Аналого-цифровой преобразователь среднеквадратичного значения напряжения Советский патент 1982 года по МПК H03K13/20 

(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для построения цифровых вольтметров и аналого-цифровых преобразователей среднеквадратического значения напряжения переменного тока, обладающих высоким быстро- 5 действием и точностью.

Известно устройство, содержащее два терморезонансных преобразователя, каждый из которых снабжен двумя нагревателями и автогенератором, генератор опорной час- ,Q тоты, преобразователь частота-ток, два устройства вычитания частот, счетчик, преобразователь код-ток и устройство индикааии.

При этом терморезонансные преобразователи с автогенераторами, одно из уст- 15 ройств вычитания частот, счетчик и преобразователь код-ток образуют замкнутую статическую систему автоматического регулирования, которая поддерживает температуры обоих терморезонансных преобразователей равными между собой с точностью до погрешности статизма 1.

Недостатками известного устройства являются наличие погрешностей, обусловленных статизмом контура автоматического регулирования, а также низкое быстродействие вызванное наличием в этом контуре элемента с инерционностью, соизмеримой с инерционностью самого терморезонанснго преобразователя. Таким элементом является счетчик, на заполнение которого низкой выходной частотой устройства вычитания частит требуется время, соизмеряемое с тепловой постоянной времени терморезонансного преобразователя.

Известен аналого-цифровой преобразователь среднеквадратического значения напряжения, содержащий преобразователь напряжение - ток, вход которого соединен со входной клеммой, выход - с первым нагревателем терморезонансного преобразователя, выход автогенератора которого соединен с первым входом устройства вычитания частот, второй вход которого подключен к выходу первого генератора опорной частоты, арифметическое устройство 2.

Недостатками данного преобразователя являются низкое быстродействие, а также наличие погрешностей, обусловленных статизмом контура автоматического регулирования температуры первого терморезонансного преобразователя. За счет статизма температура первого терморезонансного преобра.зователя не поддерживается контуром автоматического регулирования все время строго постоянной, а меняется в некоторых пределах в зависимости от величины измеряемого напряжения. Это обстоятельство неминуемо приводит к появлению погрешности от нелинейности, величина которой тем больше, чем больше пределы изменения температуры первого терморезонансного преобразователя и чем сильнее отличается от линейной его сквозная характеристика, показывающая зависимость выходной частоты преобразователя от суммарной мощности, поданной в его нагреватели. Уменьшение пределов изменения температуры первого терморезонансного преобразователя за счет увеличения петлевого усиления в контуре автоматического регулирования ведет с одной стороны к уменьшению запаса устойчивости системы, а с другой стороны к уменьшению частоты следования импульсов на выходе устройства вычитания частот. Это приводит к увеличению времени измерения вольтметра за счет увеличения необходимого для получения заданной точности времени подсчета счетчиком выходных импульсов устройства вычитания частот. Это обстоятельство является одной из причин, обусловливающих низкое быстродействие устройства. Другой причиной является тот факт, что каждый из двух тактов, необходимых для проведения измерения, можно разбить на два этапа, продолжительности которых соизмеримы: первый этап - переходный процесс в контуре автоматического регулирования, второй этап - измерение с помощью счетчика установившегося значения разностной частоты на выходе устройства вычитания частот. Эти этапы являются последовательными во времени, что приводит к уменьшению быстродействия. В результате фактическое быстродействие данного устройства оказывается низким (приблизительно в два раза ниже, чем реальное быстродействие терморезонансного преобразователя), несмотря на то, что в контуре автоматического регулирования отсутствует инерционный элемент - счетчик.

Цель изобретения - повышение точности и увеличение быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь среднеквадратического значения напряжения, содержаший преобразователь напряжение - ток, вход которого соединен со входной клеммой, выход - с первым нагрев1ателем терморезонансного преобразователя, выход автогенератора которого соединен с первым входом устройства вычитания частот, второй вход которого подключен к выходу первого генератора опорной частоты, арифметическое устройство, введены второй генератор опорной частоты, преобразователь интервал времени - код, сумматор, преобразователь

код-ток и устройство сравнения периодов, первый и второй входы которого соединены ёоответственно с выходом второго генератора опорной частоты и выходом устройства вычитания частот, нервый и второй выходы соединены соответственно с первым входом сумматора непосредственно и через преобразователь интервал времени - код со вторым входом сумматора, первый и второй выходы сумматора соединены соответственно со входом арифметического устройства и входом преобразователя код - ток, выход которого соединен со вторым нагреЬателе.м терморезонансного преобразователя.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит преобразователь 1 напряжение-ток, терморезонансный преобразователь 2 с автогенератором 3 и нагревателем 4, устройство 5 вычитания частот, первый генератор 6 опорной частоты, устройство 7 сравнения периодов, второй генератор 8 опорной частоты, преобразователь 9 интервал времени - код, сумматор 10, преобразоватетгьГ 11 код - ток и арифметическое устройство 12.

Устройство работает следующим образом.

