PL229990B1 - Układ do pomiaru okresu napięcia - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru okresu napięcia, znajdujący zastosowanie przy badaniu właściwości elektrycznych obwodów prądu okresowo zmiennego.

Znane jest rozwiązanie wyznaczania okresu sygnału przedstawione w podręczniku Zieliński Τ. P. „Cyfrowe przetwarzanie sygnałów Od teorii do zastosowań” Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2005, 2009, w oparciu o wartość funkcji korelacji własnej R_x(t) w postaci wzoru:

•rCO gdzie x(t) jest badanym sygnałem, zaś x(t - τ) jest badanym sygnałem przesuniętym o czas τ. Funkcja autokorelacji przyjmuje wartości maksymalne dla przesunięć czasowych τ równych wielokrotności okresu sygnału x(t), stąd też okres sygnału jest równy najmniejszej odległości pomiędzy maksimami funkcji autokorelacji. W przypadku rzeczywistych układów pomiarowych dysponuje się jedynie ograniczoną liczbą próbek i funkcję autokorelacji zastępuje się estymatorem nieobciążonym R_x(k) w postaci wzoru:

Σ x(n)x(n~k) ji=0 gdzie N jest liczbą próbek, -N + 1 < k <0 jest wartością przesunięcia, zaś x(n) są próbkami sygnału dla 0 <n <N - 1. Dla tych układów okres jest określany w analogiczny sposób jak dla sygnału ciągłego i jest w przybliżeniu minimalnej odległości między maksimami funkcji autokorelacji.

Znane rozwiązanie charakteryzuje się przede wszystkim tym, że rozdzielczość wyniku pomiaru jest równa okresowi próbkowania, stąd błąd wyniku pomiaru jest silnie zależny od synchroniczności mierzonego sygnału i okresu próbkowania. Dodatkową wadą jest przyjmowanie przez estymator funkcji autokorelacji przybliżonych wartości maksymalnych, które nieznacznie się od siebie różnią i nie są znormalizowane, czyli przyjmują różne wartości dla różnych sygnałów.

Przykładowo, urządzenia i systemy do pomiaru okresu sygnałów w oparciu o funkcje autokorelacji zostały przedstawione w publikacjach patentowych US4463425, US5584295, US6477476.

Istotą układu do pomiaru okresu napięcia według wynalazku jest to, że układ ten mierzy wartości chwilowe napięcia w równych odstępach czasu zwanych okresem próbkowania T_s mniejszym od połowy czasu mierzonego okresu T napięcia, zaś czas całego pomiaru obejmuje minimum dwa pełne okresy T mierzonego napięcia, czyli t_n >2T, a następnie na podstawie wartości wyników pomiaru w sposób analityczny estymuje wartość okresu napięcia.

Układ do pomiaru okresu T napięcia ufo, zawiera wzmacniacz, którego zaciski wejściowe są przyłączone do punktów obwodu elektrycznego, pomiędzy którymi występuje mierzone napięcie ufo i którego wyjście przyłączone jest do wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego. Do wejścia cyfrowego wyzwalającego próbkowanie przetwornika (pomiar wartości chwilowej napięcia na wejściu analogowym przetwornika) jest przyłączony cyfrowy sygnał zegarowy generowany przez generator sygnału zegarowego o okresie T_s < 0,57, wyzwalający próbkowanie w czasach ti, t2, t3, ... t_n, gdzie f, = (i- 1)T_S oraz czas ostatniego pomiaru spełnia warunek t_n =(n - 1)T_S >2T. Wyjście przetwornika analogowo-cyfrowego, na które dla poszczególnych próbek przesyłane są sygnały wynikowe o wartościach ui = ufo), U2 = ufo), U3 = ufo), ... u_n = ufo), przyłączone jest do kontrolera toru pomiarowego, który sterowany jest przez kontroler interfejsu służący do komunikacji z użytkownikiem za pomocą interfejsu. Z kontrolerem toru pomiarowego połączony jest blok pamięci danych pomiarowych służący do przechowywania danych odczytanych przez kontroler toru pomiarowego z przetwornika analogowo-cyfrowego. Do bloku pamięci danych pomiarowych przyłączony jest układ wyznaczania wartości funkcji celu, którego zadaniem jest określanie wartości funkcji celu f_c dla wartości argumentu funkcji celu T_m i zapisywanie wartości funkcji celu f_c w jednostce pamięci wartości funkcji celu oraz argumentu funkcji celu Tm w jednostce pamięci wartości argumentu funkcji celu. Do jednostki pamięci wartości funkcji celu i do jednostki pamięci wartości argumentu funkcji celu przyłączony jest układ wyznaczania minimum funkcji celu, który określa wartość argumentu funkcji celu T_m, dla której wartość funkcji celu f_c przyjmuje wartość minimalną, i zapisuje tą wartość w jednostce pamięci okresu napięcia. Układ wyznaczania minimum funkcji

