Преобразователь действуюшего значения напряжения в код Советский патент 1981 года по МПК G01R19/25 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при реализации технических средств электроизмерительной техники. Известен преобразователь действующего значения напряжения, содержащий блок управления, два трехпозиционных переключателя, квадратичный преобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик, триггер с раздельным запуском, элемент ИЛИ, элемент И, генератор опорной частоты, делитель частоты, управляемый делитель частоты и счетчик результата, причем делитель частоты состоит из двух счетчиков и комбинированного элемента И-ИЛИ, построенного на двухвходовых элементах И и многовходовом элементе ИЛИ 1 . Недостатком указанного преобразователи действующего значения напряжения в код является зависимость результата преобразования от длительности Т такта преобразования, которая в случае . обеспечения высоких быстродействия и точности преобразователя должна выбираться равной или кратной периоду преобразуемого напряжения. Другими словами, в ,указанном преобразователе результат преобразования зависит не только от Действующего значения преобразуемого напряжения, но и от его ,. частоты. Для получения результата,. независимого от длительности такта преобразования (независимого от частоты преобразуемого напряжения), необходимо произвести измерение длительности такта преобразования и выполнить дополнительные вычисления. Это обстоятельство в значительной мере затрудняет и ограничивает возможности применения данного преобразователя. Цель изобретения - улучшение метрологических характеристик преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь действующего значения напряжения в код, содержа1 ий реверсивный счетчик, счетчик ре3зультата, первый комбинационный элемент И-ИЛИ, первый элемент И, первый элемент ИЛИ, электронньй переключатель, первый сигнальный вход которого соединен с земляной шиной, а второй соединен со входной шиной и с первым входом блока управления, первый выход которого подключен к управляквдему вхо ду электронного переключателя, соединенного своиь выходом со входом квадратичного преобразователя напряжения в частоту, введены четыре элемента И, три элемента ИЛИ, два тригге ра, удвоитель частоты, два комбинационных элемента И-ИЛИ и блок вычитания частот, управляющий вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ соединенного своими входами с прямыми выходами триггеров, а первый и второй входы блока вычитания частот соединен с выходами соответственно второго и третьего комбиншл,ионных элементов И-ИШ-1, сигнальные и управляющие входы первого из которых подключены к разрядным выходам, соответственно счетчика результата и реверсивного счетчика, а аналоговые входы второго из них - к разрядным выходам соответственно реверсивного счетчика и счетчика результата, выxoд l старших и младших разрядов которого соединены соответственно с управляющими и сигнальньми входами nepoojo комбинационного элемента , выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с парвым входом третьего элемента ИЛИ и вторым выходом блока управления, трети11 выход которого подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ, при этом первые входы второго и третьего элементов И подключены к выходу квадратичного преобразователя напряжения в частоту, а их вторые входы соответственно соединены с первым вых дом блока управления, с шиной сброса реверсивного счетчика и выходом второго элемента ИЛИ, с ш-шами сброса триггеров и счетчика результата, причем выходы первого и второго элементов И соединепы соответственно со вхо дани первого элемента ИЛИ, выход кото рого соединен со входом сложения реве СИВН0ГО счетчика, вход вычитания кото рого подключен к выходу блока вычитания 4actoT,выход последнего разряда которого подключен ко второму входу блока управления, при этом вход счетчИка результата соединен с выходом ; 8 третьего элемента ИЛИ, входы которого соединены соответственно с выходами четвертого и пятого элементов И, первые входы которых соединены соответственно через четвертый удвоитель частоты, а пятый непосредственно - с выходом третьего элемента И, а их вторые входы подключены, соответственно, к инверсному и прямому выходам первого триггера, счетный вход которого соединен с инверсным выходом второго триггера, счетный вход которого.