Преобразователь мощности в частоту

 

Использование: в электроизмерительной технике. Сущность изобретения: преобразователь (по первому варианту) содержит входные преобразователи тока и напряжения, входы которых соединены с соответствующими входными шинами, а выходы - с входами первого и второго формирователей модуля, перемножитель, первый и второй входы которого подключены соответственно к первым выходам первого и второго формирователей модуля, а его выход соединен с первым входом первого управляемого инвертора, выход которого подключен к входу интегратора, первый и второй компараторы, выходы которых соединены с входами первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а также фильтр низких частот, второй управляемый инвертор, второй и третий логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а первый компаратор выполнен гистерезисным и его выход является частотным выходом устройства. Вторые выходы первого и второго формирователей модуля соединены соответственно с первым и вторым входами второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к первому входу третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к второму входу второго управляемого инвертора, первый вход которого подключен к выходу перемножителя, а выход соединен с входом фильтра низких частот, выход которого является аналоговым выходом устройства и соединен с входом второго компаратора, выход которого образует знаковый выход устройства. Выход третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом первого управляемого инвертора, выход интегратора соединен с входом первого компаратора. Выход первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. По второму варианту преобразователь мощности в частоту содержит входные преобразователи тока и напряжения, входы которых соединены с соответствующими входными шинами, а выходы - с входами первого и второго формирователей модуля, перемножитель, первый и второй входы которого подключены соответственно к первым выходам первого и второго формирователей модуля, первый инвертор, интегратор, первый и второй компараторы, выходы которых соединены с входами первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а также фильтр низких частот, второй инвертор, второй и третий логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый, второй и третий экспоненциальные элементы и схему НЕ, а первый компаратор выполнен гистерезисным и его выход является частотным выходом устройства. Вторые выходы первого и второго формирователей модуля соединены соответственно с входами второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к первому входу третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к первому входу третьего экспоненциального элемента, второй вход которого подключен к первому выходу перемножителя и вторым входам первого и второго экспоненциальных элементов, выход первого экспоненциального элемента через первый инвертор соединен с входом интегратора и выходом второго экспоненциального элемента, выход третьего экспоненциального элемента через второй инвертор соединен с вторым выходом перемножителя и входом фильтра низких частот, выход которого подключен к входу второго компаратора и является аналоговым выходом преобразователя, выход второго компаратора образует знаковый выход преобразователя, выход интегратора соединен с входом первого компаратора, выход первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к второму входу третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого экспоненциального элемента и через схему НЕ - с первым входом второго экспоненциального элемента. Преобразование мощности осуществляется с малой относительной погрешностью при любом направлении средней мощности в измеряемой цепи. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения электрической мощности и энергии переменного и постоянного тока.

Известно устройство для измерения мощности, содержащее входные преобразователи тока и напряжения, логарифмический перемножитель, инвертор тока и фильтр низких частот [1] Недостатком этого устройства является малый диапазон изменения измеряемой величины с гарантированной величиной относительной погрешности, необходимой для построения на его основе счетчиков электрической энергии.

Известно также устройство для измерения электрической энергии, содержащее входные преобразователи тока и напряжения, перемножитель, управляемый инвертор, интегратор, компаратор и логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ [2] Недостатками этого устройства являются неработоспособность при изменении направления средней мощности нагрузки, а также узкий диапазон ее изменения с гарантированной величиной относительной погрешности измерения.

Наиболее близким к изобретению является преобразователь активной мощности в цифровой код, содержащий входные преобразователи тока и напряжения, входы которых соединены с соответствующими входными шинами, а выходы с входами первого и второго формирователей модуля, перемножитель, входы которого подключены к выходам первого и второго формирователей модуля, первый и второй компараторы, выходы которых соединены с входами логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инвертор и интегратор [3] Данный преобразователь независимо от знака произведения входных сигналов осуществляет их перемножение в одном квадранте, вследствие чего на его точности сказывается лишь нелинейность, проявляющаяся в данном квадранте.

Недостатком данного преобразователя является малый динамический диапазон работы с гарантированной относительной погрешностью преобразования, что, например, не позволяет его использовать для построения счетчиков электрической энергии. Во-первых, область применения преобразователя ограничивается электрическими цепями только одного направления (знака) измеряемой мощности, но даже в этом случае требуется предварительная фазировка входных цепей. При изменении же направления средней мощности в измеряемой цепи преобразователь прекращает свою работу. Во-вторых, используемая в устройстве при преобразовании мощности в цифровой код реализация промежуточного преобразования в относительную длительность импульса принципиально обладает ограниченным динамическим диапазоном работы с гарантированной относительной погрешностью преобразования, обычно не превышающим одну декаду изменения выходного параметра. Это объясняется наличием аддитивных составляющих аппаратурной погрешности преобразования в промежуточный параметр. Одной из них является погрешность воспроизведения операции интегрирования аналоговых сигналов в интеграторе, наиболее точной реализацией которой является заряд конденсатора в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя. Отношение параметров неидеальности последнего (напряжение и ток смещения) и уровня полезного сигнала интегратора фактически равны величине относительной погрешности преобразования в относительную длительность импульса и соответственно значению цифрового кода на выходе преобразователя. Другим источником аддитивной погрешности является конечность времени переключения ключевых элементов и времени установления сигналов в схеме при переключении в каждый такт преобразования входного и опорного сигналов.

