частот ключи, делитель частоты, счетчик, г нератор опорной частоты. Недостатком этого устройства явл ются ограниченные функциональные во можности 2 . Целью изобретения является расширение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем, что в многофункциональный аналогоцифровой преобразователь энергетических параметров сигнала, содержащий квадратичный преобразователь напряжение-частота, вход которого соединен с выходом первого трехпозиционного переключателя, а выход - с входом второго трехпозиционного переключат ля, причем первый выход последнего соединен с входом сложения реверсивного счетчика, а второй выход с первым входом первого преобразователя код - частота, первый выход блока управления соединен с первым входом первого и со вторьтм входом второго трехпозиционных переключателей, второй вход первого подключен к шине земля, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с первыми входами первого и второго ключей, а первый вход блока управления соединен с выходом реверсивного счетчика, первый и второй выходы делителя частоты соединены соответственно со вторыми входами первого и второго ключей, а третий выход - с первым входом формирователя линейно изменяющейся частоты, выход генератора опорно.й частоты соединен с входом делителя частоты, дополнительно введены суммр- размост{1ый блок, блок коммутации, второй преобразователь, код - частота, первый и второй блоки переписи кодов третий, четвертый, пятый и шестой ключи, двухпозиционный переключатель и четырехвходовой-элемент ИЛИ, -причем первый вход суммо- разностного блока соединен с входной шиной напряжения, первым входом блока коммутации и вторым входом блока управления, а второй вход соединен с входной шиной тока и со вторым входом блока коммутации, третий и -четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами cy Iмo-tiaзнocтнoгo блока, пятый вход с четвертым выходом блока управления шестой вход подключен к земляной шине-, а первьгй и второй выходы соединены соответственно с третьим и четвертым входами первого трехпозиционного переключателя, третий выход, второго трехпозиционного переключателя соединен с первым входом четырехвходового элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с первым выходом -двухпозиционного переключателя, третий вход - с выходом формирователя линейно изменяющейся частоты, четвертый вход - с выходом третьего ключа, а выход - с входом вычитания реверсивного счетчика, третий вход которого соединен с выходом первого блока переписи, первый вход последнего соедине н с пятым выходом блока управления, второй вход - с перВЕЗМ выходо счетчика, первый,вход которого соединен с шестым выходом блока управлени второй вход - с выходом двухвходового элемента ИЛИ, а второй выход соединен с первым входом второго блока переписи, второй вход послед-него соединен с седьмым выходом блока управления, а выход соединен с первым входом второго преобразователя код частота, второй вход которого соединен с восьмым выходом блока управления, третий вход соединен с выходом второгоключа, четвертый вход - с выходом четвертого ключа, а.выход соединен с первыми входами пятого и третьего ключей, кроме того второй вход второго ключа соединен с первым входом четвертого ключа, второй вход которого соединен с девятым выходом блока управления, причем второй вход пятого ключа соединен с первыгл входом второго ключа, а выход - с первым входом двухвходового элемента ИЛИ, в.торой вход которого соединен с выходом первого ключа, а второй вход третьего ключа соединен с десятым выходом блока управления, бдйнНс ццатый выход которого соединён с

746294

первым входом шестого ключа, второй вход которого соединен с четвертым выходом делителя частоты, а его выход - со вторым входом первого преобразователя код - частота, выход которого соединен с первым- входом двухпозиционного переключателя, второй вход которого соединен с двенадцатым выходом блока Управления, а ег выход соединен со вторым входом формирователя линейно изменяющ.ейся частоты.

На чертеже представлена структурная схема многофункционального аналого-цифрового преобразователя энергетических параметров.

Устройство содержит, блок управления 1, суммо-разностный блок 2, блок коммутации 3, трехпозиционные переключатели 4 и 5, квадратичный преобразователь напряжение-часто-та 6, четырехвходовой элемент ИЛИ 7, реверсивный счетчик 8, формирователь линейно изменяющейся частоты 9, ключи 10 - 15, блоки переписи 16и 17, ; двухпозиционный переключатель 18, двухвходовую логическуюсхему ИЛИ 19 счетчик 20, преобразователи код-частота 21 и 22, делитель частоты 23, генератор опорной частоты 24.