PL 229 990 Β1 celu aktywuje układ wyznaczania wartości funkcji celu do wyznaczania wartości funkcji celu f_c dla kolejnych wartości argumentów funkcji celu T_m z zakresu od Tm, do T_max z rozdzielczością T_ste_P, zaś kontroler interfejsu wskazuje jako zmierzoną wartość okresu T napięcia u(t) odczytaną z jednostki pamięci okresu napięcia po wykonaniu obliczeń dla zakresu przeszukiwania częstotliwości od Tm, do T_max z rozdzielczością Tstep.

Układ wyznaczania wartości funkcji celu składa się z następujących układów: układu modyfikacji czasu, układu sortowania ciągu, układu uśredniania danych, układu wyznaczania funkcji interpolacyjnych oraz układu wyznaczania wartości końcowej funkcji celu.

Układ modyfikacji czasu odczytuje z bloku danych ciąg par danych pomiarowych w postaci czasu pomiaru i wartości chwilowej napięcia w danym czasie pomiaru według wzoru:

(/] J W] ) i (Ąj ^2 ) '(^3 ’ ^W3 )'··· (Cj > ^Un ) i modyfikuje ciąg danych pomiarowych poprzez modyfikację wartości czasów pomiaru według wzoru:

gdzie L J jest operacją zaokrąglania w dół, otrzymując ciąg w postaci:

(A 5 ^U\ ) 1 {ft ) ! (^3 5 ^W3 )/ —) który zapisuje w bloku pamięci danych zmodyfikowanych, który przyłączony jest do układu sortowania ciągu.

Układ sortowania ciągu sortuje odczytane z bloku pamięci danych zmodyfikowanych zmodyfikowany ciąg par danych pomiarowych według zmodyfikowanego czasu pomiaru t uzyskując ciąg w postaci:

o własności t <t₊i, który zapisuje w bloku pamięci danych posortowanych, który przyłączony jest do układu uśredniania danych.

Układ uśredniania danych uśrednia zmodyfikowane dane pomiarowe o tym samym zmodyfikowanym czasie pomiaru odczytanych z bloku pamięci danych posortowanych poprzez zastępowanie kilku par danych pomiarowych o tym samym zmodyfikowanym czasie jedną parą danych pomiarowych o tym samym zmodyfikowanym czasie i wartości napięcia równej średniej arytmetycznej napięć uśrednianych danych pomiarowych otrzymując ciąg m elementowy:

(6 > ), (f₂, w₂),(Ę, ź?₃ ) w którym m <n i który zapisuje w bloku pamięci danych uśrednionych, który przyłączony jest do układu wyznaczania funkcji interpolacyjnych.

Układ wyznaczania funkcji interpolacyjnych odczytuje m par uśrednionych danych pomiarowych z bloku pamięci danych uśrednionych i na ich podstawie wykonuje następujące operacje:

- wykorzystując argument T_m wyznacza pierwszy ciąg danych wydzielonych, który zawiera uśrednione dane pomiarowe o indeksach nieparzystych i na końcu dodaną parę danych napięcia ΰ₁ w czasie T_m:

(θ, W[),(F₃,i/₃), (/₅,ίϊ₅),..,(ζ.,w_A), którego wartości zapisuje w bloku pamięci ciągu pierwszego,

- wykorzystując argument T_m wyznacza się drugi ciąg danych wydzielonych, który zawiera parę danych napięcia ią, w czasie 0 następnie uśrednione dane pomiarowe o indeksach parzystych i na końcu dodaną parę napięcia w czasie T_m:

(0,M,),(f₂,w₂), (Z₄,m₄),...(ą,m,)_s którego wartości zapisuje w bloku pamięci ciągu drugiego,

PL 229 990 B1

- dla pierwszego ciągu wydzielonych par danych pomiarowych czasu i napięcia wyznacza pierwszą funkcję interpolacyjną ui(t) w postaci funkcji sklejanej funkcji liniowych (prostej łamanej) wyznaczającą przebieg czasowy napięcia na odcinku czasowym [0,T_m], której wartości parametrów zapisuje do bloku pamięci pierwszego przebiegu pomocniczego napięcia,

- dla drugiego ciągu wydzielonych par danych pomiarowych czasu i napięcia wyznacza drugą funkcję interpolacyjną uii(t) w postaci funkcji sklejanej funkcji liniowych (prostej łamanej) wyznaczającą przebieg czasowy napięcia na odcinku czasowym [0,T_m], której wartości parametrów zapisuje do bloku pamięci drugiego przebiegu pomocniczego napięcia,

- wczytuje wartości parametrów pierwszego przebiegu czasowego napięcia ui(t) z bloku pamięci pierwszego przebiegu pomocniczego napięcia oraz drugiego przebiegu czasowego napięcia uii(t) z bloku pamięci drugiego przebiegu pomocniczego napięcia i następnie poprzez podział odcinków czasowych, wyznacza ponownie po m parametrów dla obydwu tych funkcji interpolacyjnych przebiegów napięcia tak, aby przebiegi te nie uległy zmianie, natomiast końce odcinków interpolacyjnych były odpowiednio w tych samych m + 1 punktach czasowych 0, t2, t3, t4, ... tm, Tm i uzyskane m wartości parametrów pierwszej funkcji interpolacyjnej przebiegu czasowego napięcia ui(t) zapisuje w bloku pamięci pierwszego przebiegu napięcia oraz m wartości parametrów drugiej funkcji interpolacyjnej przebiegu czasowego napięcia u(t) zapisuje w bloku pamięci drugiego przebiegu napięcia.

Do bloków pamięci pierwszego przebiegu napięcia i drugiego przebiegu napięcia przyłączony jest układ wyznaczania wartości końcowej funkcji celu.

Układ wyznaczania wartości końcowej funkcji celu wczytuje m wartości parametrów pierwszego przebiegu czasowego napięcia u(t) z bloku pamięci pierwszego przebiegu napięcia i drugiego przebiegu czasowego napięcia uii(t) z bloku pamięci drugiego przebiegu napięcia, a następnie wyznacza ostateczną wartość funkcji celu fc według wzoru:

r„

0_

T fr ‘lii J*/H

Jj o v o którą zapisuje w jednostce pamięci wartości funkcji celu.

Zaletą układu do pomiaru okresu według wynalazku jest to, że układ ten posiada dowolną rozdzielczość pomiaru okresu, ponieważ argument okresu napięcia Tm funkcji celu fc nie musi być wielokrotnością okresu próbkowania Ts jak ma to miejsce w przypadku metody autokorelacji. Możliwość wyznaczania funkcji celu dla dowolnej wartości argumentu Tm spełniającego warunek 2Ts < Tm < / (n - 1)Ts oraz wyznaczanie wartości tejże funkcji na całym odpowiednio interpolowanym przedziale [0, Tm] powoduje mniejszy wpływ asynchroniczności próbkowania na błąd pomiaru w porównaniu z metodą estymatora funkcji autokorelacji. Dodatkową zaletą jest znormalizowana wartość funkcji celu, należąca do przedziału [0,1], co pozwala na łatwiejsze określenie wartości minimalnej bliskiej 0.

Przykład realizacji układu do pomiaru według wynalazku zostanie przedstawiony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia ogólnie układ pomiarowy, a Fig. 2 przedstawia schemat układu wyznaczania wartości funkcji celu UWWFC.

