Многофункциональный аналого-цифровой преобразователь энергетических параметров сигнала

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистинеских

Респуублик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 100578 (21) 2612336/18-21 (51)М. Кл.

6 01 R 13/02 с присоединением заявки М—

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23} Приоритет—

Опубликовано 070780. Бюллетень Мо 25 (53) УДК 621.317.7, (088. 8) Дата опубликования описания 1007.80

О.Л.Николайчук, Б.В.Султанов, Э.К.Шахов, .Р.З.Шептебань, В.М.Шляндин и В.С.Якушев (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

Пензенский политехнический институт (54)МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА

Изобретение относится к электроизмерительной технике.

Известно устройство, основанное на методе измерения разности двух стабилизированных по действующим значениям напряжений с помощью вольтметра действующих значений 11) .

Недостатками этого устройства 1ð являются низкая точность, обусловленная наличием методической погрешности нелинейности, э 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 линейно изменяющейся частоты, блок управления, преобразователь код — частота,y5 ключи, делитель частоты, счетчик, генератор опорной частоты.

Недостатком этого устройства являются ограниченные функциональные воэможности (21.

Целью изобретения является расширение функциональных воэможностей.

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 переключателя, 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 вторым 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 тре746294 тий выход — с первым входом формирователя линейно изменяющейся частоты, выход генератора опорной частоты соединен с входом делителя частоты, дополнительно введены суммо- разностиый 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 соответст-, венно с первым и вторым выходами суммо-разностного 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 трехпоэиционного 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 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 вьход соединен с первым вхо: дом второго преобразователя код— частота, второй вход которого соединен с восьмым выходом блока управления, третий вход соединен с выходом второго ключа, 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 первым входом второго ключа, а выход — с первым входом двухвходового элемента

ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, а второй вход третьего ключа соединен с десятым выходом блока управления, одиннаццатый выход которбго соединен -с первым входом естого клича, 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 его выход соединен со вторым входом формирователя линейно изменяющейся частоты.

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

Устройство содержит. блок управле-ния 1, суммо-разностный блок 2, блок коммутации 3, трехпозиционные переключатели 4 и 5, квадратичный преобразователь напряжение-частота б, четырехвходовой элемент ИЛИ 7, реверсивный счетчик 8, формирователь линейно изменяющейся частоты 9, ключи

10 — 15, блоки переписи 16 и 17, двухпозиционный переключатель 18, двухвходовую логическую схему 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 преобраэования состоит иэ трех тактов и программируется блоком управления. В первом такте длительностью Т переключатели 4 и 5 устанавливаются в положении "1".

При этом к входу преобразователя б посредством блока коммутации, управляемого сигналом с блока 1, подклю- чается сигнал,.пропорциональный напряжению uÄ () или току И,(е) нагрузки (в зависимости от выбранного режима работы прибора). Во втором такте той же длительности переключатели 4 и 5 посредством блока Т переводятся в положение " Г ", 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 Ъ тактов в реверсивном счетчике также накапливается число т "x

2О„О Йс

5

i 40

55 а в преобразователе 21 число

И„= 1, - (1)

В третьем такте (положение " li) переключателей 4 и 5, открыт ключ 10) осуществляется описывание числа в реверсивном счетчике линейно изменяющейся частотой c,âûõoäà формирователя 9, формируемой с помощью пре74б 294 где N (t)= 5 t — текущее значение числа в управляющем счетчике, — частота импульсов генератора опорной частоты, 15

N2 — емк ос ть счетчиков фор,мирователя 9;

2 — частота н дных импульсов преобразователя 21. - 20

В свою очередь, 1" (3) я. И Ь где N> — емкость счетчиков преобразователя 21. начальная частота преобразователя б.

Подставляя выражение (1)и (3) и.(3.) в (2), имеют А опт у

1((4)

Я Ъ 2 Ь

Процесс описывания заканчивается в момент обнуления реверсивного счет- . чика. При этом справедливо равенство 35 тс

If (ИМ=М4, 0 1 где Т вЂ” время описывания числа в реверсивном счетчике (нремя третьего 40 такта).

Подставляя в последнее равенство выражения для j, f.1 и N производят

2 необходимые математические преобразования, имеют 45 ч

Тсц (1 (5 о о

Интервал времени Т измеряется счетно-импульсным методом, при этом 50 в счетчике 20 фиксируется число 2 С 4 откуда с учетом выражений (3), (8), (9) и: принимая. во внимание, что

4й

Тс Р fg%-, (10) о о

Измеряя интервал Tс счетно-импульсным методом путем заполнения

65 через открытый ключ 10 импульсами б образователя 21 и формирователя 9

I причем скорость изменения этой частоты пропорциональна Тт, что исключает зависимость результата измерения от частоты входного сигнала.