подключен к выходу переполнения счетчика результата, На чертеже представлена структурная схема преобразователя действующего значения напряжения в код. Устройство содержит блок 1 управления, электронный переключатель 2, квадратичный преобразователь 3 напряжения в частоту, элемент ИЛИ 4, элементы И 5-7, элементы ИЛИ 8 и 9, реверсивный счетчик 10, счетчик П результата, комбинационные элементы И-ИЛИ 2-14, блок 15 вычитания частот, триггеры )6 и 17, удвоитель 18 частоты, элементы И 19 и 20, элемент ИЛИ 21. Работа преобразователя действующего значения напряжения в код происходит следующим образом. В исходном положении в счетчике J1 результата хранится результат предыдущего Преобразования, триггеры 16 и I7 сброшены в О (на верхних выходах присутствуют нулевые потенциалы), в результате чего блок 15 вычитания частот заперт, все три выхода блока i управления находятся в нулевых состояниях. Вход квадратичного преобразователя 3 напряжения в частоту через электронный переключатель 2 подключен к земляной-шине, Процесс преобразования происходит в три такта, которые характеризуются наличием положительного потенциала на одном из трех выходов блока 1 управления. В первом такте преобразования положительный потенциал (состояние 1) существует на верхнем выходе блока 1 управления. В момент появления этого потенциала, т, е, в начале первого такта, реверсивный счетчик 10 сбрасывается в нулевое состояние. На время первого такта ко входу квадратичного преобразователя 3 напряжения-в частоту с помощью электронного переключателя 2 подключается преобразуемое на58пряжение Выход преобразователя 3 напряжения в частоту через открытый по верхнему входу элемент И 5 и элемент ИЛИ 8 подключается к входу сложения реверсивного счетчика 10. На вход сложения реверсивного счетчика 10 поступает частота ku - kUj-kU, омгновенное значение выходной частоты квадратичного преобразователя напряжения в частоту, соответствующее мгновенному значению преобразуемого 2 напряжения f kU,, - выходная частота квадрати о чного преобразователя соответствующая Ux 0; k постоянный коэффициент; UQ - опорное напряжение квадра тичного преобразователя. Первый такт преобразования длится п + 1 периодов преобразуемого напряжения Uj(, где п О, 2, 3... - целое число периодов, истекшее за время от начала первого такта до момента первого переполнения предпоследнего разряда реверсивного счетчика 10. В момент первого переполнения предпоследнего разряда реверсивного счетчика 10 с прямого выхода его последнего разря да на верхний вход блока 1 управления подается положительный потенциал, раз решающий окончание первого такта. Целое число периодов входного сигнала, поступающего на нижний вход блока управления, выделяется с помощью селектора (не показан) периода, кото- . рый входит в состав блока 1 управления. С окончанием п + 1-го периода первый такт преобразования заканчивается и начинается второй такт преобразования. За время Т первого такта в реверсивном счетчике 10 будет записано число IT Тт „ т. Ко-1 fe dt-jKU dt--, -. л V и .- действующее Щ Щ Х чение преобразуемого напряжения . изложенного выше очевидно неравенство2 NiO-Nv,(2) где емкость реверсивного счетчика 10. 8 N может При этом равенство N иметь место только на нижних частотах рабочего диапазона (п О, N 1). Второй такт ха зактеризуется наличием потенциала l на нижнем выходе блока 1 управления и нулевых потенциалов на двух других выходах. Во время второго такта вход квадратичного преобразователя 3 напряжения в частоту с помощью электронного переключателя 2 подключается к зенлянсй шине, а его выход через элемент И 6, открытый по нижнему входу, - ко входу удвоителя 18 частоты и нижнему входу элемента И 20, Оба триггера 16 и 17, а также счетчик 11 результата в момент , соответствующий началу второго такта, сбрасываются в нулевые состоя- . НИН передним фронтом импульса с выхода элемента ИЛИ 14. Положительный потенциал, существующий с начала второго такта на нижнем выходе триггера 17, удерживает открытым по верхнему входу элемент И 19, в результате чего с выхода удвоителя 18 частоты через элементы И 19 и ИЛИ 21 на вход счетчика 1) результата поступают импульсы с В частотой момент второго переполнения счетчика 11, что возможно в процессе преобразования, триггер 17 изменяет свое состояние, в результате чего счетчик. 11 продолжает заполняться частотой f Q, поступающей с выхода квадратичного преобразователя 3 через элементы И 6, 20 и ИПИ 21. Продолжительность второго такта преобразования задается блоком 1 управления равной продолжительности первого такта преобразования и согласно (1) равна где .р - среднее значение частоты квадратичного преобразователя напряжения в частоту. С учетом неравенства(2) выражение (З) преобразуется к виду На практик,е минимально возможное jtcp /2 и соответствует случаю реобразования максимально допустимоо напряжения UxПри преобразовании напряжения, рав ного нулю () 0), выходная частота квадратичного преобразователя составляет fxcp оПодставляя эти два крайние значения (4), легко убедиться, что возможный диапазон изменения продол жительностей каждого из первых двух тактов преобразования, определяется неравенством Число импульсов, которые проходя во время второго такта на вход счетчи ка 11 результата составляет частота на выходе элемента ИЛИ.2Г) равная 2f-o до момента . вт рого переполнения счетчика 11 и равная f-, с момента t второго перепол нения счетчика . , Поскольку емкость счетчика 11 выб рана равной емкости N счетчика JO, то за время Т второго такта преобразования произойдет, как минимум, одно переполнение счетчика 1, в чем легк убедиться, подставив значение Тт N VM/ г« (6) - неравенства (5) в выражение NVVL... :,, .2f О 2fVKIA о Максимальное значение N.. имеет ме сто при максимальном значении Vkviax переполнения счетчика 1 осуществляются за время . 