Задачей изобретения является преобразование мощности с малой относительной погрешностью при любом направлении мощности в измеряемой цепи.

Предлагаемый преобразователь в обоих вариантах позволяет обеспечить работоспособность при любом из двух возможных направлений средней мощности в измеряемой цепи, в то время как преобразователь по прототипу не обладает такой функциональной возможностью, т.е. диапазон работы расширен по крайней мере вдвое.

В отличие от устройства-прототипа в предлагаемом преобразователе (его вариантах) чувствительность результата преобразования (частота выходного импульсного сигнала) к аддитивным составляющим аппаратурной погрешности интегратора, приведенным к его входу и вызванным, например, параметрами неидеальности операционного усилителя этого блока, значительно ниже, поскольку при двойном интегрировании полезного сигнала (в прямом и обратном направлении) эта погрешность пропорциональна квадрату отношения уровней рабочего (полезного) и паразитных сигналов независимо от характера (потенциального или токового) входного сигнала интегратора. Кроме того, в предлагаемом преобразователе исключены периодические отключения входных сигналов для преобразования вспомогательных (опорных) и соответствующие потери информации, а также сопутствующие погрешности, вызванные неидеальностью коммутирующих элементов и инерционностью всего тракта преобразования сигнала. Возможные источники аддитивных ошибок в виде напряжений на емкости интегратора или порогов срабатывания гистерезисного компаратора проявляются на фоне больших по величине уровней указанных порогов независимо от значения измеряемой мощности нагрузки, т.е. проявляются в частотном выходном сигнале в виде относительной погрешности. Устранение указанных аддитивных ошибок позволяет расширить диапазон преобразования мощности в частоту с нормированной величиной относительной погрешности до 2-3 декад изменения измеряемой мощности, т.е. увеличить его по сравнению с прототипом не менее, чем в 10 раз, при этом сохранить работоспособность при любом направлении средней мощности.

Поставленная задача решается тем, что в преобразователь мощности в частоту по первому варианту, содержащий входные преобразователи тока и напряжения, входы которых соединены с соответствующими входными шинами, а выходы с входами первого и второго формирователей модуля, перемножитель, входы которого подключены к выходам первого и второго формирователей модуля, а выход соединен с входами первого управляемого инвертора, выход которого соединен с входом интегратора, первый и второй компараторы, выходы которых соединены с входами первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, введены фильтр низких частот, второй управляемый инвертор, второй и третий логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а первый компаратор выполнен гистерезисным и его выход является частотным выходом устройства, при этом вторые выходы первого и второго формирователей модуля соединены соответственно с первым и вторым входами второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к первому входу третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к первому входу второго управляемого инвертора, второй вход которого подключен к выходу перемножителя, а выход соединен с фильтром низких частот, выход которого является аналоговым выходом устройства и соединен с входом второго компаратора, выход которого образует знаковый выход устройства, при этом выход третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом первого управляемого инвертора, а выход интегратора соединен с входом первого компаратора, причем выход первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

В преобразователе по первому варианту предлагается управляемый инвертор выполнить в виде логарифмирующего элемента, двух экспоненциальных элементов, инвертора и схемы НЕ, при этом входом управляемого инвертора, является вход логарифмирующего элемента, а его выход соединен с первыми входами экспоненциальных элементов. Выход первого экспоненциального элемента подключен к входу инвертора, выход которого объединен с выходом второго экспоненциального элемента и образует выход управляемого инвертора. Вторые входы первого и второго экспоненциальных элементов подключены соответственно к выходу и входу схемы НЕ, причем последний является вторым входом управляемого инвертора.

Согласно второму варианту изобретения новым является введение фильтра низких частот, второго и третьего логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первого, второго и третьего экспоненциальных элементов, схемы НЕ, второго инвертора и выполнение первого компаратора гистерезисным с выходом, являющимся частотным выходом устройства, при этом вторые выходы первого и второго формирователей модуля соединены соответственно с первым и вторым входами второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с первым входом третьего экспоненциального элемента и первым входом третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к первому входу первого экспоненциального элемента и входу схемы НЕ, выход которой подключен к первому входу второго экспоненциального элемента, выход которого объединен с выходом первого инвертора и входом интегратора, выход которого соединен с входом первого компаратора, причем первый выход перемножителя подключен к вторым входам первого, второго и третьего экспоненциальных элементов, а выход первого экспоненциального элемента соединен с входом первого инвертора, второй выход перемножителя подключен к выходу второго инвертора и входу фильтра низких частот, выход которого образует аналоговый выход преобразователя и соединен с входом второго компаратора, выход которого образует знаковый выход устройства, при этом выход первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