Układ pomiarowy jest przystosowany do obsługi przez użytkownika za pomocą interfejsu INT. Poprzez interfejs INT użytkownik może nastawić parametry pracy układu pomiarowego, uruchomić pomiar okresu napięcia czy też odczytać wynik pomiaru. Interfejs INT połączony jest dwukierunkową magistralą cyfrową z kontrolerem interfejsu KI. Kontroler interfejsu KI jest przystosowany do pracy w dwóch trybach: w trybie komunikacji (z użytkownikiem) oraz w trybie oczekiwania. W trybie komunikacji kontroler KI obsługuje interfejs INT - wysyła dane do wyświetlenia, pobiera parametry nastawcze oraz pobiera komendę o rozpoczęciu pomiaru. Dodatkowo kontroler KI zapisuje parametry pracy układu za pomocą magistral cyfrowych w odpowiednich jednostkach pamięci: okres próbkowania Ts w jednostce Ts, liczbę próbek n w jednostce n, dolny zakres przeszukiwania okresu napięcia Tmin w jednostce Tmin, górny zakres przeszukiwania okresu napięcia Tmax w jednostce Tmax, zaś rozdzielczość pomiaru (tj. krok przeszukiwanych okresów napięcia) Tstep w jednostce Tstep. Ponadto kontroler KI odczytuje za pomocą magistrali cyfrowej wyznaczony okres napięcia elektrycznego Tu zapisany w jednostce pamięci Tu.

PL 229 990 B1

W momencie nadejścia z interfejsu INT komendy o inicjacji pomiaru, kontroler interfejsu KI sprawdza poprawność nastaw, parametrów pomiaru za pomocą pięciu warunków:

1. dolna granica zakresu pomiaru musi być mniejsza od górnej granicy zakresu pomiaru, czyli

Tmin < Tmax

2. rozdzielczość pomiaru musi być nie mniejsza niż 0,1 zakresu pomiaru, czyli 10Tstep <Tmax- Tmin

3. okres próbkowania Ts musi być nie mniejszy od minimalnego okresu przetwarzania danych TminP wynikających z parametrów urządzenia, czyli Ts > TminP

4. czas pomiaru musi obejmować minimum dwa pełne okresy mierzonego napięcia elektrycznego, czyli (45454554r54r554rrr54rrr45rrrr45re5r45rf5r4f5rf - 1)Ts > 2Tmax

5. okres próbkowania musi być mniejszy od połowy okresu mierzonego napięcia elektrycznego, czyli 2Ts < 2Tmin

Jeżeli nastawy są błędne, to kontroler KI wysyła do interfejsu INT odpowiednią informację o błędzie i przechodzi do ustawiania danych. Jeżeli natomiast nastawy pomiaru są poprawne to kontroler interfejsu KI wysyła do interfejsu INT informację o rozpoczęciu pomiaru oraz wysyła sygnał cyfrowy do kontrolera toru pomiarowego KTP w celu rozpoczęcia pomiaru. Następnie kontroler KI zawiesza swe działanie w trybie komunikacji, przechodząc do trybu oczekiwania do momentu pojawienia się sygnału cyfrowego informującego o zakończeniu pomiaru pochodzącego z układu wyznaczania wartości minimalnej funkcji celu UWMINFC. W momencie pojawienia się sygnału zakończenia pomiaru z układu UWMINFC kontroler interfejsu KI pobiera wynik z jednostki Tu, wysyła go do interfejsu INT i następnie powraca do trybu komunikacji z użytkownikiem.

Kontroler toru pomiarowego KTP odczytuje dane z toru pomiarowego i umieszcza wyniki w bloku pamięci danych pomiarowych BD. W skład toru pomiarowego wchodzą: wzmacniacz W, przetwornik analogowo-cyfrowy ADC oraz generator sygnału zegarowego CLK. Generator G, podłączony do zacisków wejściowych toru pomiarowego, reprezentuje symbolicznie układ generujący zmienne napięcie, którego okres jest badany. Zaciski generatora napięcia okresowego G połączone są z wejściem liniowego wzmacniacza W. Wyjście wzmacniacza W połączone jest z przetwornikiem analogowo-cyfrowym ADC. Zadaniem wzmacniacza W jest kondycjonowanie napięcia wejściowego do zakresu przetwornika ADC. Oznacza to, że napięcie na wyjściu wzmacniacza w odniesieniu do masy jest wprost proporcjonalne do napięcia wejściowego układu pomiarowego oraz wzmocnienie wzmacniacza jest tak dobrane, aby przy zadanym zakresie pomiarowym napięcie na jego wyjściu nie przekraczało zakresu pracy przetwornika ADC. Wynik pomiaru przetwornika ADC przekazywany jest za pomocą magistrali cyfrowej do kontrolera toru pomiarowego KTP. Pomiar w przetworniku ADC wzbudzany jest za pomocą zewnętrznego sygnału pochodzącego ze sterowanego zegara CLK. Sygnał z zegara CLK podawany jest także na wejście cyfrowe kontrolera KTP w celu podania informacji o wykonywanym pomiarze. Czas pomiędzy kolejnymi sygnałami wzbudzenia pomiaru ustawiany jest w zegarze CLK za pomocą sygnału cyfrowego z kontrolera toru pomiarowego KTP. Nastawy zegara CLK są stałe podczas całego pomiaru i są ustalane tak, że poziom wzbudzenia przetwornika ADC trwa przez cały okres przetwarzania przetwornika, a następnie sygnał na wyjściu zegara ustawiany jest na przeciwny i ponownie zmieniany na stan wzbudzenia przetwornika po czasie Ts.

