Устройство для преобразования напряжения переменного тока в код

 

Изобретение относится к технике электрических измерений. С целью повышения точности преобразования за счет снижения погрешности масштабирования сигналов и уменьшения аппаратурных затрат, в устройство введены преобразователь напряжение-ток 1 (ПНТ 1), преобразователь ток-напряжение 3 (ПТН 3), блок задания коэффициента усиления 5, демультиплексор 10, причем ПНТ 1 включен на входе устройства, вход ПТН 3 соединен с выходом коммутатора 2, а выход - с входом выпрямителя 4 и первым входом блока 5, второй вход послед- v него соединен с выходом выпрямителя 4, , одноименные входы всех сумматоров 11 соединены между собой, входы сумматоров 11 являются информационными входами блока 5, а выходы подключены к входам коммутатора 12, выход которого является выходом блока 5 и соединен с входом интегратора 6; управляющие входы коммутатора 12 являются входами блока 5 и подключены к выходам демультиплексора 10, вход которого соединен с выходом блока управления 8, а адресный вход-с выходом регистра 9.1 з.п. ф-лы, 3 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4884447/24 (22) 20,11.90 (46) 15.02.93. Бюл. ¹ 6 (71) Ульяновское конструкторское бюро приборостроения (72) В.Н.Ковалев (56) Титце У. и др. Полупроводниковая схемотвхника. М.: Мир, 1982, с. 471, рис. 25. 10.

Авторское свидетельство СССР ¹

1542240, кл. G 01 Я 19/12, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В КОД (57) Изобретение относится к технике электрических измерений. С целью повышения точности преобразования за счет снижения погрешности масштабирования сигналов и уменьшения аппаратурных затрат, в устрой. ство введены преобразователь напряже1

„„ Ж„„1795543 А1 (51)5 Н 03 М 1/12, G 01 R 19/22 ние-ток 1 (ПНТ 1), преобразователь ток-напряжение 3 (ПТН 3), блок задания коэффициента усиления 5, демультиплексор 10, причем ПНТ 1 включен на входе устройства, вход ПТН 3 соединен с выходом коммутатора 2, а выход — с входом выпрямителя 4 и первым входом блока 5, второй вход последнего соединен с выходом выпрямителя 4,, одноименные входы всех сумматоров 11 соединены между собой, входы сумматоров 11 являются информационными входами блока

5, а выходы подключены к входам коммутатора 12, выход которого является выходом блока 5 и соединен с входом интегратора 6; управляющие входы коммутатора 12 являются входами блока 5 и подключены к выходам демультиплексора 10, вход которого соединен с выходом блока управления 8, а адресный вход — с выходом регистра 9. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1795543

35

Изобретение относится к технике электрических измерений и может найти применение о системах сбора данных для преобразования напряжения переменного тока в цифровой код.

Повышение точности выполнения аналого-цифровых операций является ва>кнейшим условием. повышения качества систем сбора данных, Качество мобильных (бортовых) сиСтем сбора данных определяется также их габаритно-весовым и энергетическими характеристиками. В связи с этим разработка устройства для преобразования напряжения переменного тока в код должна быть нацелена на достижение оптимального сочетания высокой точности и малых аппаратурных затрат на его реализацию.

Известно устройство, предназначенное для определения среднего значения переменного напряжения для последующего представления в цифровой форме, содержащее операционный усилитель ОУ, два резистора, два диода, активный сумматор, причем иноертирующий вход ОУ через первый резистор соединен с входам устройства, а неинвертирующий вход подключен к общей шине; первый и второй диоды подключены одноименными первыми электродами к выходу и инвертирующему входу ОУ соответственно, а одноименными вторыми электродами подключены к инвертирующему входу ОУ через второй резистор и к выходу ОУ соответственно; первый вход активного сумматора подключен к входу устройства, второй вход — к второму электроду первого диода, а выход соединен с выходом устройства. Для указанной выше полярности включения диодов при входном напряжении Uex > О выходное напря>кение ОУ

U1 < О, выходное напряжение первого диода U2 < О, а второй диод закрыт. При этом на первый вход активного сумматора поступает положительная полувална входного напря>кения, а на второй вход — инвертированная положительная палуоална. Так как коэффициент передачи па второму входу сумматора в 2 раза больше коэффициента передачи по первому входу, а коэффициенты передачи по обоим входам сумматора отрицательны, то на выходе устройства US X > О. При входном напряжении

0вх <Î открывается второй диод и выходное напряжение ОУ U» О. Так как первый диод закрыт, второй вход активного сумматора через второй резистор подключен к инвер:тирующему входу ОУ. На первый вход активного сумматора поступает отрицательная полуволна входного напряжения и на выходе устройства 0вых > О.