При реализации изобретения по второму варианту целесообразно перемножитель выполнить в виде трех логарифмирующих элементов, сумматора, экспоненциального элемента и источника опорного сигнала, при этом вход первого логарифмирующего элемента является первым входом перемножителя, а его выход соединен с первым входом сумматора, вход второго логарифмирующего элемента подключен к выходу источника опорного сигнала, а его выход соединен с вторым входом сумматора, вход третьего логарифмирующего элемента является вторым входом перемножителя, а его выход соединен с третьим входом сумматора, выход которого является первым выходом перемножителя и объединен с входом экспоненциального элемента, выход которого служит вторым выходом перемножителя.

В первом и втором вариантах преобразователя экспоненциальный элемент предлагается выполнить в виде двух биполярных транзисторов одного типа проводимости и двух резисторов, при этом эмиттер первого транзистора служит входом, а коллектор выходом экспоненциального элемента, коллектор второго транзистора соединен с базой первого транзистора и первым выводом первого резистора. Первый вывод второго резистора подключен к эмиттеру второго транзистора, база которого соединена с шиной нулевого потенциала и вторым выводом первого резистора. Второй вывод второго резистора служит вторым входом экспоненциального элемента.

В обоих вариантах преобразователя инверторы могут быть выполнены в виде двух транзисторов, усилителя и резистора. Коллектор первого транзистора соединен с входом усилителя, выход которого соединен через резистор с эмиттерами обоих транзисторов, а базы транзисторов подключены к шине нулевого потенциала. Коллектор первого транзистора является входом, а коллектор второго транзистора выходом инвертора.

Предлагаемое выполнение в управляемом инверторе преобразователя по первому варианту и в преобразователе по второму варианту экспоненциального элемента и инвертора позволяет дополнительно уменьшить величину относительной погрешности преобразования, поскольку перенесение коммутации на сторону логарифмов (входную цепь) экспоненциального элемента обеспечивает преобразование аддитивного характера соответствующих ошибок к мультипликативному на выходе этого элемента. Токовый характер выходных сигналов экспоненциальных элементов и инверторов обеспечивает также исключение аддитивной составляющей ошибки для частотного и уменьшение для аналогового преобразования мощности, обусловленных аппаратурными погрешностями потенциального характера соответственно интегратора и фильтра нижних частот.

Предлагаемые технические решения обеспечивают преобразование мощности с малой относительной погрешностью преобразования при любом направлении мощности в измеряемой цепи принципиально одним и тем же путем за счет введения фильтра низких частот, двух дополнительных логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инвертора и их связями с остальными элементами схемы и выполнения компаратора гистерезисным.

Преобразователь по первому варианту предполагает использование аналогового перемножителя с выходным сигналом в виде напряжения постоянного тока.

Преобразователь по второму варианту предполагает использование логарифмического перемножителя, характеризующегося низким уровнем аддитивных ошибок в выходном сигнале, что обеспечивает дополнительное уменьшение относительной погрешности преобразования. Это объясняется свойством логарифмического алгоритма сводить аддитивные ошибки на стороне логарифмов (а это приведенные к выходу погрешности логарифмирующих элементов, приведенные к входу погрешности экспоненциального элемента и погрешности суммирования) к мультипликативным в результате произведения. Токовый характер сигнала на его втором выходе (выходной сигнал экспоненциального элемента) позволяет уменьшить влияние погрешности потенциального характера фильтра низких частот на результат аналогового преобразования мощности и, в конечном счете, на правильность определения ее направления в области малых нагрузок.

На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя по первому варианту; на фиг.2 схема реализации управляемого инвертора, применяемого в первом варианте преобразователя; на фиг.3 функциональная схема преобразователя по второму варианту; на фиг.4 схема реализации перемножителя для второго варианта преобразователя; на фиг.5 схема экспоненциального элемента для первого и второго вариантов преобразователя; на фиг.6 пример реализации инвертора для обоих вариантов преобразования.

Преобразователь мощности в частоту по первому варианту (см. фиг.1) содержит входной преобразователь 1 тока и входной преобразователь 2 напряжения, входы которых являются соответствующими входными шинами преобразователя, первый формирователь 3 модуля тока и второй формирователь 4 модуля напряжения, вторые выходы которых соединены с входами второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, а первые выходы с входами перемножителя 6. Выход перемножителя 6 соединен с первым входом первого управляемого инвертора 7, а его выход с входом интегратора 8. Выход интегратора 8 подключен к входу первого компаратора 9. Первый вход второго управляемого инвертора 10 подключен к выходу второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, а второй вход к выходу перемножителя 6. Выход управляемого инвертора 10 подключен к входу фильтра 11 низких частот, выход которого соединен с входом второго компаратора 12. Входы первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 соединены с выходами первого 9 и второго 12 компараторов. Первый вход третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 соединен с выходом второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, а второй вход с выходом первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13. Выход третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 соединен с вторым входом первого управляемого инвертора 7.