Kontroler KTP połączony jest z jednostkami pamięci Ts, i, n oraz blokiem pamięci BD. Kontroler za pomocą magistral cyfrowych odczytuje okres próbkowania Ts z jednostki pamięci Ts oraz liczbę próbek n z jednostki pamięci n, zapisuje dane pomiarowe do bloku pamięci danych pomiarowych BD oraz zapisuje i odczytuje wartość zmiennej numeru pomiaru i z jednostki pamięci i. Układ kontrolera KTP także pobiera sygnał cyfrowy inicjacji pomiaru z kontrolera interfejsu KI oraz wysyła sygnał cyfrowy inicjacji przetwarzania danych do układu wyznaczania minimum funkcji celu UWMINFC.

Kontroler toru pomiarowego KTP, po odebraniu sygnału cyfrowego inicjacji pomiaru z kontrolera KI, ustawia wartość numeru pomiaru i = 1 w jednostce i oraz odczytuje okres próbkowania Ts z jednostki Ts i ustawia zegar CLK. Następnie kontroler rozpoczyna cykl pomiarowy i wykonuje następującą sekwencję czynności:

1. odczytuje daną i z jednostki i, na podstawie której ustala czas pomiaru ti według wzoru ti = (i - 1)Ts

2. oczekuje na sygnał cyfrowy z zegara CLK wzbudzenia pomiaru przetwornika ADC

3. oczekuje na sygnał cyfrowy z zegara CLK o stanie przeciwnym, który informuje, że przetwornik ADC zakończył pomiar

4. odczytuje dane z przetwornika ADC

PL 229 990 Β1

5. przetwarza dane z przetwornika ADC uwzględniając wzmocnienie wzmacniacza W i uzyskuje wartość napięcia na wejściu toru pomiarowego

6. zapisuje wynik pomiaru w postaci pary (u,, ti) w bloku BD, gdzie ui = u(ti) jest napięciem na wejściu toru pomiarowego w czasie /,

7. zwiększa wartość numeru pomiaru / w jednostce i o jeden (/ = /+1)

8. porównuje wartości zapisane w jednostkach i oraz n, jeżeli / <n to przechodzi do kolejnego pomiaru - początku cyklu, jeżeli zaś / > n to kontroler kończy cykl pomiarowy.

W momencie wykonania wszystkich pomiarów kontroler toru pomiarowego KTP zatrzymuje zegar CLK, wysyła sygnał cyfrowy wzbudzenia układu wyznaczania wartości minimalnej funkcji celu UWMINFC, a następnie oczekuje aż pojawi się kolejny sygnał cyfrowy inicjacji pomiaru z kontrolera interfejsu KI. W wyniku działania kontrolera KTP dane pomiarowe w bloku BD zapisane są w postaci ciągu par:

(/,, M| ) , (/,,Z/₂) / (/3 > ),... (/„, u„ )

