Двумерный статистический анализатор уровня и производной напряжения

 

Устройство относится к информационно-измерительной и вычислительной технике, предназначено для получения двумерной гисторграммы уровня и производной напряжения и может быть использовано в электроэнергетике для оценки изменчивости напряжения в промышленных электрических сетях, а также в других областях техники, например, для излучения и оценки поведения различных качающихся объектов: палубы судна, платформы танка во время движения и др. Цель изобретения - расширение класса решаемых задач за счет получения двумерной гистограммы уровня и производной напряжения. Анализатор содержит входной преобразователь 1 переменного напряжения в постоянное, аналого - цифровой преобразователь 2, компаратор 3, реверсивный счетчик 4, регистры 5, 6 и 17, элементы И - НЕ 7, 8, 15 и 18, генератор 9 тактовых импульсов, кварцевый генератор 10, одновибраторы 11, 13, 14 и 20, счетчик 12, ключ 16, блок 19 памяти. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике, предназначено для получения двумерной гистограммы уровня и производной напряжения и может быть использовано в электроэнергетике для оценки изменчивости напряжения в промышленных электрических сетях, а также в других областях техники, например, для изучения и оценки поведения различных качающихся объектов: палубы судна, платформы танка во время движения и др.

Известен анализатор гистограммы производной напряжения [1] содержащий блок выделения приращений напряжения, генератор прямоугольных импульсов, одновибратор, группу компараторов, группу элементов И, группу регистрирующих триггерных счетчиков импульсов.

Недостатком аналога являются узкие функциональные возможности он предназначен для получения одномерных гистограмм модуля или абсолютных значений производной напряжения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является статистический анализатор колебаний частоты и фазы напряжения [2] содержащий два кварцевых генератора прямоугольных импульсов, переключатель, распределитель импульсов, счетчики, триггеры, элементы И-НЕ, регистр, компаратор, элемент И, реверсивный счетчик, нуль-орган, одновибраторы, задатчик диапазонов измерения, блок памяти.

Недостатком прототипа являются узкие функциональные возможности он предназначен для получения функций распределения размахов колебаний частоты и фазы напряжения.

Цель изобретения расширение класса решаемых задач за счет получения двумерной гистограммы уровня и производной напряжения.

Указанная цель достигается тем, что в статистический анализатор колебаний частоты и фазы напряжения, содержащий первый регистр, счетчик, блок памяти, компаратор, генератор тактовых импульсов, три одновибратора, четыре элемента И-НЕ, кварцевый генератор и реверсивный счетчик, выход которого соединен с первым входом компаратора, выходы "Больше" и "Меньше" которого соединены с первыми входами первого и второго элементов И-НЕ, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, а также связаны с первым и вторым входами третьего элемента И-НЕ, выход которого соединен со счетным входом счетчика, дополнительно введены два регистра, аналого-цифровой преобразователь, ключ и преобразователь переменного напряжения в постоянное, вход которого является информационным входом анализатора, а выход через аналого-цифровой преобразователь соединен со вторым входом компаратора и с информационным входом реверсивного счетчика, вход записи которого через ключ подключен к шине нулевого потенциала, выход "Больше" компаратора соединен с информационным входом первого регистра, выход генератора тактовых импульсов подключен к вторым входам первого и второго элементов И-НЕ, третий вход третьего элемента И-НЕ подключен к выходу четвертого элемента И-НЕ, входы которого соединены с разрядным выходом счетчика, подключенным к информационному входу второго регистра, выход кварцевого генератора через первый одновибратор подключен ко входу записи первого регистра, входу обнуления счетчика и входу второго одновибратора, выход которого соединен с третьими входами первого и второго элементов И-НЕ и входом третьего одновибратора, инверсный выход которого подключен ко входу записи блока памяти, а прямой выход соединен со входом записи второго регистра и через четвертый одновибратор со входом записи третьего регистра, информационный вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, выходы регистров соединены с адресным входом блока памяти; блок памяти содержит регистр, узел памяти, счетчик, элемент НЕ, триггер, распределитель импульсов и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с тактовым входом распределителя импульсов, первый выход которого через элемент НЕ подключен к входу записи регистра, информационный вход которого является адресным входом блока, а выход соединен с адресным входом узла памяти, выход которого подключен к информационному входу счетчика, выход которого соединен с информационным входом узла памяти, второй четвертый выходы распределителя импульсов подключены соответственно ко входам записи узла памяти и счетчика и к тактовому входу счетчика, пятый выход распределителя импульсов подключен ко входу установки в "ноль" триггера, вход установки в "единицу" которого является входом записи блока.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения являются новая структура устройства, обеспечивающая реализацию нового более эффективного алгоритма обработки информации, и использование в схеме анализатора новых элементов (регистров, аналого-цифрового преобразователя, ключа, преобразователя переменного напряжения в постоянное), а также обновление связей между элементами анализатора. Эти существенные отличия обеспечивают достижение положительного эффекта, а именно расширение класса решаемых задач за счет получения двумерной гистограммы уровня и производной напряжения. Получение новой информации, в свою очередь, дает возможность реализовать новый метод моделирования реализации случайного процесса изменения напряжения с заданными динамическими свойствами.

