Преобразователь действуюшего значения напряжения в код

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОйИСДНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1 @859938 (И ) Дополнительное к авт. свнд-ву— (22)Заявлено 18,07.79 (2! ) 2799146/18-21 с присоединением заявки М (23) Приоритет—

Опубликовано 30.08. 81 ° Бюллетень М 32

Дата опубликования описания 30.08 .8 (5))М. Кл.

G 01 В 19/25

Косударстеенный комитет ао делам изобретений н открытий (53) УДКб81.325 (088. 8}

В ° A. Иокрицкий, Л. В. Иороз, В. Б. Дудыкевич, и l Г. Галамай

1 f (72) Авторы изобретения

= (7l) Заявитель (54} .ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ

НАПРЯЖЕНИЯ В КОД

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть ис— польэовано 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, по1S строенного на двухвходовых элементах

И и многовходовом элементе ИЛИ (1 ).

Недостатком указанного преобразователя действующего значения напряжения

20 в код является зависимость результата преобразования от длительности Т такт та 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 метро- логических характеристик преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь действующего значения напряжения в код, содержафий реверсивный счетчик, счетчик ре- .

859938 зультата, первый комбинационный элемент И-ИЛИ, 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, первый выход которого подключен к управляющему входу электронного переключателя, соединенного своиМ выходом со входом квадратичного преобразователя напряжения в частоту, введены четыре элемента И, три элемента ИЛИ, два триггера, удвоитель частоты, два комбинациt0 онных элемента И-ИЛИ и блок вычитания частот, управляющий вход которого со!

5 единен 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

И-ИЛИ, 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 счетчи— ка результата, выходы старших и младших разрядов которого соединены соответственно с управляющими и сигналь— ными входами первого комбинационного элемента И-ИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента

И, второй вход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ и вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен ко второму входу второго элемента ИЛИ, при этом первь:е входы второго и тре25

35

40 тьего элементов И подключены к выходу квадратичного преобразователя напряжения в частоту, а их вторые входы соответственно соединены с первым выходом блока управления, с шиной сброса реверсивного счетчика и выходом второго элемента ИЛИ, с шинами сброса триггеров и счетчика результата, причем выходы первого и второго элеменсивнаго счетчика, вход вычитания которого подключен к выходу блока вычитания частот, выход последнего разряда которого подключен ко второму входу блока управления, при этом вход счетчика результата соединен с BblxopoM

55 тов И соединены соответственно со вхо- 50 дами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом сложения ревертретьего 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 управ— ления, электронный переключатель 2, квадратичный преобразователь 3 напряжения в частоту, элемент ИЛИ 4, элементы И 5-7, элементы ИЛИ 8 и 9, реверсивный счетчик !О, счетчик 11 результата, комбинационные элементы

И-ИЛИ 12-14, блок 15 вычитания частот, триггеры 16 и l 7,,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

l1 результата хранигся результат предыдущего преобразования, триггеры 16 и !7 сброшены в "0" (на верхних выходах присутствуют нулевые потенциалы), в результате чего блок 15 вычитания частот заперт, все три выхода блока 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 часто— ту с помощью электронного переключателя 2 подключается преобразуемое на5 85993 пряжение U y. 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

l0 поступает частота .

Ф = — Ю, = ku --1<О,, (1) где f, — мгновенное значение вы1 ходной частоты квадратичного преобразователя напряжения в частоту, соответствующее мгновенному значению преобразуемого напряжения 0„;

= kU — выходная частота квадратио чного преобразователя соответствующая U = 0; постоянный коэффициент;

U — опорное напряжение квадрао тичного преобразователя, Первый такт преобразования длится

n + 1 периодов преобразуемого напряжения U1,, где n = О, 2, 3... — целое число периодов, истекшее за время от начала первого такта до момента первого переполнения предпоследнего разряда реверсивного счетчика 10. B момент первого переполнения предпослед- 50 него разряда реверсивного счетчика 10 с прямого выхода его последнего разряда на верхний вход блока l управления подается положительный потенциал, разрешающий окончание первого такта. Це- 35 лое число периодов входного сигнала, поступающего на нижний вход блока 1 управления, выделяется с помощью селектора (не показан) периода, который входит в состав блока 1 управле- gp ния, С окончанием п + 1-ro периода первый такт преобразования заканчивается и начинается второй такт преобразования, За время Т первого такта в ревер- д5

Т сивном счетчике 10 будет записано число Т 1т T

J<,«=-f u ж- ко ж, щ О о О о х (. о т " щ т (1) 50 „т, где 0 =ô,1 LJ с1 — действующее эна 9 то чение преооразуемого напряжения ;О .

Из изложенного выше очевидно нераПродолжительность второго такта преобразования задается блоком 1 управления равной продолжительности первого такта. преобразования и согласно (1) равна

<о

М

3 р (3) где хср — среднее значение частоты квадратичного преобразователя напряжения в частоту.

С учетом неравенства (2) выражение (3) преобразуется к виду

N N..