Układ wyznaczania minimum funkcji celu UWMINFC wyznacza wartość okresu mierzonego napięcia na podstawie argumentu, dla którego wartość funkcji celu przyjmuje wartość minimalną. Wartości funkcji celu wyznaczane są w osobnym układzie wyznaczania wartości funkcji celu UWWFC. Układ UWMINFC za pomocą magistral cyfrowych odczytuje wartości dolnego zakresu przeszukiwania okresu napięcia Tmin z jednostki pamięci Tmin, górnego zakresu przeszukiwania okresu napięcia T_max z jednostki pamięci T_max, rozdzielczości pomiaru - kroku przeszukiwanych okresów napięcia T_st_ep z jednostki pamięci Tstep oraz wartości funkcji celu f_c z jednostki pamięci f_c. Dodatkowo układ UWMINFC odczytuje i zapisuje wartości argumentu funkcji celu T_m w jednostce pamięci T_m, minimalnej wartości funkcji celu fm w jednostce pamięci f_m, oraz wartość okresu napięcia T_u, dla którego funkcja celu przyjmuje wartość minimalną, w jednostce pamięci T_u. Jednocześnie układ UWMINFC odbiera sygnał cyfrowy inicjacji przetwarzania danych pomiarowych z kontrolera toru pomiarowego KTP, wysyła sygnał cyfrowy inicjacji wyznaczania wartości funkcji celu do układu wyznaczania wartości funkcji celu UWWFC, odbiera sygnał cyfrowy zakończenia wyznaczania wartości funkcji celu z układu UWWFC oraz wysyła sygnał cyfrowy zakończenia pomiaru do kontrolera interfejsu KI.

Układ wyznaczania minimum funkcji celu UWMINFC, po odebraniu sygnału cyfrowego inicjacji przetwarzania danych z kontrolera toru pomiarowego KTP, odczytuje dolny zakres przeszukiwania okresu napięcia Tmin z jednostki pamięci Tmin i zapisuje go, jako argument funkcji celu T_m, w jednostce pamięci T_m. Następnie układ UWMINFC rozpoczyna cykl poszukiwania argumentu, dla którego funkcja celu przyjmuje wartość minimalną i wykonuje następującą sekwencję czynności:

1. wysyła sygnał cyfrowy inicjacji wyznaczania wartości funkcji celu do układu UWWFC,

2. oczekuje na sygnał cyfrowy zakończenia wyznaczania wartości funkcji celu z układu UWWFC,

3. odczytuje dane: T_m z jednostki T_m, Tmin z jednostki Tmin, f_c z jednostki f_c, fm, z jednostki f_m i jeżeli T_m = Tmin lub jednocześnie T_m > Tmin oraz f_c < fm to przypisuje wartość f_c zmiennej fm zapisując ją do jednostki f_m oraz przypisuje wartość T_m zmiennej T_u zapisując ją do jednostki Tu,

4. odczytuje dane T_m z jednostki T_m oraz T_max z jednostki Tmax i jeżeli T_m = T_max to przypisuje zmiennej T_m z jednostki T_m wartość 0, jeżeli zaś warunek T_m = T_max nie jest spełniony to odczytuje wartość Tstep z jednostki Tstep i przypisuje zmiennej T_m z jednostki T_m wartość według wzoru T_m = min (T_m + T_ste_P, T_max), gdzie funkcja min zwraca wartość minimalną dwóch zmiennych T_m +T_st_ep oraz T_max,

5. odczytuje wartość T_m z jednostki T_m i jeżeli T_m = 0 to kończy cykl poszukiwania argumentu, dla którego funkcja celu przyjmuje wartość minimalną, jeżeli zaś warunek T_m = 0 nie jest spełniony to przechodzi na początek cyklu.

W momencie zakończenia cyklu poszukiwania argumentu, dla którego funkcja celu przyjmuje wartość minimalną, układ UWMINFC wysyła sygnał cyfrowy zakończenia pomiaru do kontrolera interfejsu KI, a następnie oczekuje aż pojawi się kolejny sygnał cyfrowy inicjacji przetwarzania danych z kontrolera toru pomiarowego KTP.