Действительно, выходная частота формирователя 9 определяется как

11(О 2

f = — f

1 N 21

C Ц =(3 + э (б )

ВЪ1Х Х О о которое и является кодом действующего значения и исследуемого сигнала.

В режиме преобразования активной мощности работа АЦП также осуществляется в три такта. Переключатель 18 в этом случае в течение всех трех тактов находится в положении

В первом такте, длительность которого Тт посредством блока 1 задается кратной целому и числу периодов входного сигнала Т = йТ „ переключатели 4 и 5 находятся в попожении " I ". При этом управляемый блоком управления блок коммутации 3 подключает.на вход преобразователя б суммирующий выход блока 2, В результате по окончании этого такта реверсивным счетчиком фиксируется число

1;, SUîTò 5 (() о

"5 4 т I(u+ u r,+ i где N — емкость реверсивного счетчика.

Во втором такте по команде с бло. ка 1 переключателя 4 и 5 устанавливаются в положение " р ", а блок коммутации 3 подключает к входу преоб.разователя б разностный выход блока 2. В результате по окончании днух циклон реверсивным счетчиком фикси-, руется число

Тт

1 14 1 (+50оТт 5 1(О„-И 1 М, о или с учетом выражения (7) тт, 1 =4SJ u и а =4 Т р + о О т где Р— активная мощность сигнала. кроме того, так же как и в предыдущем режиме, н течение одного из двух первых тактов сигналом блока 1 открывается ключ 15, вследствие чего в управляющем счетчике преобразователя 21 накапливается чис ло й1 = o T- (9)

В третьем такте осуществляется деление числа и на длительность такта

Т, кратное целому числу периодов входного сигнала Тт= пТ, а также производится коррекция погрешностей, обусловленных нестабильностью коэффициента преобразования преобразователя б. Реализуется это следующим образом. По команде блока 1 переключатели 4 и 5 переводятся в положение

"17 ", открывается ключ 10. При этом осуществляется описание числа N4, зафиксированногЬ в реверсивном счетчике, выходной частотой преобразонателя 21, определяемой выражением (3).

Третий такт заканчивается н момент обнуления реверсивного счетчика.

Для этого момента справедливо равенство

746294

Р Оо

Как видно из выражения (11), точность 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 положении "I". В первом цикле описанным выше образом (при рассмотрении режима измерения действующего значения сигнала) осуществляется процесс преобразования действующего значения, например напряжения uÄ (), 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 й„,пропорциональные соответст- венно квадрату действующего значения .и длительности такта. В третьем такте осуществляется описывание до нуля числа в реверсивный счетчик линейно изменяющейся частотой формирователя 9. При этом длительность третьего такта в соответствии с выражением (5) определяется как

42Nя>ъ о о

В течение этого времени через открытый сигналом с блока 1 ключ 13 осуществляется заполнение управляющего счетчика преобразователя 22 частотой . В результате в этом счетчике фиксируется число, пропорциональное действующему значению 0в

5 U К0 о где к= - — коэффициент деления де4 лителя частоты.

На этом первый цикл преобразования полной мощности заканчивается.

На втором цикле в течение трех тактов аналогичным образом осуществляется преобразование напряжения, пропорционального току нагрузки, во временной интервал

4™ОФлмч ОРкч 1 3

Tet.-

В течение этого времени сигналом с блока 1 открываются ключи 14 и 11.

В результате на сигйальный вход пре- образователя 22 поступают импульсы с частотой Ю4,a его выходной сигнал частота которого . 2N< Н

4 И =к

V lK UoN6 5

1 0 где

2NgNg

5 0 1 16

5 — полная мощность, являющаяся кодовым эквивалентом полной мощности..

Из выражения (14) видно, что точность преобразоВания полной мощности определяется лишь стабильностью образцового напряжения преобразователя

6 Uo(величины N2,N3,К и, N6 задаются с абсолютной точйостью).

В режиме преобразования коэф;рпциента 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 (i4). Соот30 ветствующими сигналами с блока управления в этот момент производится сброс счетчиков преобразователя 22, перепись кода с помощью блока переписи кода 17 из счетчика 20 в управ35 ляющий 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 соответ45 ствующими сигналами блока управления. осуществляется перепись кода с помощью блока переписи 16 из счетчика 20.