Устройство работает следующим образом.

При работе -аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в режиме преобразования действующего значения сигнала в код процесс преобразования состоит из трех тактов и программируется блоком управления, в первом такте длительностью Тт переключатели 4 и 5 устанавливаются в положении 1. При этом к входу преобразователя 6 посредством блока коммутации, управляемого сигналом с блока -1, подключается сигнал,.пропорциональный напряжению (t) или току U.-(t) нагрузки (в зависимости от выбранного режима работы прибора). Во втором такте той же длительности переключатели 4 и 5 посредством блока 1 переводятся в положение | , при .этом к входу преобразователя б подключается нулевой потенциал. Кроме того, в одном из этих двух тактов по сигналу с блока 1 открывается ключ 15.. .

В результате по истечении двух тактов в реверсивном счетчике также накапливается число.

2и„иоКС

а в преобразователе 21 число

N, (1) В третьем такте (положение ij переключателей 4 и 5, открыт клк1ч 10) осуществляется списывание числа в реверсивном счетчике линейно изменяющейся частотой с ,выхода формирователя 9, формируемой с помощью преобразователя 21 и формирователя 9, причем скорость изменения этой час тоты пропорциональна Т, что исклю чает зависимость результата измере ния от частоты входного сигнала. Действительно, выходная частота фо мирователя 9 определяетсякак где N (t)- - текущее значение числа в управляющ счётчике, f - ча тота импульсов ге нератора опорной ч тоты, -емкость счетчиков .мирователя 9 ; -частота выходных и пульсов преобразов теля 21. г - J S В свою очередь ia-.v где N - емкость счетчиков прео разователя 21. f - начальная частотапрео разователя 6. Подставляя выражение (1)в (3) и.(з.) (2), имеют . 4 М VK U, 2 .) Процесс описывания .заканчивается в момент обнуления реверсивного счетчика. При этом справедливо равенств Ji Wdi-N, где TC - время описывания числа в реверсивном счетчике (время третьег такта). Подставляя в последнее равенство выражения для , f и N производят необходимые математические преобразования, имеют /гГмТм ТТ)- (5 Интервал времени Т измеряется счетйо-импульсным методом, при этом в счетчике 20 фиксируется число . , u которое и является кодом Действующе го значения и исследуемого сигнала. В режиме преобразования активной мощности работа АЦП также осуществл ется в три такта. Переключатель 18 в этом случае в течение всех трех тактов находится в положении ц . В первом такте , длительность которого Т посредством блока 1 задается кратной целому п числу периодов входного сигнала T -nTx г перёключатели 4 и 5 находятся в положении I . При этом управляемый блоком управления лок коммутации 3 подключает.на вход преобразователя 6 суммирующий выход блока 2. В результате по окончании этого такта реверсивным счётчиком фиксируется число N Ng-SUoT 5r()dt- . . т, °7 -VSUoVSr( где Ng - емкость реверсивного счетчика. Во втором такте по команде с блока Г переключателя 4 и 5 устанавливают.ся в положение Д , а блоккоммутации 3 подключает к входу преобразователя 6 разностный выход блока 2. В результате по окончании двух циклов реверсивным счетчиком фикси-, руется число N NVsUoT -BlCULj-U dt, или с учетом выражения (7) 4-4Sju Uja-l--4ST P, где Р - активная мощность сигнала. Кроме того, так же как и в предыдущем режиме, в течение одного из двух первых тактов сигналом блока 1 открывается ключ 15, вследствие чего в управляющем счетчике преобразователя 21 накапливается чис ло NI f о- TT В третьем такте осуществляется деление числа N4 на длительность такта Т , кратное целому числу периодов входного сигнала Т-г-пТу,, а также производится коррекция погрешностей, обусловленных нестабильностью коэффициента преобразования преобразователя 6. Реализуется это следующим образом. По команде блока 1 переключатели 4 и 5 переводятся в положение fn , открывается ключ 10. При этом осуществляется описание числа М , зафиксированногЬ в реверсивном счетчике , выходной частотой преобразователя 21, определяемой выражением (3). ретий такт заканчивается в момент бнуления реверсивного счетчика. Для этого момента справедливо равенс-, тво ,: . ткуда с учетом выражений (3), (8), (9) И: принимая, во внимание, что Измеряя интервал Т,- счетно-имульсным методом путем заполнения ерез открытый ключ 10 импульсами :частоты счетчика 20, в последнем по лучают цифровой эквивалент активной .