Układ wyznaczania wartości funkcji celu UWWFC oczekuje na sygnał cyfrowy inicjacji wyznaczania wartości funkcji celu z układu UWMINFC, a potem odczytuje za pomocą magistrali cyfrowych wartość argumentu T_m funkcji celu /_c z jednostki pamięci T_m, liczbę próbek n z jednostki pamięci n oraz wartości danych pomiarowych z bloku pamięci danych pomiarowych BD i na ich podstawie wyznacza

PL 229 990 Β1 wartość funkcji celu f_c, którą zapisuje w jednostce pamięci f_c, a następnie wysyła sygnał cyfrowy zakończenia wyznaczania wartości funkcji celu do układu UWMINFC i oczekuje na kolejny sygnał cyfrowy inicjacji wyznaczania wartości funkcji celu. Dokładny schemat struktury układu wyznaczania wartości funkcji celu UWWFC wraz z cyfrowymi sygnałami i magistralami zewnętrznymi, oraz blokiem pamięci danych pomiarowych BD i jednostkami pamięci T_m, n oraz f_c przedstawiony jest na Fig. 2.

Układ modyfikacji czasu UMC po odebraniu sygnału cyfrowego inicjacji wyznaczania wartości funkcji celu z układu UWMINFC odczytuje liczbę próbek n z jednostki pamięci n oraz argument T_m z jednostki pamięci T_m. Następnie układ UMC odczytuje kolejno n wyników pomiaru w postaci par (u,, t) z bloku pamięci danych pomiarowych BD i wykonuje modyfikację czasów według wzoru:

gdzie L J jest operacją zaokrąglania w dół, a następnie otrzymane dane ze zmodyfikowanym czasem zapisuje do bloku pamięci danych zmodyfikowanych BDM. W wyniku modyfikacji czasów w bloku BDM dane zapisane są w postaci ciągu:

(4,W₂),(4,«₃),·..«,,«„) o własności t'1 = 0. Po zmodyfikowaniu wszystkich danych układ UMC wysyła inicjacyjny sygnał cyfrowy do układu sortowania ciągu USC i oczekuje na kolejny sygnał cyfrowy, inicjacji wyznaczania wartości funkcji celu z układu UWMINFC.

Układ sortowania ciągu USC po odebraniu inicjacyjnego sygnału cyfrowego z układu UMC odczytuje liczbę próbek n z jednostki pamięci n, oraz n par danych z bloku pamięci danych zmodyfikowanych BDM. Następnie sortuje pary danych zmodyfikowanych według czasu t'uzyskując ciąg:

(¢^),(^0,β,Η,),...(<>;) w którym ti” < t”i+i oraz ti = 0. Posortowany ciąg układ USC zapisuje w bloku pamięci danych, posortowanych BDP. Następnie układ USC wysyła inicjacyjny sygnał cyfrowy do układu uśredniania danych UUD i oczekuje na kolejny inicjacyjny sygnał cyfrowy z układu UMC.

Układ uśredniania danych UUD po odebraniu inicjacyjnego sygnału cyfrowego z układu USC odczytuje liczbę próbek n z jednostki pamięci n, oraz n par danych z bloku pamięci danych posortowanych BDP. Następnie układ UUD uśrednia pary danych z tym samym czasem poprzez zastępowanie kilku par danych o tym samym czasie jedną parą danych o tym samym czasie i wartości napięcia równej średniej arytmetycznej napięć uśrednianych pardanych, w wyniku czego otrzymuje ciąg m elementowy:

¢,17,),(4,^),(4,^),...(4,,^,) o własnościach m <n oraz ti = 0. Po wyznaczeniu ciągu danych uśrednionych układ UUD zapisuje uzyskany ciąg w bloku pamięci danych uśrednionych BDU oraz zapisuje liczbę m elementów ciągu w jednostce pamięci m. Następnie układ UUD wysyła inicjacyjny sygnał cyfrowy do układu wyznaczania funkcji interpolacyjnych UWFI i oczekuje na kolejny inicjacyjny sygnał cyfrowy z układu USC.