На фиг.1 представлена структурная схема анализатора; на фиг.2 график изменения напряжения на выходе входного преобразователя; на фиг.3 схема блока памяти; на фиг.4 графики изменения напряжения на элементах блока памяти; на фиг.5 двумерная функция распределения уровня и производной напряжения; фиг.6 иллюстрирует метод моделирования реализаций напряжения.

Анализатор содержит входной преобразователь (ВП) 1 переменного напряжения в постоянное, вход которого является информационным входом анализатора, а выход через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2 соединен со вторым входом компаратора 3 и информационным входом реверсивного счетчика 4, выход которого соединен с информационным входом третьего регистра 5 и первым входом компаратора 3, выход "Больше" которого соединен с информационным входом первого регистра 6, выходы "Больше" и "Меньше" компаратора 3 соединены с первыми входами первого 7 и второго 8 элементов И-НЕ, объединенные вторые входы которых подключены к выходу генератора 9 тактовых импульсов (ГТИ), выход кварцевого генератора (КГ) 10 через первый одновибратор 11 соединен со входом записи первого регистра 6, входом обнуления счетчика 12 и с инверсным входом второго одновибратора 13, выход которого соединен с инверсным входом третьего одновибратора 14 и с третьими входами первого 7 и второго 8 элементов элементов И-НЕ, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами третьего элемента И-НЕ 15, а также с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика 4, вход записи которого через ключ 16 подключен к шине нулевого потенциала, выход третьего элемента И-НЕ 15 соединен со счетным входом счетчика 12, выход которого соединен с информационным входом второго регистра 17 и входами четвертого элемента И-НЕ 18, выход которого соединен с третьим входом третьего элемента И-НЕ 15, инверсный выход третьего одновибратора 14 соединен со входом записи блока 19 памяти (БП), а прямой выход связан со входом записи второго регистра 17 и через четвертый одновибратор 20 со входом записи третьего регистра 5, выходы регистров 5, 6 и 17 соединены с адресным входом БП 19.

Блок 19 памяти содержит регистр 21, информационный вход которого является адресным входом БП 19, а выход соединен с адресным входом узла 22 памяти (УП), выход которого соединен с информационным входом счетчика 23, выход которого соединен с информационным входом УП 22, ГТИ 24, выход которого соединен с тактовым входом распределителя 25 импульсов (РИ), первый выход которого через элемент НЕ 26 соединен со входом записи регистра 21, второй четвертый выходы РИ 25 соединены соответственно со входами записи УП 22 и счетчика 23 и с тактовым входом "счетчика 23, пятый выход РИ 25 соединен со входом установки в "ноль" триггера 27, вход установки в "единицу" которого является входом записи БП 19.

В рассматриваемом далее примере реализации анализатор выполнен 256-канальным. Число квантов ординаты напряжения 16, число квантов модуля производной напряжения 8, в БП 19 анализатора накапливаются данные как о положительной, так и об отрицательной производной напряжения.

Анализатор работает следующим образом.

В любой момент времени на выходе 10-разрядного АЦП 2 присутствует двоичный код, соответствующий аналоговому значению напряжения U₁ на выходе ВП 1. При запуске устройства нажатием на ключ 16 код АЦП 2 вписывается в реверсивный счетчик 4 (например, в момент времени t 0 на фиг.2). Одновременно с этим обнуляется содержимое блока 19 памяти анализатора.

В процессе работы устройства между выборками с помощью компаратора 3 текущий код АЦП 2 непрерывно сравнивается со значением кода ординаты напряжения, зафиксированным в момент последней выборки и хранящимся в реверсивном счетчике 4. В том случае, если код на первом входе компаратора 3 больше кода на его втором входе, то единичное напряжение появляется на выходе "Больше" компаратора, в противном случае на выходе "Меньше" (при этом напряжение на выходе "Больше" становится равным нулю); при равенстве кодов на входах компаратора 3 напряжения на его выходах равны нулю.

Таким образом, элементами 2-4 устройства реализуется функция Y₁ Sign[U(t) U(t t)] (1) где Y₁ двузначная функция, вычисляемая на выходе "Больше" компаратора 3; t длительность периода импульсов КГ 10.