Управляемый инвертор в преобразователе по первому варианту (см. фиг.2) предлагается выполнить в виде логарифмирующего элемента 15, выход которого соединен с первыми входами первого 18 и второго 17 экспоненциальных элементов, выходы которых соединены соответственно с входом и выходом инвертора 18, а вторые входы подключены соответственно к выходу и входу схемы НЕ 19. Вход логарифмирующего элемента 15 является первым входом 20 управляемого инвертора, второй вход второго экспоненциального элемента 17 и вход схемы НЕ 19 образуют второй вход 21 управляемого инвертора, выходом 22 которого служат объединенные выходы второго экспоненциального элемента 17 и инвертора 18.

Преобразователь мощности в частоту по второму варианту (см. фиг.3) содержит входной преобразователь 1 тока и входной преобразователь 2 напряжения, входы которых являются соответствующими входными шинами преобразователя, первый формирователь 3 модуля тока и второй формирователь 4 модуля напряжения, вторые выходы которых соединены с входами второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, а первые выходы с первым и вторым входами перемножителя 6. Выход первого инвертора 7 соединен с входом интегратора 8, выход которого соединен с входом первого компаратора 9. Второй выход перемножителя 6 подключен к выходу второго инвертора 10 и входу фильтра 11 низких частот, выход которого служит аналоговым выходом преобразователя и соединен с входом второго компаратора 12, выход которого образует знаковый выход устройства. Входы первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 соединены с выходами первого 9 и второго 12 компараторов, а выход подключен к второму входу третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14. Вход схемы НЕ 23 подключен к первому входу первого экспоненциального элемента 16 и выходу третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14, а выход соединен с первым входом второго экспоненциального элемента 17. Вторые входы первого 16, второго 17 и третьего 24 экспоненциальных элементов объединены с первым выходом перемножителя 6. Первый вход третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 соединен с выходом второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 и первым входом третьего экспоненциального элемента 24, выход которого связан с входом второго инвертора 10. Выход первого экспоненциального элемента 16 соединен с входом первого инвертора 7, а выход второго экспоненциального элемента 17 с входом интегратора 8.

В преобразователе мощности по второму варианту перемножитель 6 целесообразно выполнить в виде первого 25, второго 26, третьего 27 логарифмирующих элементов (см. фиг.4), источника 28 опорного сигнала, выход которого подключен к входу второго логарифмирующего элемента 26. Три входа сумматора 29 соединены с выходами соответственно первого 25, второго 26, третьего 27 логарифмирующих элементов. Выход сумматора 29 объединен с входом экспоненциального элемента 30 и является первым выходом 34 перемножителя 6, вторым выходом 33 которого служит выход экспоненциального элемента 30. Вход первого логарифмирующего элемента 25 является первым 31 входом, а вход третьего логарифмирующего элемента 27 вторым 32 входом перемножителя 6.

Экспоненциальный элемент преобразователя по первому и второму вариантам выполнен на первом транзисторе 35 (см. фиг.5). Для управления состоянием экспоненциальным элементом служит второй транзистор 36 того же типа проводимости, коллектор которого соединен с базой первого транзистора 35 и первым выводом первого резистора 37. Первый вывод второго резистора 38 подключен к эмиттеру второго транзистора 36, база которого соединена с шиной 39 нулевого потенциала и вторым выводом первого резистора 37. Эмиттер первого транзистора 35 образует вход 40, а коллектор выход 41 экспоненциального элемента. Второй вывод второго резистора 38 служит управляющим входом 42 экспоненциального элемента.

Инверторы 18 (фиг.2) в первом варианте устройства 7 и 10 (фиг.3) во втором варианте могут быть выполнены как инверторы тока (см. фиг.6), на основе пары идентичных транзисторов 43 и 44, тип проводимости которых противоположен типу проводимости транзисторов экспоненциальных элементов. Коллектор первого транзистора 43 соединен с входом операционного усилителя 45, выход которого соединен через резистор 46 с эмиттерами транзисторов 43 и 44, а базы транзисторов подключены к шине нулевого потенциала. Коллектор первого транзистора 43 является входом 47, а коллектор второго транзистора 44 выходом 48 инвертора.

Преобразователь мощности в частоту по первому варианту работает следующим образом.