2Нц1 Мщ. Сио jf , то в оставшееся вре мя Т ° t- - Nw Nw Nw, - kna% c-p fo полнение счетчика Г происходит с стотой fp. За промежуток времейи Tmai иг: счетчика 11 пройдет (Т,„,- t., ) . f -Ц . f« N у импульсов. Таким образом, максртмальпое значение 4/1 -и киах vi В момент первого переполнения .счет чика 11 триггер 16 устанавливается в состояние 1, открывая тем самым через этот элемент ИШ 9 блок 15 вычитания .част,от. Триггер 17 остается в положении. I После первого переполнения счетчика 1 1 с выхода блока I5 на вход вычитания реверсивного счетчика 10 поступает частота t, - f где . ЛЪ частоты следования импульсов на выходах комбинационных элементов И-ИЛИ 12 и 13 соответственно. На вход сложения реверсивного счетчика 10 во втором такте импульсы не поступают, так как элементы И 5 и 7 заперты нулевыми потенциалами, присутствующими на верхнем и среднем .выходах блока 1 управления. Счетчики. 10 и 11 и комбинационный элемент И-ИЛИ 12 представляют собой двоичный умнояитель, средняя частота . следования импульсов на выходе которого определяется частотой f , поступающей на вход счетчика 11 и управляющим числом N, (t), записанным в,реверсивном счетчике -«( В свою очередь счетчики 10 и 11 и комбинационньй элемент И-ИЛИ 13 представляют собой двоичный умножитель, средняя частота f следования импульсов на выходе которого определяется частотой f-fg , поступающей на вычитающий вход реверсивного счетчика 10, N,. (t) , находящимся в счетчии числом ке 11 f f -re- -inr- После подстановки (9) и ClO) в (8) получаем ) 14 Ч, да .., Откуда -. -Щ 15 21 N vN4-Ь) Число, записанное в реверсивном счетчике 10, изменяется в течение второго такта преобразования в соответствии с уравнением К (t) N ttt-f где t время; 4 момент первого переполнения счетчика I1, с учетом (12) „ I t 14 U} (-14 -Щ - VV ---41 На временном интервале О 6t 6 t второго такта преобразования блок 15 вычитания частот заперт, т. е. 0. Поэтому согласно (14) на этом интервале N/ (t) N/g . На временном интервале t, -st tv частота f,f на входе счетчика 1 I рав на 2f(}, При этом согласно (l4) число, записанное в реверсивном счетчик 10, определяет ся ° --b°S. Значение N (t) на указанном интервале времени определяется выражен ем .. (t) 2fot -N.(16 Подставив (l6) и (l5), получим N;o U) Ко) t H;OW;: j ; at Ha временном интервале t tn частота на входе счетчика П fo При этом согласно (14) и с учетом (1 число, записанное в реверсивном счет чике 10, определяется .;) ,-c- Значение N на указанном интервале определяется выражением Ml.Ct)2i.t«.nitH..,-)-2N О Так как t то выраженйе (19) преобразуется к виду (t) fot-N о (20) После подстановки (20) в (18) o(.fc) р .Ъ) -1 ti JО VI с J k.1 -Ьи VYf .)-i kWat-f . ., i fiuai 8О Коне.чные выражения . в уравнениях (57) и (21) идентичны, поэтому и решение их одинаковое. После дифференцирования указанных уравнений получаdNio (t) (t) (22) или, разделив переменные (t) о (t) Решение дифференциального уравнения (23) имеет вид (t) N;;, (t). 1О (-h-t) число, записанное в реверсивном счетчике 1 О к моменту t первого переполнения счетчика 11. Принимая во внимание, что (1щ) | , а t - для момента времени T-I- , соответствующего окончанию второго такта преобразования, получим (Т) N 2fo-TT или с учетом (2) .i Ы(Т . ЦоТт-Шхс Тг. ,После окончания второго такта преобразования следует третий такт, который характеризуется состоянием 1 на среднем выходе блока 1 управления и нулевыми состояними на двух остальных его выходах. Положительный перепад напряжения, появляющийся в начале третьего такта преобразования на среднем выходе блока 1 управления, сбрасывает в нулевое состояние, через элемент ИЛИ 4, триггеры 16 и 17, а также счетчик П. Кроме этого, на время третьего такта преобразования открывается элемент И 7, чем обеспечивается возможность прохождения импульсов с выхода комбинационного элемента И-ИЛИ 14 на вход сложения реверсивного счетчика 10. На вход вычитания реверсивного счетчика 10 в третьем такте импульсы не поступают, так как блок 15 хчч ил ouMTt т- w voTi- firmtf I заперт нулевь ми потенциалами, снимаемьми с верхн их выходов триггеров 16 и 17. В третьем такте преобразования запертым остается также элемент И 5. На вход счетчика 11 результата в третьем такте поступают импульсы с .частотой 2fo с выхода Удвоителя 18