Это устройство имеет недостаточную точность преобразования при понижении уровня входного напряжения переменного тока, обусловленную относительным увеличением шумов квантования аналого-цифрового преобразования.

Известно устройство, предназначенное для преобразования напряжения переменного тока в код, содержащее блок коммутации, состоящий из коммутатора, усилителя, регистра, транслятора кода, аднополупериодный оыпрямитель, состоящий из ОУ, двух резисторов и двух диодов, суммирующий интегратор, состоящий из резистивнаго сумматора, трех ключей. ОУ, конденсатора, блок импульсной стабилизации, АЦП, блок управления, Входы коммутатора являются входами устройства и служат для подключения к датчикам сигналов переменного тока, выход коммутатора подключен к входу усилителя, а управляющий вход коммутатора и усилителя подключены к соответствующим выходам регистра, причем вход коммутатора подключен через транслятор кода. Информационные входы регистра являются входами устройства и служат для подключения к стандартной информационной шине, Выход усилителя подключен к входу однополупериадного выпрямителя и входу суммирующего интегратора, а выход выпрямителя соединен с вторым входом суммирующего интегратора. Блок импульсной стабилизации подключен к однополупериаднаму выпрямителю и предназначен для линеаризации передаточной характеристики выпрямителя, привязки начального уровня преобразования к постоянной составляющей выходной сигнала усилителя и выравнивания коэффициентов передачи суммирующего интегратора для положительной и отрицательной палуволны входного сигнала. Выход суммирующего интегратора подключен к входу АЦП, выход которого является выходом устройства, Вход блока управления является входом устройства и служит для приема сигнала синхронизации. Выходы блока управления соединены с входом блока коммутации, с управляющими входами блока импульсной стабилизации, с управляющими входами ключей суммирующего интегратора, с входам запуска АЦП. Аналоговые сигналы поступают на входы коммутатора, который в соответствии с кодам адреса и номера канала, записанным в регистре, подключает выход соответствующего датчика к входу усилителя, Коэффициент усиления последнего устанавливается о соответствии с кодам коэффициентамусиления, записанным в регистр. После масштабирования сигналы

1795543

10

30 ющему входу АЦП

АЧХ ОУ и интегратора

45

55 поступают на вход выпрямителя и вход суммирующего интегратора, Цикл преобразования начинается с установки интегратора в исходное состояние, т,е. с разряда конденсатора интегратора до "нуля". Для этого блок управления вырабатывает строб сброса, который поступает на вход управления первого ключа интегратора. Одновременно с этим иэ блока управления на управляющйй вход транслятора кода поступает строб установки "нуля". При этом на выходе транслятора кода устанавливается код, соответствующий номеру первого канала. подключенного к общей шине устройства, По переднему фронту этого способа в регистр осуществляется запись кода управления. Во время действия строба установки

"нуля" транслятор кода заперт, код адреса и номера канала, записанный в регистр, на управляющий вход коммутатора не поступает. Через заданный промежуток времени блок управления вырабатывает сигнал выборки, который поступает на управляющий вход блока импульсной стабилизации, и переводит последний в режим запоминания уровня начальной составляющей усилителя и выпрямителя. По окончании сигнала выборки блок импульсной стабилизации переходит в режим стабилизации, Одновременно с этим заканчивается строб установки "нуля" и на управляющий вход коммутатора через транслятор кода поступает код адреса и номера канала, хранящийся в регистре. С выхода усилителя сигнал поступает на входы выпрямителя и интегратора. Последний по сигналу с блока управления производит интегрирование этого сигнала в течение времени равного или кратного периоду повторения сигнала переменного тока. Синхронизация работы интегратора частотой входного сигнала осуществляется с помощью блока управления, С помощью АЦП накопленный сигнал преобразуется в цифровой код в течение времени хранения интегратора.