Входные преобразователи 1 и 2 тока и напряжения приводят первичные входные сигналы ток I и напряжение U измеряемой электрической цепи к уровню, оптимальному для работы вычислительной части. Она содержит четырехквадрантную схему перемножения, построенную на основе перемножителя 6, работающего с сигналами одной полярности (см. фиг.1). Формирователи 3 и 4 модуля из выходных двухполярных сигналов входных преобразователей 1 и 2 тока и напряжения соответственно I и U формируют модульные компоненты I и U и знака sgnI и sgnU. Модульные компоненты подаются на входы перемножителя 6, выходной сигнал которого S пропорционален произведению их мгновенных значений. Знаковые компоненты sgnI и sgnU являются двоичными переменными, изменяющими свое значение при изменении полярности соответствующих входных сигналов. Они поступают на входы второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, реализующего операцию сложения логических входных переменных по модулю 2, так, что его выходной двоичный сигнал sgnS определяет знак результата произведения и управляет состоянием второго управляемого инвертора 10, одно из которых соответствует режиму повторения, а второе режиму инвертирования входного сигнала. Таким образом происходит восстановление знака произведения мгновенных значений входных сигналов S на его выходе. Фильтр 11 низких частот производит его усреднение по времени, причем постоянная времени фильтра выбирается больше периода основной гармоники входных сигналов, так что сигнал Ра на его выходе, являющийся аналоговым выходом преобразователя, пропорционален средней мощности сети, а его полярность однозначно соответствует знаку (направлению) этой мощности. В сети переменного тока этот сигнал характеризует активную мощность, т.е. учитывает и коэффициент мощности. Для фиксации знака активной мощности служит второй компаратор 12, его двоичный выходной сигнал sgnP является знаковым выходом преобразователя, а также используется при преобразовании мощности в частоту.

Мгновенное значение сигнала на выходе первого управляемого инвертора 7 также пропорционально произведению мгновенных значений выходных сигналов преобразователей 1 и 2, полярность же его соответствует или инверсна знаковой компоненте произведения sgnS (выходной сигнал логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5), подаваемой на один вход первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13, в зависимости от управляющего сигнала на другом входе этого элемента. При ненулевой мощности в измеряемой цепи какого-либо одного направления в зависимости от полярности выходного сигнала первого управляемого инвертора 7 напряжение на выходе интегратора 8 увеличивается или уменьшается и определяет одно из двух возможных состояний гистерезисного компаратора 9. Значение выходного сигнала этого элемента, устанавливающееся при увеличении напряжения на выходе интегратора 8 и достижении его величины верхнего порога, сохраняется после этого, как при больших значениях этого напряжения, так и при его уменьшении вплоть до нижнего порога, когда состояние гистерезисного компаратора 9 принимает свое второе значение. В свою очередь, второе состояние сохраняется после этого, как при значениях напряжения на выходе интегратора 8, меньших нижнего порога, так и при больших, но не превышающих верхнего порога срабатывания. Состояние первого управляемого инвертора 7 и гистерезисного компаратора 9 согласуются через первый и третий логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 и 14 таким образом, что для какого-либо одного из двух возможных направлений средней мощности в измеряемой цепи при достижении напряжения на интеграторе 8 верхнего порога срабатывания гистерезисного компаратора 9 его изменившийся выходной сигнал переключает состояние первого управляемого инвертора 7, что приводит к уменьшению напряжения на интеграторе 8. Постоянная интегрирования интегратора 8 выбирается такой, чтобы при максимальном уровне нагрузки время изменения напряжения на его выходе на величину, равную разности верхнего и нижнего порогов срабатывания гистерезисного компаратора 9 (ширина петли гистерезиса), было больше времени изменения направления измеряемой мгновенной мощности. В частном случае измерения энергии в сети переменного тока это время достаточно выбрать большим периода основной (первой) гармоники. При соблюдении указанных условий и неизменном направлении средней мощности в измеряемой сети отрицательная обратная связь, осуществляемая соединением через первый 13 и третий 14 логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ выхода гистерезисного компаратора 9 и управляющего входа первого управляемого инвертора 7, обеспечивает поддержание напряжения на выходе интегратора 8 внутри диапазона, ограниченного верхним и нижним порогами срабатывания первого компаратора 9 (ширины петли гистерезиса). При этом средняя частота импульсного сигнала на его выходе Pf пропорциональна мощности, протекающей в измеряемой цепи, а сам он служит частотным выходом преобразователя мощности. Указанный параметр в сети переменного тока характеризует активную мощность, т.е. учитывает и коэффициент мощности.

При изменении направления средней мощности в измеряемой цепи указанное условие нарушается. Для обеспечения работоспособности преобразователя в этом случае используется изменившийся выходной сигнал второго компаратора 12, который переводит первый логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 в режим инвертирования выходного сигнала гистерезисного компаратора 9, поступающего на вход третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14, и обеспечивает тем самым выполнение условия отрицательности обратной связи преобразования в частоту при любом направлении активной мощности. При этом средняя частота импульсов Pf на частотном выходе преобразователя пропорциональна мощности в измеряемой цепи и не зависит от ее направления, величина и знак напряжения Ра на аналоговом выходе преобразователя однозначно соответствуют величине и направлению этой мощности, а последний параметр отображается логической переменной sgnP на знаковом выходе преобразователя.