Ь (T с Ь

2 хср 1,. ХСр (4) 8 6

При этом равенство N = и может о иметь место только на нижних частотах рабочего диапазона (n = О, N = 1).

Второй такт характеризуется наличием потенциала "1" 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 земляной 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 состояния 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 11 результата поступают импульсы с частотой 2f . В момент второго переполнения счетчика 11, что возможно в процессе преобразования, триггер 17 изменяет свое состояние, в результате чего счетчик 11 продолжает заполняться частотой f поступающей с выхода квадратичного преобразователя

3 через элементы И 6, 20 и ИЛИ 21.

55 венство (2) счетчиN

I

2 10 где Ȅ— емкость реверсивного ка 10.

На практике минимально возможное

1 ср = > /2 и соответствует случаю преобразования максимально допустимого напряжения 0х.

7 859938 . 8

При преобразовании напряжения, рав- тания реверсивного счетчика 10 постуного нулю (U = О), выходная частота пает частота квадратичного преобразователя составляет хсР о (8)

Подставляя эти два крайние значения f zz в (4), легко убедиться, что где Гл2, ГЛ вЂ” частоты следования имвозможный диапазон изменения продол- пульсов на выходах комбинационных эл жительностей каждого из первых двух ментов И-ИЛИ 12 и 13 соответственно. тактов преобразования, определяется На вход сложения реверсивного счет неравенством чика 10 во втором такте импульсы не

Улв = f42 Глэ

N 2)

2го г о (5) тт

1) = J Г с), лл о (6) 20

В свою очередь счетчики 10 и !I и комбинационный элемент И-ИЛИ 13 представляют собой двоичный умножитель, средняя частота f<> следования импульсов на выходе которого определяется частотой fqg, поступающей на вычитающий вход реверсивного счетчика 10, CI и числом И„Л {t), находящимся в счетчике l) й„ (t) = Ъ вЂ”, ()О)

После подстановкй (9) и ()О) в (8) получаем

ЯЮ в „ „ ц

N лб Я

Ы М

Откуда

),! II

Й )

21 М N" (<) и) и ()2) Число, записанное в реверсивном счетчике 10, изменяется в течение второго такта преобразования в соответствии с уравнением

) )лл =- )лл a = З" и

В момент первого переполнения счетчика 11 триггер 16 устанавливается в состояние "I" открывая тем самым че" рез этот элемент ИЛИ 9 блок 15 вычитания .частот. Триггер 17 остается в прежнем положении.

После первого переполнения счетчика 11 с выхода блока 15 на вход вычия 4

Х „,dt ()3) ил где t — время;

t>< — момент первого переполнения счетчика )1.!

Число импульсов, которые проходят во время второго такта на вход счетчика ll результата составляет где f2 — частота на выходе элемента

2л

H)IH.2), равная 2fо до момента tKg второго переполнения счетчика 11 и равная 1 с момента 1„ второго перепол- 25 ,нения счетчика )1 °

Поскольку емкость счетчика 11 выбрана равной емкости N „„счетчика !03 то за время Т„ второго такта преобразования произойдет> как минимум, одно 30 переполнение счетчика )1, в чем легко убедиться, подставив значение Т вЂ” неравенства (5) в выражение (б)

2 а

) ) „„. = 21 и =21 Т 2, =Н),и,(7))

О 0 о

Максимальное значение N „имеет место при максимальном значении Т вЂ” — Так как два переполнения „

Т счетчика ) осуществляются за время

2и)в мп

t 2 = — )в —. — Р- то в оставшееся вре2 о о ц„„ц „

Т ма ит Хо Хо заполне ние счетчика ) 1 происходит с частотой fo. За промежуток времечки

Т „— 1 и, на вход счет ика ) 1 проХо

= )),импульсов, Таким образом, макси-. мальное значение епоступают, так как элементы И 5 и 7 заперты нулевыми потенциалами, присутствующими на верхнем и среднем,выходах блока 1 управления.

Сч ет чи ки 1 0 и 1 1 и комбинационный элемент И-HJIH 12 представляют собой двоичный умножнтель, средняя частота следования импульсов на выходе которого определяется частотой f<<, поступающей на вход счетчика )1 и

fl управляющим числом Мло (t) записанным в реверсивном счетчике 10

N„(t)

= 52л (9)

Фи

859938

Конечные выражения.в уравнениях

1 (17) и (21) идентичны, поэтому и решение их одинаковое. После дифференцирования указанных уравнений получа5

NN(o (t) с о ft) дс с или, разделив переменные (( д)Ссо (T) (23) с)„", (с)

Решение дифференциального уравнения (23) имеет вид и о т) 2иО т

112

2 Я. (26) - N - J — 3t

"(о®

<о

1И1 (21) С учетом (12)

t) = (1"1О() са III g г )(,сс (с) (() м М

На временном интервале 0 6 t б второго такта преобразования блок 15 вычитания частот заперт, т. е.