Описанное устройство имеет недостаточную точность преобразования напряжения переменного тока иэ-эа погрешности масштабирования, обусловленной относительно низким коэффициентом усиления в петле отрицательной обратной связи ОУ буферного усилителя на переменном токе, избыточные аппаратурные затраты, Цель изобретения — повышение точности преобразования за счет снижения погрешности масштабирования сигналов и уменьшение ап паратурн ых затрат.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемое устройство введен преобразователь напряжение-ток (ПНТ), блок задания коэффициента усиления, демультиплексор. преобразователь ток-напряжение (ПТН), причем сигнальные входы коммутатора через резисторы ПТН соединены с сигнальными входами устройства. Выход коммутатора подключен к входу введенного

ПТН, выход которого соединен с входом выпрямителя и с первым информационным входом блока задания коэффициента усиления. Выход выпрямителя подключен к второму информационному входу блока задания коэффициента усиления, выход которого соединен с информационным входом интегратора, выход которого подключен к входу АЦП, выход которого является выходом устройства. Управляющие входы введенного блока задания коэффициента усиления подключены к выходам введенного демультиплексора. адресный вход которого соединен с дополнительным BbIxoдом регистра, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора. Вход регистра является входом устройства, вход блока управления является входом синхронизации устройства. Первый выход блока управления подключен к входу демультиплексора, второй выход к входу записи регистра, третий выход -к управляющему входу интегратора, четвертый выход — к управляНа фиг.1 представлена структурная схема устройства для преобразования напряжения переменного тока в код; на фиг.2— временные диаграммы работы; на фиг.3—

Как показано на фиг.1, сигнальные входы преобразователя напряжение-ток 1(ПНТ

1) являются входами устройства и служат для подключения к датчикам сигналов "m" резисторов ПНТ 1 выполняют функцию преобразования входного напряжения в ток, масштабирования и защиты входов коммутатора 2 по току. Коммутатор 2 выполнен по известной схеме токовой коммутации и предназначен для осуществления опроса датчиков, подключенных к сигнальным входам устройства. Преобразователь ток-напряжение 3 (ПТН 3) выполнен на ОУ с весовым резистором в цепи отрицательной обратной связи (на фиг,1 не показаны), и предназначен для осуществления преобразования тока с выхода коммутатора 2 в напряжение с заданным коэффициентом передачи. Выпрямитель 4 состоит из двух резисторов, двух диодов, ОУ (на фиг.1 не показаны) и предназначен для выделения положительных полупериодов входного напряжения. Блок задания коэффициента усиления 5 состоит из "п" сумматоров 11, коммутатора 12 и предназначен для масш1795543 табирования сигналов с выхода ПТН 3 и выпрямителя 4, Сумматоры 11 представляют собой цепь весовых резисторов, задающих ряд значений коэффициентов усиления интегратора 6. Коммутатор 12 обеспечивает выбор необходимого коэффициента усиления последнего. Интегратор 6 выполнен на

ОУ, с конденсатором и ключом в цепи отрицательной обратной связи (на фиг.1 не показаны). ОУ является активным элементом интегратора 6 и обеспечивает заряд конденсатора в режиме накопления сигналов, а ключ — разряд последнего в режиме сброса.

АЦП 7 предназначен для преобразования накопленного интегратором 6 сигнала в цифровой код. Блок управления 8 служит для формирования сигналов управления согласно диаграммы работы устройства. Он вырабатывает сигналы управления для ин. тегратора 6, АЦП 7, регистра 9, демультиплексора 10. Блок 8 состоит из кварцевого генератора с делителем частоты, формирователь стробов накопления и сброса, формирователя импульсов записи, формирователя импульса запуска АЦП 7.