Значение функции Y₁ позволяет закодировать знак производной исследуемого напряжения: (2) где минимальное, отличное от нуля значение производной, которое различает анализатор, U ширина младшего значащего разряда (МЗР) АЦП 2.

Учитывая, что значение мало, приближенно можно записать (3) В момент t₂ очередной выборки в счетчике 4 и регистре 5 хранится код А₁ 0001 (на фиг. 2 и в рассматриваемом примере обозначены лишь четыре младших разряда 10-разрядного кода, имеющегося как на выходе АЦП 2, так и хранящегося в счетчике 4), зафиксированный в нем в момент предыдущей выборки t₁, а на выходе АЦП 2 имеется код 0011. При этом Y₁ 1 на информационном входе регистра 6 сформирован единичный код, соответствующий знаку "+" производной исследуемого напряжения. Импульс выборки запускает одновибратор 11, который вписывает код знака производной "+" в регистр 6, а также обнуляет содержимое счетчика 12.

Заканчивающийся импульс одновибратора 11 задним фронтом запускает одновибратор 13, выходной импульс которого на некоторое время (примерно 100 мкс) стробирует входы элементов И-НЕ 7 и 8. Поскольку к первому входу элемента И-НЕ 7 приложено единичное напряжение с выхода "Больше" компаратора 3, то на суммирующий вход реверсивного счетчика 4 начинают поступать импульсы ГТИ 9 (частота которого может быть нестабильной и равняется примерно 10 МГц), увеличивая содержимое счетчика 4 до тех пор, пока оно не станет равным коду АЦП 2 в момент t₂ 0011. То же число импульсов, которое прошло на вход счетчика 4, поступает через элемент И-НЕ 15 и на вход счетчика 12, который является квантователем модуля производной напряжения. После прохождения всей серии импульсов на вход счетчика 12 его содержимое становится равным А₂ А₁ 0010. В результате на информационном входе регистра 17, с которым соединены три старших разряда выхода счетчика 12, оказывается сформированным код модуля производной напряжения (U') 001.

После окончания импульса одновибратора 13 запускается одновибратор 14, который вписывает в регистр 17 код 001, а также запускает блок 19 памяти, во внутренний регистр 21 которого при этом записывается код 00011001 информация, хранящаяся в канале памяти с этим адресом, увеличивается на единицу. Адрес канала соответствует значению ординаты напряжения в момент t₁ предыдущей выборки А₁ 0001, знаку средней производной напряжения на интервале t₁ t₂ между соседними выборками напряжения "+" 1 и модулю этой производной (U') (A₂ A₁) 001.

Заканчивающийся импульс одновибратора 14 запускает одновибратор 20, который вписывает в регистр 5 значение ординаты напряжения А₂ 0011, используемое в следующем цикле работы устройства.

При следующей выборке в момент времени t₃ код адреса канала памяти БП 19 00111010 формируется по значениям кода ординаты А₂ 0011, знака производной "+" 1 и модуля производной (U') (A₃ A₂) 010 и т.д.

Накопление информации в блоке 19 памяти осуществляется следующим образом. Рассмотрим в качестве примера процесс накопления информации в момент времени t₂ на фиг.2. Появляющийся в момент времени t 0 (см. фиг.4) отрицательный импульс на выходе одновибратора 14 опрокидывает в единичное состояние триггер 27 (см. фиг.3). Поскольку при этом со входа установки нуля распределителя 25 снимается единичное напряжения, то РИ 25 выходит из состояния покоя и по его выходам начинает сканировать управляющее нулевое напряжения, осуществляя следующий короткий цикл операций. С приходом на тактовый вход РИ 25 очередного импульса с выхода ГТИ 24 (частота которого может быть нестабильной) на первом выходе РИ 25 появляется управляющий сигнал (в момент времени t₁ на фиг. 4), который записывает в регистр 21 код адреса БП 19 00011001. В следующем такте импульсом со второго выхода РИ 25 (в момент времени t₂) в двоично-десятичный счетчик 23 записывается выборка, накопленная в результате предыдущего анализа в ячейке УП 22 с адресом 00011001. В следующем такте импульсом с третьего выхода РИ 25 (в момент времени t₃) содержимое счетчика 23 увеличивается на единицу, после чего импульсом с четвертого выхода РИ 25 (в момент времени t₄) эта информация возвращается в УП 22 по тому же адресу 00011001. Импульс с пятого выхода РИ 25 (в момент времени t₅) переводит триггер 27 в нулевое состояние, возвращая таким образом распределитель 25 в состояние покоя.