Блоки 2-11 .образуют замкнутую систему автоматического регулирования, которая поддерживает температуру терморезонансного преобразователя 2, а следовательно, и суммарную мощность, подводимую к его нагревателям, постоянными. При отсутствии измеряемого напряжения Lk(t) температура терморезонансного преобразователя 2 определяется лишь током обратной связи TOC (t), который при этом имеет максимальное среднеквадратическое значение. Этому значению TQC (t) соответствует также максимальное значение кода в сумматоре 10. Измеряемое напряжение Ux(t) подается на вход преобразователя 1 напряжение - ток, с выхода которого ток Tx(t), пропорциональный Ux(t), поступает на первый нагреватель терморезонансного преобразователя 2. На второй нагреватель этого преобразователя подается ток обратной связи TOC (t) с выхода преобразователя 11 код-ток.

Частота fa, генерируемая автогенератором 3, определяется резонансной частотой терморезонансного преобразователя 2, которая, в свою очередь, почти линейно зависит от суммарной мощности, поданной в нагреватели этого терморезонансного преобразователя.

Устройство 5 вычитания частот вырабатывает сигнал, частота которого Af равна разности опорной частоты ft, вырабатываемой первым генератором 6 опорной частоты и частоты fj. На первый вход устройства 7 сравнения периодов поступает сигнал с постоянным периодом Те с выхода генератора 8 опорной частоты, а на второй вход

устройства 7 сравнения периодов - сигнал с выхода устройства 5 вычитания частот. Устройство 7 сравнения периодов сравнивает периоды сигналов, поступающих на его входы и вырабатывает, во-первых, сигнал знака разности этих периодов, и, во-вторых, последовательность импульсов, длительность которых ДТ пропорциональна разности этих периодов.

Преобразователь 9 интервал времени - код, вырабатывает кодовый сигнал, пропорциональный длительности AT.

Сумматор 10 в зависимости от сигнала знака разности периодов с выхода устройства 7 производит суммирование либо вычитачие кода с выхода преобразователя 9 интервал времени - код с кодом, содержащимся ранее в сумматоре 10. Код с выхода сумматора 10. поступает на вход преобразователя 11 код - ток, выходной ток которого Toc(t) подается на второй нагреватель тер.морезонансного преобразователя 2„ замыкая тем самым контур автоматического регулирования температуры терморезонансного преобразователя 2. По окончании в этом контуре переходного процесса, носящего итерационный характер, значение сигнала на выходе устройства 7 сравнения периодов становится равным нулю и f2 .

Все члены, входящие в правую часть, являются постоянными величинами, а значит и частота fa автогенератора 3 остается в установившемся режиме постоянной, не зависящей от величины измеряемого напряжения. Следовательно, и температура терморезонансного преобразователя 2 остается также строго неизменной. Таким образом, вследствие наличия интегрирующего звена контур автоматического регулирования предлагаемого устройства имеет свойства астатической системы автоматического регулирования первого порядка, точность измерения повышается за счет отсутствия, погрешностей, вызванных статизмом контура автоматического регулирования.

Так как резонансная частота f2 терморезонансного преобразователя 2 остается в установившемся режиме строго постоянной, то и суммарная мощность, поступающая в нагреватели этого терморезонансного преобразователя также постоянна, т.е.

KiUx -f К21оед const,

где Ki и Kz - коэффициенты пропорциональности;

Идди Тосд-действующие значения измеряемого напряжения и тока обратной связи TOC (t) соответственно. В случае использования в ка.честве преобразователя 11 код-ток устройства, линейно преобразующего значение кода, содержащегося в сумматоре 10, в квадрат действующего значения тока обратной связи, например, ШИМ преобразователя

К| и, + KsNjx const,

где Кз - коэффициент пропорциональности; Nfx:-значение кода сумматора Ш.

Процесс измерения разбиваете на два такта. На первом такте на вход прибора подается напряжение, равное нулю. Тогда

KaNjo const.

На втором такте на вход вольтметра подается измеряемое напряжение Uy (t), тогда

KsNro-KiUx -KsNrx 0,

15 откуда

Uxo - YN«-N«.

Арифметическое устройство 12 производит операции вычитания и корнеизвлечения, в результате выполнения которых на его

0 выходе появляется код со.огзстствующий Ux. Из приведенного анализа видно, что благодаря итерационному режиму функционирования устройства процесс установления выходного параметра (значения кода в сумматоре 10) и процесс установления выходных сигналов отдельных блоков (например, частоты терморезонансного преобразователя 2) в приборе протекают параллельно во времени, быстродействие предлагаемого прибора выше, чем у прототипа.

0

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь среднеквадратического значения напряжения,

5 содержащий преобразователь напряжение - ток, вход которого соединен со входной клеммой, выход с первым нагревателем терморезонансного преобразователя, выход автогенератора которого соединен с первым вхо. дом устройства вычитания частот, второй вход которого подключен к выходу первого генератора опорной частоты, арифметическое устройство, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности и увеличения быстродействия преобразователя, в него

5 введены второй генератор опорной частоты, преобразователь интервал времени-код, сумматор, преобразователь код-ток и устройство сравнения периодов, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом второго генератора опорной частоты и выходом устройства вычитания частот, первый и второй выходы соединены соответственно с первым входом сумматора непосредственно и через преобразователь интервал времени - код со вторым

входом сумматора, первый и второй выходы сумматора соединены соответственно со входом арифметического устройства и входом преобразователя код-ток, выход которого

соединен со вторым нагревателем терморезонансного преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Малов В. Пьезорезонансные датчики. 1978, с. 144-146 (прототип).