мощности Как видно из выражения (11) , точ ность аналого-цифрового преобразователя активной мощности определяется лишь стабильностью образцового напряжения преобразователя 6, В режиме измерения полной мощности работа АЦП осуществляется в два цикла, каждый из которых состоит из трех тактов. Переключатель 18 при этом в течение обоих циклов находится в полох ении I. В первом цикле описанным выше образом (при рассмотрении режима измерения действующего значения сигнала) осуществляется процесс преобразования действующего значения например напряжения Uv (t), пропорционально напряжению нагрузки,При этом в течение первых двух тактов первого цикла в реверсивный счетчик и в управляющий счетчик преобразователя 21 заносятся соответственно числа и N, и N., пропорциональные соответственно квадрату действующего значения .и длительности такта, В третьем такте осуществляется описывание до нуля числа в реверсивный счетчик ли нейно изменяющейся частотой формирователя 9, При этом длительность третьего такта в соответствии с вы ражением (5) определяется как 12 NaJi3 TCU-UU .Uc В течение этого времени через открытый сигналом с блока 1 ключ 1 осуществляется заполнение управляю щего счетчика преобразователя 22 частотой ц , В результате в этом счетчике фиксируется число, пропор циональное действукидему значению U -/2N:iN-} j . . . . . К- ifi- - коэффициент деления лителя частоты, На этом первый цикл преобразова ния полной мощности заканчивается, На втором цикле в течение трех тактов аналогичным образом осущест вляется преобразование напряжения, пропорционального току нагрузки, в временной интервал В течение этого времени сигнало с блока 1 открываются ключи 14 и 1 В рёэульта т ена сигнальный вхбд пр образователя 22 поступают импульс с частотой , ,а его выходной сиг частота которого .V де N - емкость счетчика преобраователя 22 поступает через открытый люч 14 в счетчик 20. При этом в поледнем накапливается число ИЛИ с учетом выражений (12) .и (13) V%4-K-,K,9, где S - полная мощность, являющаяся кодовым эквивалентом полной мощности, . Из выражения (14) видно, что точность преобразования полной мощности определяется лишь стабильностью образцового напряжения преобразователя 6 DO (величины Ng.Nj.K и, Ng, задаются с абсолютной точностью) . В режиме преобразования коэффициента мощности процесс преобразования состоит из четырех циклов. При этом в первых двух циклах работа прибора полностью аналогична режиму измерения полной мощности, по окончании этих, двух циклов в счетчике 20 фиксируется код полной мощности, определяемый выражением (it), Соответствующими сигналами с. блока управления в этот момент производится сброс счетчиков преобразователя 2.2, перепись кода с помощью блока переписи кода 17 из счетчика 20 в управляющий счетчик преобразователя 22 и сброс счетчика 20, В третьем цикле, также состоящем из трех тактов, производится кодирование активной мощности. При этом устройство работает так же, как в описанном выше, режиме преобразования активной мощности, По окончании третьего цикла счетчиком 20 фиксируется код активной мощности, определяемый соотношением (11), Перед началом четвертого цикла соответствующими сигналами блока управления осуществляется перепись кода с помощью блока переписи 16 из счетчика 20 , В четвертом цикле по команде с блока управления открываются ключи 10, 11 и 12, При этом осуществляется описывание до нулевого значения числа в реверсивном счетчике выходной ч астотой преобразователя 22, И измерения времени описывания Т счетно-импульсным методом путем заполнения счетчика 20 импульсами с частотой fo В данном случае справедливы соотношения NP Nj.