В четвертом цикле по команде с

50 блока управления открываются ключи

10, 11 и 12. При этом осуществляется описывание до нулевого значения числа в реверсивном счетчике выходной частотой преобразователя 22.

1 = — 1

Мз

5 Йь 4

5 = — 1

5 И< 4 частоты счетчика 20, в последнем получают цифровой эквивалент активной ,мощности где N6 — емкость счетчика преобра зователя 22,поступает через открытый ключ 14 в счетчик 20. При этом в последнем накапливается число

1"ь, с, или с учетом выражений (12) .и (13) и измерения времени описывания Т с счетно-импульсным методом путем заполнения счетчика 20 импульсами с частотой Х . В данном случае справедливы соотношения

NP

Тс 1 Мк -Tc lg 5

«9

746294

Как видно из выражения (16), преобразование коэффициента мощности также принципиально является высокоточным, поскольку в функции преобразования в качестве пропорциональности входят лишь величины, задаваемые с абсолютной точностью.

Таким образом, предложенный АЦП позволяет осуществить высокоточное преобразование действующего значения, активной и полной мощности и коэффициента мощности сигналов с несинусоидальной формой кривой. При этом структура устройства обеспечивает максимальное использование одних и тех же узлов и но многом одинаковую организацию блока управления при преобразовании различных величин, что и обусловливает ее относительную простоту. откуда с учетом выражений (1 1 ) ., (1ч) и (15) имеют

Р 4K M

К : — =y, y,, 16 хм 1 1 где 11„м — число, фиксируемое в момент обнуления реверсивного счетчика счетчиком 20 (все ключи в этот момент закрываются и процесс преобразования заканчивается), являющееся кодом коэффициента мощности

4К 11 б

"ь

Формула изобретения

Многофункциональный аналого-цифровой преобразователь энергетических параметров сигнала, содержащий квадратичный преобразователь напряжение-.частота, вход которого соеди- нен с выходом первого трйхпозиционного переключателя, а выход — с входом второго трехпозиционного переключателя, причем первый выход последнего соединен с входом сложения реверсивного счетчика, а второй выход соединен с первым входом первого преобразователя код-чаагота, первый выход блока управления соединен с первым входом первого и со вторым входом второго трехпозиционных переключателей, и второй вход первого подключен к шине "земля", второй и третий ныходы 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 опорной частоты соединен с входом.делителя частоты, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в устройство дополнительно введены суммо-разностный блок, блок коммутации, второй преобразователь кодчастота, первый и второй блоки переписи кодов, третий, четвертый пятый и шестой ключи, двухпозиционнйй переключатель и четырехнходовой 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 нходной шиной тока и со вторым входом блока коммутации, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами суммо-разностного блока, пятый вход с четвертым выходом блока управ20 ления, шестой вход подключен к земляной шине, а первый и второй выходы соединены соответственно с третьим и четвертым входами первого трехпози-. ционного переключателя, третий выход второго трехпозиционного переключателя соединен с первым входом четырехнходового элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с первым выходом двухпозиционного

30 переключателя, третий вход с выходом формирователя линейно изменяющейся частоты, четвертый вход с выходом третьего ключа, а выход— с входом вычитания реверсивного счет35 чика, третий вход которого соединен с выходом первого блока переписи, первый вход последнего соединен с пятым выходом блока управления, второй нход — с первым выходом счетчи40 ка, первый вход которого соединен с шестым выходом блока управления,второй вход — с выходом днухвходового элемента ИЛИ, а второй выход соединен с первым входом второго блока перепи4 си, 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 второго ключа чет,:вертый вход — с выходом четвертого ключа а выход соединен с первыми вхо:,дами йятого 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 соединец с первым входом второго ключа, а вы60 ход - с первым входом двухвходоного элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, а второй вход третьего ключа соединен с десятым выходом блока управления, 65 одиннадцатый выход которого соединен

74 6294

Составитель Л.Беляева

Редактор Т.Иванова Техред N. Петzo Корректор Н.Стец

Заказ 4964/49 Тираж 1019 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета:СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-.35,Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4 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 которога соединен с первым входом двухпозиционного йереключателя, второй вход которого соединен с двенадцатым выходом блока управления, а его выход соединен со вторым входом формирователя линейно изменяющейся частоты.

Источники информации, S принятые во внимание при экспертизе

1.Орнатский П.П. и др. Измерительные приборы периодического сравнения

М., "Энергия", 1975, с.178.

2. Заявка Р 2046145/18-21 МКИ

01 R 13/02 (прототип,