859938

частоты. Счетчик 11 и комбинационный

элемент И-ИЛИ 14 представляет собой двоичный умножитель, средняя .частота

следования импульсов на выходе

44

которого определяется входной частотой 2fo счетчика 11 и числом N (t), находящимся в этом счетчике Так как в счетчике 11 к моменту времени t формируется число Ц (t) 2fj.,t, то выражение (27) можно пре ставить в виде 2fo(t) Импульсы частоты с выхода ком бинационного элемента И-ИЛИ 14 через элементы И 7 и HJM 8 поступают на вх сложения реверсивного счетчика 10 до момента переполнения его предпоследнего разряда (появление 1 на прямом выходе последнего разряда). В мо мент появления 1 на прямом выходе последнего разряда на верхний вход блока 1 управления подается команда об окончании третьего такта преобразования, в результате чего на средне выходе блока 1 управления, .как и на двух остальных его выходах, устанавливается нулевой потенциал. На этом преобразование заканчивается. Из анализа 26 видно, что в третьем такте преобразования для переполнения предпоследнего разряда реве сивного счетчика 10 понадобилось Nhi импульсов, т. е. Г где То продолжительность третьего такта преобразования. Подставляя (28) в (29), получим ji|5tat-. иг, 2 о Откуда % . (3 и о 2fo К моменту времени Т в счетчике результата окажется записанным число

12

1« М

(TJ 2f,T

(32)

о 3

(31)

или с учетом

щ

(TJ

(33)

и,

ж Результат преобразования N/ (Tj) хранится в счетчике 11 результата до начала второго такта следующего преобразования. Из выражения (ЗЗ) видно, что в предлагаемом преобразователе действующего значения напряжения в код в отличие от известного, результат преобразования не зависит от длительности T-j- такта преобразования. Таким образом, код, получаемый в результате преобразования, однозначно определяет величину действующего значения входного напряжения вне зависимости от его частоты. Формула изобретения Преобразователь действующего значения напряжения в код, содержащий реверсивный- счетчик, счетчик результата, первый комбинационный элемент И-ИЛЙ, первый элемент И, первый элемент ИЛИ, электронный переключатель, первый сигнальный вход которого соединен с земляной шиной, а второй соединен со входной шиной и с первым входом блока управления, п ервый выход которого подключен к управляющему входу электронного переключателя, соединенного своим выходом .с входом квадратичного преобразователя напряжения в частоту, отличающийся тем, что, с целью улучшения метрологических характеристик,, введены четыре элемента И, три элемента ИЛИ, два триггера, удвоитель частоты, два комбинационных элемента И-ИЛИ и блок вычитания частот, управляющий вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, соединенного своими входами с прямыми выходами триггеров, а первый и второй входы блока вычитания --частот соединены с выходами соответственно второго и третьего комбинационных элементов ИИЛИ, сигнальные и управляющие входы первого из которых подключены к разрядным выходам соответственно счетчика результата и реверсивного счетчика, а аналоговые входы второго из них - к разрядным выходам соответственно ре