0. Поэтому согласно (14) на этом

Ц ( интервале N1o (t) = Neo °

На временном интервале частота fyq на входе счетчика 11 равна 2fo . При этом согласно (14) число, записанное в реверсивном счетчике

10, определяется

Nt (t)

N +Н (t)

1 1„ОИ)=11 -) zg

И1 (1 11 ((Значение 1)1„((й) на указанном интервале времени определяется выражением 20

2fot — N. u (16)

Подставив (16) и (15), получим

II 1О 10 О 1 1„1+ $ Q-N 25

Ьи4 О Ю

4 8„c)® (») И1

На временном интервале t«

При этом согласно (14) и с учетом (17) число, записанное в реверсивном счет-) чике 10, определяется (()()

<О 10 „2-1 ltl + М (, (9) и1 (с

Значение Й„„ (t) на указанном ин- 40 тервале определяется выражением

М+ф)=2 о и2+ о ® )и .)-2й (19)

2 1с1щ 8 Л5

K&K И 2 = у =, то вырао о жение (19) преобразуется к виду йи (t) = fot — й„„ (20)

После подстановки (20) в (18) получим 50 "2 11О () И1О 44)

1 г „ =

1 с с(ою 1 )с а(с) 1. Ь1

55 где Neo (tnq ) — число, записанное в реВерсивном счетчике 10 к моменту г „ первого переполнения счетчика 11.

Принимая во внимание, что N<0(tH<) =i

t Mt

= Й„0, а t>< = - для момента времео ни Тт, соответствующего окончанию второго такта преобразования, получим

N(T)=N (25)

" г(,-т или с учетом (2) и (1) .2 .2.

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 ll. 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 заперт нулевыми потенциалами, снимаемыми с верхних выходов триггеров 16 и 17, В третьем такте преобразования запертым остается также элемент И 5.

На вход счетчика 11 результата в третьем -акте поступают импульсы с частотой 2fo с выхода удвоителя 18 (32) ч

И„„(т) -„.И о (33) ll 8599 частоты. Счетчик !1 и комбинационный элемент И-ИЛИ 14 представляет собой двоичный умножитель, средняя..частота следования импульсов на выходе которого определяется входной частоссс той 2Го счетчика 11 и числом N<< (t), находящимся в этом счетчике

38 12 й„„(Т ) = 2 Т

I или с учетом (31) - тт

14 0 N (27) 1О

2fo(t) а

21о 1 0

14oй0N

Импульсы частоты f 4 с выхода комбинационного элемента И-ИЛИ 14 через элементы И 7 и ИЛИ 8 поступают на вход сложения реверсивного счетчика 1О до момента переполнения его предпоследнего разряда (появление "1" на прямом выходе последнего разряда) . В момент появления "!" на прямом выходе последнего разряда на верхний вход блока управления подается команда об окончании третьего такта преобразования, в результате чего на среднем выходе блока 1 управления, .как и на двух остальных его выходах, устанавливается нулевой потенциал. На этом

Ф преобразование заканчивается.

Из анализа 26 видно, что в третьем такте преобразования для переполнения предпоследнего разряда реверсивного счетчика 10 понадобилось

02 Nh импульсов, т. e ..

Оо 2

Т3 "х 9 ! м

И Ио

dt = (29) 45 где Т вЂ” продолжительность такта преобразования.

Подставляя (28) в (29), Т3 2. l

I l o < x< an н „u третьего получим (30) Откуда

"х N 1„

11 о 2 о (31) 55

К моменту времени Т в счетчике 1! результата окажется записанным число

Так как в счетчике 11 к моменту времени и формируется число NÄ " (t)

2f t, то выражение (27) можно предо 15 ст ав ит ь в виде

И(Результат преобразования й„, (Т ) хранится в счетчике 11 результата до начала второго такта следующего преобразования.

Из выражения (33) видно, что в предлагаемом преобразователе действующего значения напряжения в код в отличие от известного, результат преобразования не зависит от длительности Тт так— та 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-ИЛИ, 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, первый выход которого подключен к управляющему входу электронного переключателя, сбединенного 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 управляюшие входы первого из которых подключены к разрядным выходам соответственно счетчика результата и реверсивного счетчика, а аналоговые. входы второго из них — к разрядным выходам соответственно ре13 8599 версивного счетчика и счетчика результата, выходы старших и младших разрядов которого соединены соответственно с управляющими и сигнальными входами первого комбинационного элемента ИИЛИ, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ и вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен ка второму входу второго элемента ИЛИ, при этом первые входы второго и третьего элементов И подключены к выходу квадратичного преобразователя напряжения в частоту, а их д вторые входы соответственно соединены с первым выходом блока управления, с шиной сброса реверсивного счетчика и выходом второго элемента ИЛИ, с шинами сброса триггеров и счетчика резуль-щ тата, причем выходы первого и второго элементов И соединены соответственно со входами первого элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом сложения реверсивного счетчика, вход вычи- 25 3 од

38 !4 тания которого подключен к выходу блока. вычитания частот, выход последнего разряда которого подключен ко второму входу блока управления, при этом вход счетчика результата соединен с выходом 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.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Мартяшин А. И. и др. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения, М., "Энергия", 1976, с. 181-184.