После достаточно длительного накопления информации по содержимому каналов БП 19 строится семейство гистограмм производной напряжения U' при его различных уровнях U. Каждая из гистограмм аппроксимируется одним из известных методов (см. например, [3]) наиболее близким теоретическим законам распределения, зная который, получают кривые одномерных функций распределения F_i(U') F(U') см. фиг.5. Кривые F_i(U') принадлежат поверхности двумерной функции распределения уровня и производной напряжения F(U,U'), которая может быть получена, например, методами [4] С использованием функции F(U,U') может быть реализован следующий метод моделирования реализаций случайного процесса изменения напряжения.

Рассмотрим процесс формирования значений реализации напряжения в функции времени с произвольной точки U₁ (cм. фиг.6).

Между соседними формируемыми значениями процесса изменения напряжения задается постоянный интервал времени t.

Для реализации метода используется датчик случайных чисел (ДСЧ) (см. например, (5)), которым генерируются значения равномерно распределенной на интервале (0, 1) случайной величины х.

Для определения значения моделируемого напряжения в точке U₂выполняется следующая последовательность операций: 1) C помощью ДСЧ получают очередное значение величины х х₁.

2) Методом обратной функции (5) определяют значение производной напряжения на участке между точками U₁ и U₂
U₁' F^-1(U₁,x), (4) где F^-1 функция, обратная функции распределения F(U, U') по U'.

3) Определяют ординату точки U₂
U₂ U₁ + t U₁'. (5)
В общем случае каждая ордината моделируемой реализации напряжения U(t) определяется по следующему алгоритму
(6)
Описанный метод позволяет моделировать реализацию случайного процесса изменения напряжения в функции времени, в которой сохраняются динамические свойства процесса-оригинала.

Преимуществами предлагаемого технического решения по сравнению с известными являются его более широкие функциональные возможности, обусловленные возможностью получения двумерной гистограммы уровня и производной напряжения. Применение, в свою очередь, новой получаемой анализатором информации дает возможность реализовать новый метод моделирования реализаций случайного процесса изменения напряжения с заданными динамическими свойствами. Получаемые таким образом реализации позволяют: 1) исследовать влияние случайных колебаний напряжения на различное оборудование и зрение человека; 2) исследовать качество работы и проводить метрологическую поверку статистических анализаторов колебаний, выбросов и провалов напряжения; 3) исследовать поведение различных гироскопических систем, установленных на качающихся по заданному закону объектах (палубе судна, платформе танка и др.) путем питания приводов тренажеров этих систем имитируемым напряжением и т.д. Анализатор реализуется на микроэлектронной основе.

Формула изобретения

1. ДВУМЕРНЫЙ СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР УРОВНЯ И ПРОИЗВОДНОЙ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий первый регистр, счетчик, блок памяти, компаратор, генератор тактовых импульсов, три одновидрабора, четыре элемента И - НЕ, кварцевый генератор и реверсивный счетчик, выход которого соединен с первым входом компаратора, выходы "Больше" и "Меньше" которого соединены с первыми входами первого и второго элементов И - НЕ, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика и также связаны с первым и вторым входами третьего элемента И - НЕ, выход которого соединен со счетным входом счетчика, отличающийся тем, что в него введены два регистра, аналого-цифровой преобразователь, ключ и преобразователь переменного напряжения в постоянное, вход которого является информационным входом анализатора, а выход через аналого-цифровой преобразователь соединен с вторым входом компаратора и с информационным входом реверсивного счетчика, вход записи которого через ключ подключен к шине нулевого потенциала, выход "Больше" компаратора соединен с информационным входом первого регистра, выход генератора тактовых импульсов подключен к вторым входам первого и второго элементов И - НЕ, третий вход третьего элемента И - НЕ подключен к выходу четвертого элемента И - НЕ, входы которого соединены с разрядным выходом счетчика, подключенным к информационному входу второго регистра, выход кварцевого генератора через первый одновибратор подключен к входу записи первого регистра, входу обнуления счетчика и входу второго одновибратора, выход которого соединен с третьими входами первого и второго элементов И - НЕ и входом третьего одновибратора, инверсный выход которого подключен к входу записи блока памяти, а прямой выход соединен с входом записи второго регистра и через четвертый одновибратор - с входом записи третьего регистра, информационный вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, выходы регистров соединены с адресным входом блока памяти.

2. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что блок памяти содержит регистр, узел памяти, счетчик, элемент НЕ, триггер, распределитель импульсов и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с тактовым входом распределителя импульсов, первый выход которого через элемент НЕ подключен к входу записи регистра, информационный вход которого является адресным входом блока, а выход соединен с адресным входом узла памяти, выход которого подключен к информационному входу счетчика, выход которого соединен с информационным входом узла памяти, второй, третий и четвертый выходы распределителя импульсов подключены соответственно к входам записи узла памяти и счетчика и тактовому входу счетчика, пятый выход распределителя импульсов подключен к входу установки в "0" триггера, вход установки в "1" которого является входом записи блока.

РИСУНКИ

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