Выходы указанных формирователей являются выходами блока 8, а вход"fc" предназначен для приема синхросигнала от сети питания, от которой запитаны датчики сигналов, или непосредственно от датчика сигнала, Регистр 9 предназначен для хранения кодов управления, Коды управления поступают из внешнего устройства, Роль внешнего устройства заключается в обеспечении автоматического переключения каналов коммутатора 2 и установки коэффициента усиления интегратора 6 с помощью блока 5, Если в системе сбора данных используется принцип последовательного опроса каналов, то в качестве внешнего устройства можно использовать счетчик; Выход последнего подключается к входу регистра 9, а вход — к выходу блока 8. Если в системе сбора данных используется принцип программного опроса, то в качестве внешнего устройства может быть использовано запоминающее устройство. Выход последнего подключается к входу регистра 9, а вход к нише процессора. Код управления состоит из двух частей. Первая часть представляет собой код адреса и номера канала коммутатора 2, вторая — код коэффициента усиления интегратора 6, Демультиплексор 10 предназначен для управления коммутатором 12 блока

5. Предлагаемое устройство для преобразования напряжения переменного тока в код может быть реализовано на микросхемах

590, 140, 564, 572 серий, . Устройство работает следующим образом, 5

Аналоговые сигналы через ПХТ 1 поступают на входы коммутатора 2. Последний, в соответствии с кодом адреса и номера канала, записанным в регистр 9, подключает выход соответствующего датчика через резистор ПНТ 1 к входу ПТН 3, коэффициент передачи которого выбирается таким, чтобы обеспечить совместно с блоком 5 и интегратором 6 необходимые диапазоны измерения аналоговых сигналов. С выхода ПТН 3 сигналы поступают на вход выпрямителя 4 и на вхо блока 5. С помощью последнего коэффициент усиления интегратора 6 устанавливается,в соответствии с кодом коэффициента усиления; записанным в регистр

9. После масштабирования сигналы поступают на вход АЦП 7. Цикл преобразования устройства начинается с установки интегратора 6 в исходное состояние, т.е. с разряда конденсатора интегратора 6 до "нуля". Для этого блок управления 8 вырабатывает строб сброса (фиг.2, диаграмма 3), который поступает на вход управления ключа интегратора 6, Одновременно с этим из блока 8 на вход записи регистра 9 поступает импульс записи, по которому осуществляется запись кода управления (фиг.2, диаграмма

4), Код адреса и номера канала, записанный в регистр 9, поступает на управляющие входы коммутатора 2. Под воздействием указанного кода последний подключает соответствующий выход ПНТ 1 к входу ПТН

3. На выходе ПТН 3 устанавливается напряжение, пропорциональное входному сигналу, поступающему на вход включенного канала коммутатора 2, Это напряжение переменного тока поступает на вход выпрямителя 4 и первый вход блока 5. Если на первый вход блока 5 поступает положительная полуволна входного напряжения, то на второй вход будет поступать инвертированная положительная полуволна. Так как коэффициент передачи по второму входу блока 5 в раза больше коэффициента передачи по первому входу, а коэффициент передачи интегратора 6 отрицательный, то на его выходе UG > О. При отрицательной полуволне входного напряжения на выходе выпрямителя 4 04 = О, На первый вход блока 5 поступает отрицательная полуволна входного напряжения и на выходе интегратора 6

Ug>0.

Код коэффициента усиления, записанный в регистр 9, поступает на адресный вход демультиплексора 10. Под воздействием указанного кода последний подключает выход блока 8 к соответствующим управляющим входам коммутатора 12. При этом строб накопления (фиг.2, диаграмма 2), вырабатываемый блоком 8, с выходов демультиплек1795543

5

Т (3) 15 сора 10 поступает на управляющие входы коммутатора 12. Коммутатор 12, подключая соответствующие входы сумматоров 11 к инвертирующему входу ОУ интегратора 6, изменяет коэффициент усиления интегратора 6 в заданных пределах таким образом, чтобы обеспечить согласование по уровню между входными сигналами, поступающими с различных типов датчиков, и динамическим диапазоном АЦП 7. При поступлении строба накопления на управляющие входы коммутатора 12 интегратор 6 осуществляет накопление сигнала за время, равное или кратное целому числу периодов напряжения сети питания (фиг.2, диаграмма 1). В течение этого времени происходит заряд конденсатора интегратора 6 до определенной величины напряжения. После окончания строба накопления эта величина хранится интегратором 6 в течение времени преобразования АЦП 7 до конца цикла преобразования, т.е. до начала следующего строба сброса (фиг.2, диаграмма 5). АЦП 7 преобразует накопленный сигнал в цифровой код по сигналу запуска, поступающего с выхода блока 8. (Фиг.2, диаграмма 6), Очевидно, что наличие "и" сумматоров 11 позволяет получить в устройстве от "n" до "2 - 1" коэффициентов усиления в зависимости от структуры демультиплексора 10. Например, демультиплексор 10 с полной дешифрацией кода номера канала позволяет получить в данном устройстве "n" коэффициентов усиления интегратора 6, Возможен также вариант использования дешифратора 10 с неполной дешифрацией кода номера канала. В последнем случае количество возможных коэффициентов усиления интеграторов