Управляемые инверторы 7 и 10 в преобразователе по первому варианту, выполненные в соответствии с фиг.2, работают следующим образом. Сигнал на входе 20 блока логарифмируется логарифмирующим элементом 15 и затем подвергается обратному преобразованию с помощью идентичных друг другу первого 16 и второго 17 экспоненциальных элементов. Параметры элементов 15, 16 и 17 согласованы таким образом, что выходные сигналы экспоненциальных элементов 16 и 17 пропорциональны входному сигналу логарифмического элемента 15. Экспоненциальные элементы 16 и 17 позволяют коммутировать их выходной сигнал, т. е. уменьшать до пренебрежимой величины при значении управляющего сигнала, равного уровню логической единицы, или пропускать с коэффициентом передачи, равным единице при нулевом уровне управляющего сигнала на их втором входе. Выходной сигнал первого экспоненциального элемента 16 инвертируется инвертором 18. Поскольку выходные сигналы инвертора 18 и экспоненциального элемента имеют токовый характер, а схема НЕ 19 обеспечивает противофазное состояние экспоненциальных элементов, то суммарный выходной ток инвертора 18 и экспоненциального элемента 17, образующий ток на выходе 22 управляемого инвертора имеет направление (знак), определяемое управляющим сигналом на его втором входе 21.

В качестве формирователей модуля с двумя выходными сигналами аналоговым и дискретным, являющимися соответственно модульной и знаковой компонентами входного двухполярного сигнала, возможно использование широко известных активных схем вычисления абсолютных значений или двухполупериодных выпрямителей типа "идеальный диод", основанных на включении детектирующих элементов (диодов или транзисторов) в цепь обратной связи операционных усилителей (Шило В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М. Советское радио, 1979, с. 183-188). Выходной сигнал такой схемы соответствует модульной компоненте знакопеременного входного сигнала. Скачкообразное изменение выходного напряжения операционного усилителя при изменении полярности входного сигнала с перепадом, превышающим 1 В, позволяет использовать его как двоичный сигнал, однозначно соответствующий знаковой компоненте. В сравнении с возможным определением знака входных сигналов с помощью компараторов, как это реализовано в устройстве-прототипе, такая реализация является предпочтительной, поскольку позволяет повысить точность и уменьшить аппаратурные затраты, особенно в случае токового характера входных сигналов преобразователя.

Для правильной работы устройства необходимо наличие гистерезиса передаточной характеристики преобразования у гистерезисного компаратора 9. Другое используемое в литературе название таких элементов регенераторный компаратор, реализуемый на одном или двух компараторах с обязательным введением элементов с положительной обратной связью (Алексенко А.Г. Коломбет Е.А. и Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М. Радио и связь, 1985, с. 180). Хорошо известными являются и методы стабилизации порогов срабатывания и ширины петли гистерезиса.

Преобразователь мощности в частоту по второму варианту (см. фиг.3) работает следующим образом.

В преобразователе используется одноквадрантный перемножитель 6 типа логарифм-антилогарифм, работающий с однополярными входными сигналами и имеющий логарифмический и линейный выходные сигналы (соответственно на первом и втором выходах). Экспоненциальные элементы 16, 17 и 24, подключенные к первому (логарифмическому) выходу перемножителя, позволяют получить на своем выходе однополярные сигналы, пропорциональные выходному сигналу перемножителя. Кроме того, экспоненциальные элементы 16, 17 и 24 имеют управляющие входы, позволяющие коммутировать их выходной сигнал, т.е. уменьшать до пренебрежимой величины при значении управляющего сигнала, равного уровню логической единицы, или пропускать с коэффициентом передачи, равным единице, при нулевом уровне управляющего сигнала. Как и в схеме первого варианта устройства (фиг. 1), выходной двоичный сигнал второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 sgnS является знаковой компонентой результата произведения входных переменных преобразователя. Этот сигнал подается на управляющий вход экспоненциального элемента 24, выходной сигнал которого инвертируется инвертором 10. Коэффициент передачи этих последовательно включенных элементов в открытом состоянии выбирается равным двум, чем обеспечивается равенство по модулю и противоположность по знаку суммарного выходного тока инвертора 10 и перемножителя 6 при разных состояниях экспоненциального элемента 24, т.е. четырехквадрантность перемножения по каналу аналогового выходного сигнала. Аналогичным образом обеспечивается четырехквадрантность перемножения и управляемость полярностью входного сигнала интегратора 8 в канале преобразования мощности в частоту. Выходной сигнал третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 и инверсный ему выходной сигнал схемы НЕ 23 подаются на управляющие входы идентичных друг другу экспоненциальных элементов 16 и 17, так, что они всегда находятся в противофазном состоянии, т.е. выходной токовый сигнал одного из них близок к нулю, а другого соответствует сигналу на его аналоговом входе, т.е. пропорционален произведению модулей выходных сигналов. Поэтому с учетом действия первого инвертора 7, суммарный выходной ток инвертора 7 и экспоненциального элемента 17 становится двухполярным, зависящим от знака произведения мгновенных значений входных сигналов S и сигнала обратной связи по частоте. В остальном действия схем преобразователей по первому и второму вариантам аналогичны друг другу.