-Tcf (откуда с учетом выражений (1 t )., (1 if) и (15) имеют Р где Мцкл - число, фиксируемое в момент обнуления реверсивного счетчи счетчиком 20 (осе ключи в этот мо мент закрываются и процесс преобра зования заканчивается), являющееся кодом коэффициента мощности N-j , Как видно из выражения (16), прео разование коэффициента мощности так же принципиально является высокоточным поскольку в функции преобразования в качестве пропорциональнос ти входят лишь величины, задаваемые с абсолютной точностью. Таким образом, предложенный АЦП позволяет осуществить высокоточное преобразование действующего значени активной и полной мощности и коэффи циента мощности сигналов с несинусо иДальной формой криво:й. При этом структура устройства обеспечива ет максимальное использование -одних и тех же узлов и во многом одинаковую организацию блока управления при преобразовании различных величин, ч и обусловливает ее относительную простоту. Формула изобретения Многофункциональный аналого-цифровой преобразователь энергетических параметров сигнала, содержащий квадратичный преобразтэватель напряжение-частота, вход которого соединен с выходом первого трвхпозиционного переключателя, а выход - с вхо дом второго трехпозиционного переключателя, причем первый выход последнего соединен с входом сложения реверсивного счетчика, а второй выход соединен с первымвходом первого преобразователя код-чаатота, пер вый выход блока управления соединен с первым входом первого и со вторым входом второго трехпозиционных пе- реключателей, и второй вход первого подключен к шине земля, второй и .третий выходы блока управления соединены соответственно с первыми входами первого и второго ключей, а первый вход блока управления соединен с выходом реверсивного счетчика первый и второй выходы делителя частоты соединенысоответственно со вторыми входами первого и второго ключей, а третий выход - с первым входом формирователя линейно изменяющейся частоты, выход генератора опорной частоты соединен с входом .делителя частоты, о т л и ч а ю -щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в устройство дополнительно введены суммо-разностный блок, блок коммутации, второй преобразователь кодчастота, первый и второй блоки переписи крдов , третий, четвертый пятый и шестой ключи, двухпозиционный переключатель и четырехвходовой элемент ИЛИ, причем первый вход суммо- разностного блока соединен с входной шиной напряжения, первый входом блока коммутации и вторым входом блока управления, а второй вход соединен с входной шиной тока и со вторым входом блока коммутации, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами суммо-раэностного блока, пятый вход с четвертым выходом блока управления , шестой вход подключен к земляной шине, а первый и второй выходы соединены соответственно с третьим и четвертым входами первого трехпозиционного переключателя, третий выход второго трехпозиционного переключателя соединен с первые/ входом четырехвходового элемента ИЛИ, второй вход которого соединен. с первым выходом двухпозиционного переключателя, третий вход с выходом формирователя линейно изменяющейся частоты, четвертый вход с выходом третьего ключа, а выход с входом вычитания реверсивного счетчика, третий вход которого соединен с выходом первого блока переписи, первый вход последнего соединен с Пятым выходом блока управления, второй вход - с первым выходом счетчика, первый вход которого соединен с шестым выходом блока управления,второй вход - с выходом двухвходового элемента ИЛИ, а второй выход соединен с первым входом второго блока переписи, второй вход последнего соединен с седьмым выходом блока управления, а выход соединен с первым входом второго преобразователя код-частота, второй вход которого соединен с восьмым выходом блока управления, третий вход :соединен с выходом STopioro ключа чет;вертый вход - с выходом четвертого ключа а выход соединен с первыми входами пятого и третьего ключей, кроме того второй вход второго ключа соединен с первым входом четвертого ключа, второй вход которого соединен с девятым выходом блока управления, .причем второй вход пятого ключа соединен с первым входом второго ключа, а выход - с первым входом двухйходового элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, а торой Вход третьего ключа соединен десятым выходом блока управления, диннадцатый выход которого соединен

С первым входом шестого ключа, второй вход которого соединен с четвертым выходом делителя частоты, а его выход - со вторым входом первого преобразователя код-частота, выход которого соединен с первым входом двухпозиционного Нереключателя, второй вход которого соединен с двенадцатым выходом блока управления, а его выход соединен со вторым входом

формирователя линейно изменяющейся частоты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.0рнатский П.П. и др. Измерительные приборы периодического сравнения М., Энергия, J975, с.178.

2. Заявка № 2046145/18-21 МКИ G 01 R 13/02 (прототип).