6 будет равно промежуточному значению в пределах от "n" до "2 - 1". Как показано на фиг.,3, коэффициент усиления ОУ можно представить в виде

К= К где f — частота входного сигнала; ту — эквивалентная постоянная времени усилителя;

Ko — коэффициент усиления ОУ при f = О.

Коэффициент усиления интегратора 6 с учетом R<> > гк

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования напряжения переменного тока в код, содержащее коммутатор. выпрямитель, последовательно соединенные интегратор и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходной шиной устройТ . Ко

3 R С Ко +1 (2), где С вЂ” емкость конденсатора интегратора

6;

Т вЂ” время накопления сигнала;

R>(— сопротивление резистора сумматора 11; г, — сопротивление открытого канала коммутатора 12.

Погрешность интегратора 6, обусловленная конечной величиной коэффициента усиления ОУ

Аналогичная погрешность для усилителя переменного тока дд— (4), К Р+1 где К вЂ” коэффициент усиления ОУ íà fc (см. фиг,3);

/3 — коэффициент обратной связи.

Используя ОУ 14ОУД17А с Kp = 200000 имеем

25 д = -0.0008% при К =-3.

Для f = 400 Гц, К = 1000, К = +3 имеем дд = -0,3%, (где К вЂ” коэффициент усиления буферного усилителя в прототипе). С учетом других составляющих погрешности, суммарная погрешность предлагаемого устройства равна +0,3%. Погрешность преобразования прототипа при использовании аналогичных ОУ будет равна +0,44%.

Таким образом, положительный эффект заключается в повышении точности преобразования в1,,5 раза по сравнению с прототипом.

Как видно из приведенных выше описания и графических материалов, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет более высокую точность преобразования напряжения переменного тока в код за счет того. что масштабирующий интегратор имеет большее петлавое усиление по сравнению с буферным усилителем в прототипе. а реализация функции масштабирования в интеграторе снижает аппаратурные зат-„аты, так как позволяет исключить ОУ буферного усилителя. Дополнительным преимуществом устройства является более широкий частотный диапазон. ства, а тактирующий вход соединен с управляющим входом интегратора, регистр, информационные входы которого являются шиной задания кода управления, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности преобразования за счет снижения погрешности масштабирования сигналов и

1795543

12 уменьшения аппаратурных затрат, в устройство введены преобразователь напряжения-ток, преобразователь ток-напряжение, демультиплексор и блок задания коэффициента усиления, выход которого соединен с информационным входом интегратора, первый вход соединен с выходом выпрямителя, а второй вход обьединен с входом выпрямителя и подключен к выходу преобразователя ток-напряжение, вход которого соединен с выходом коммутатора, управляющие входы которого соединены с соответствующими выходами первой группы выходов регистра, а информационные входы — с соответствующими выходами преобразователя напряжение-ток, входы которого являются входной шиной, причем адресные входы демультиплексора соединены с соответствующими выходами второй группы выходов регистра, сигнальный вход — с третьим выходом блока управления, а выходы — с соответствующими управляющими входами блока задания коэффициента усиления, четвертый выход блока управления соединен с входом синхронизации регистра, а вход является шиной синхронизации устройства.

2.Устройство поп.1,отличающееся тем, что блок задания коэффициента усиленив выполнен xa n-сумматорах и коммутаторе, выход которого является выходом блока, уг равляющие входы являются управляющими входами блока, а информационные входц соединены с выходами соответствующими сумматоров, первые и вторые входы которых соответственно объединены и являютсв первым и вторым входами блока соответственно.

1795543

Составитель В.Ковалев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор И.Муска

Редактор В.Трубченко

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 435 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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