Логарифмическая схема перемножения, используемая в преобразователе по второму варианту, работает следующим образом. Одноквадрантный перемножитель 6 (см. фиг.4) содержит логарифмирующие элементы 25-27, осуществляющие логарифмирование соответственно модульных компонент тока и напряжения I I I и I U I и выходного сигнала Ir источника 28 опорного сигнала. Их выходные сигналы суммируются сумматором 29, причем последний входит в сумму с противоположным знаком. Экспоненциальный элемент 30 формирует на своем выходе однополярный токовый сигнал, равный экспоненте суммарного сигнала и пропорциональный произведению модульных компонент входных сигналов тока и напряжения S I I I I U I /Ir. Для реализации экспоненциального и логарифмирующих элементов целесообразно использовать идентичные друг другу биполярные транзисторы в трансдиодном включении. Справочник по нелинейным схемам. /Под ред. Д.Шейнголда. М. Мир, 1977). В этом случае выходные сигналы логарифмирующих элементов носят потенциальный характер (как напряжение на эмиттерном переходе транзистора, включенного в обратную связь операционного усилителя) и могут суммироваться в схеме логарифмического перемножителя как с помощью специальной схемы суммирования, так и путем последовательного включения эмиттерных переходов. Потенциальный характер суммарного сигнала позволяет подключать к нему произвольное количество экспоненциальных элементов и получать соответствующее число токовых выходных сигналов, пропорциональных произведению входных переменных. Такой суммарный сигнал используется в качестве выходного на первом выходе логарифмического перемножителя 6.

Возможной модификацией выполнения второго варианта преобразователя может быть применение управляемого экспоненциального элемента и в схеме логарифмического перемножителя 6. Управление его состоянием в этом случае может производиться, как и в канале преобразования мощности в частоту, противофазно с идентичным ему по параметрам экспоненциальным элементом 24 от выходного сигнала второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 через дополнительно введенную схему НЕ. В этом случае коэффициент передачи последовательно включенных экспоненциального элемента 24 и инвертора 10 в открытом состоянии устанавливается равным 1, чем обеспечивается четырехквадрантность перемножения по каналу аналогового выходного сигнала.

Экспоненциальный элемент, применяемый в управляемом инверторе первого варианта преобразователя и втором варианте, работает следующим образом (см. фиг. 5). Собственно нелинейное преобразование осуществляет первый биполярный экспоненциальный транзистор 35, у которого в качестве функциональной используется экспоненциальная зависимость тока коллектора от напряжения на эмиттерном переходе. Соответственно эмиттер экспоненциального транзистора 35 служит входом 40, а коллектор выходом 41 экспоненциального элемента. Управление состоянием экспоненциального элемента осуществляется с помощью второго биполярного транзистора 36 того же типа проводимости. При низком уровне напряжения на управляющем входе относительно шины нулевого потенциала (до 0,3 В для кремниевых транзисторов) коллекторный ток транзистора 36 пренебрежимо мал и не создает заметного напряжения на базе экспоненциального транзистора 35 и поэтому не оказывает влияния на его передаточную характеристику, что соответствует открытому состоянию экспоненциального элемента. Величина первого резистора 37 выбирается сравнимой с величиной объемного сопротивления базы транзистора, т.е. не более 200 Ом. Величина второго резистора 38 выбирается такой, чтобы при высоком уровне сигнала на управляющем входе возникало падение напряжения на первом резисторе от коллекторного тока второго транзистора 36 величиной 200-250 мВ, прекращающее ток коллектора первого транзистора 35. При малой величине напряжения на выходном зажиме экспоненциального элемента относительно шины нулевого потенциала (потенциальное заземление) сигнал на выходе 41 в виде тока коллектора транзистора 35 практически не содержит аддитивных ошибок преобразования.

Аналогичным свойством обладает и предлагаемая в соответствии с фиг.6 реализация инвертора. За счет большого коэффициента усиления усилителя 45 ток коллектора транзистора 43 в цепи его обратной связи поддерживается равным входному току инвертора. Идентичность параметров и режима работы транзисторов 43 и 44 обеспечивает пропорциональность их коллекторных токов в широком диапазоне и противоположную направленность входного и выходного токов инвертора. Токовый характер входного и выходного сигналов обеспечивает отсутствие в выходном сигнале аддитивной ошибки потенциального характера, например от напряжения смещения операционного усилителя 45.

Формула изобретения

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОЩНОСТИ В ЧАСТОТУ, содержащий входные преобразователи тока и напряжения, входы которых соединены с соответствующими входными шинами, а выходы - с входами первого и второго формирователей модуля, перемножитель, первый и второй входы которого подключены соответственно к первым выходам первого и второго формирователей модуля, а его выход соединен с первым входом первого управляемого инвертора, выход которого подключен к входу интегратора, первый и второй компараторы, выходы которых соединены с входами первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, отличающийся тем, что в него введены фильтр низких частот, второй управляемый инвертор, второй и третий логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а первый компаратор выполнен гистерезисным и его выход является частотным выходом устройства, при этом вторые выходы первого и второго формирователей модуля соединены соответственно с первым и вторым входами второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к первому входу третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к второму входу второго управляемого инвертора, первый вход которого подключен к выходу перемножителя, а выход соединен с входом фильтра низких частот, выход которого является аналоговым выходом устройства и соединен с входом второго компаратора, выход которого образует знаковый выход устройства, при этом выход третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом первого управляемого инвертора, выход интегратора соединен с входом первого компаратора, причем выход первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым входом третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что управляемый инвертор выполнен в виде логарифмирующего элемента, двух экспоненциальных элементов, инвертора и схемы НЕ, при этом входом управляемого инвертора является вход логарифмирующего элемента, а его выход соединен с первыми входами экспоненциальных элементов, выход первого экспоненциального элемента подключен к входу инвертора, выход которого объединен с выходом второго экспоненциального элемента и образует выход управляемого инвертора, вторые входы первого и второго экспоненциальных элементов подключены соответственно к выходу и входу схемы НЕ, причем последний является вторым входом управляемого инвертора.

3. Преобразователь мощности в частоту, содержащий входные преобразователи тока и напряжения, входы которых соединены с соответствующими входными шинами, а выходы - с входами первого и второго формирователей модуля, перемножитель, первый и второй входы которого подключены соответственно к первым выходам первого и второго формирователей модуля, первый инвертор, интегратор, первый и второй компараторы, выходы которых соединены с входами первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, отличающийся тем, что в него введены фильтр низких частот, второй инвертор, второй и третий логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый, второй и третий экспоненциальные элементы, схема НЕ, а первый компаратор выполнен гистерезисным и его выход является частотным выходом устройства, при этом вторые выходы первого и второго формирователей модуля соединены соответственно с входами второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к первому входу третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и к первому входу третьего экспоненциального элемента, второй вход которого подключен к первому выходу перемножителя и вторым входам первого и второго экспоненциальных элементов, выход первого экспоненциального элемента через первый инвертор соединен с входом интегратора и выходом второго экспоненциального элемента, выход третьего экспоненциального элемента через второй инвертор соединен с вторым выходом перемножителя и входом фильтра низких частот, выход которого подключен к входу второго компаратора и является аналоговым выходом преобразователя, выход второго компаратора образует знаковый выход преобразователя, выход интегратора соединен с входом первого компаратора, выход первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к второму входу третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого экспоненциального элемента и через схему НЕ с первым входом второго экспоненциального элемента.

4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что перемножитель выполнен в виде трех логарифмирующих элементов, сумматора, экспоненциального элемента и источника опорного сигнала, при этом вход первого логарифмирующего элемента является первым входом перемножителя, а его выход соединен с первым входом сумматора, вход второго логарифмирующего элемента подключен к выходу источника опорного сигнала, а его выход соединен с вторым входом сумматора, вход третьего логарифмирующего элемента является вторым входом перемножителя, а его выход соединен с третьим входом сумматора, выход которого является первым выходом перемножителя и объединены с входом экспоненциального элемента, выход которого служит вторым выходом перемножителя.

5. Преобразователь по п.2 или 4, отличающийся тем, что экспоненциальный элемент содержит два транзистора и два резистора, при этом эмиттер первого транзистора служит входом, а коллектор - выходом экспоненциального элемента, коллектор второго транзистора соединен с базой первого транзистора и первым выводом первого резистора, первый вывод второго резистора подключен к эмиттеру второго транзистора, база которого соединена с шиной нулевого потенциала и вторым выводом первого резистора, второй вывод второго резистора служит вторым входом экспоненциального элемента.

6. Преобразователь по п.2 или 3, отличающийся тем, что инвертор содержит два транзистора, усилитель и резистор, при этом коллектор первого транзистора соединен с входом усилителя и является входом инвертора, выход усилителя соединен через резистор с эмиттерами транзисторов, а базы транзисторов подключены к шине нулевого потенциала, коллектор второго транзистора является выходом инвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

PD4A - Изменение наименования обладателя патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 15-2002

(73) Новое наименование патентообладателя:Самокиш Вячеслав Васильевич (RU)

Извещение опубликовано: 27.05.2002