Układ wyznaczania funkcji interpolacyjnych UWFI wyznacza dwie funkcje interpolacyjne przebiegów napięcia, wykorzystywane bezpośrednio do wyznaczenia wartości końcowej funkcji celu, która wyznaczana jest w układzie wyznaczania wartości końcowej funkcji celu UWWKFC. Układ UWFI za pomocą magistral cyfrowych odczytuje wartości argumentu funkcji celu T_m z jednostki pamięci T_m, liczbę par danych uśrednionych m z jednostki pamięci m oraz pary danych uśrednionych z bloku pamięci danych uśrednionych BDU. Dodatkowo układ UWFI za pomocą magistral cyfrowych odczytuje i zapisuje wartości dwóch ciągów do bloków pamięci BC1, BC2, oraz do jednostek pamięci mi i rw liczbę elementów mi i /Π2 ciągów odpowiednio z bloków BC1 i BC2. Ponadto układ UWFI zapisuje i odczytuje z bloków pamięci BP1 i BP2 pomocnicze wartości współczynników funkcji interpolacyjnych przebiegów napięcia określone na wzajemnie różnych przedziałach, natomiast do bloków pamięci BU1 i BU2 układ zapisuje ostateczne wartości współczynników funkcji interpolacyjnych przebiegów napięcia na wzajemnie równych przedziałach. Jednocześnie układ UWFI odbiera sygnał cyfrowy inicjacji przetwarzania danych z układu uśredniania danych UUD oraz wysyła inicjacyjny sygnał cyfrowy do układu wyznaczania wartości końcowej funkcji celu UWWKFC.

PL 229 990 Β1

Układ wyznaczania funkcji interpolacyjnych UWFI po odebraniu inicjacyjnego sygnału cyfrowego z układu UUD odczytuje argument funkcji celu T_m z jednostki pamięci T_m, liczbę próbek m z jednostki pamięci m, oraz m par danych z bloku pamięci danych uśrednionych BDU. Następnie ciąg par danych z bloku BDU dzieli na dwa ciągi. Najpierw wyznacza się pierwszy ciąg, który zawiera pary danych o indeksach nieparzystych i na końcu dodaną parę w w czasie T_m:

(0,5,),(/₃,5₃), (/5,55),...(/^5^),(^,,5,) i zapisuje otrzymany ciąg w buforze BC1 oraz liczbę elementów tego ciągu mi w jednostce m-i. Potem układ UWFI wyznacza drugi ciąg, który na początku ma parę danych napięcia ΰι w czasie 0 następnie próbki o indeksach parzystych i na końcu dodaną parę danych napięcia ΰι, w czasie T_m·.

(0,5,), (/₂,5₂), (/,,5,),...(/,,5/),(4,5,) i zapisuje otrzymany ciąg w buforze BC2 oraz liczbę elementów tego ciągu /772 w jednostce 012. Następnie układ wyznacza funkcję interpolacyjną ui(f) dla ciągu 1, która interpoluje za pomocą odcinków prostej łamanej przebieg czasowy napięcia na odcinku czasowym [0,T_m] określony przez punkty ciągu 1. Układ zapisuje parametry przebiegu czasowego napięcia ui(t) do bloku BP1 w postaci mi - 1 elementowego ciągu czwórek liczb:

(O, /3, a,, ó,), (/₃, /5, £7₂, Z>₂),...

w ogólnej postaci:

określających funkcję interpolacyjną przebiegu napięcia ui(t) na odcinku / e [t_p, tg według wzoru: tt,(/) = a(/-/J+Z>

Potem układ UWFI analogicznie wyznacza funkcję interpolacyjną un(t) dla ciągu 2, i zapisuje jej parametry do bloku BP2 w postaci ciągu /772 -1 elementowego ciągu czwórek liczb:

(θ,/₂,α,,Ζ>ι ),(/₂,/₄,£7₂,Α₂),,..

określających funkcję interpolacyjną przebiegu napięcia un(f) na odcinku / e [t_p, tg w ten sam sposób jak w przypadku ciągu czwórek liczb opisujących funkcję przebiegu czasowego napięcia ui(f). Następnie na podstawie parametrów funkcji czasowych napięcia ui(t) i un(t) zapisanych odpowiednio w blokach BP1 i BP2, układ UWFI, poprzez odpowiedni podział odcinków czasowych, wyznacza nowe czwórki liczb opisujących obydwa te przebiegi napięcia tak, aby przebiegi te nie uległy zmianie, natomiast końce odcinków interpolacyjnych były odpowiednio w tych samych punktach. W wyniku tej operacji otrzymuje się dwa m elementowe ciągi czwórek liczb odpowiednio dla funkcji ui(t) i un(t) w postaci:

Otrzymane ciągi czwórek liczb funkcji interpolacyjnych ui(t) i un(t) układ UWFI zapisuje odpowiednio w blokach BU1 i BU2.

Po zakończeniu obliczeń i zapisaniu wyników układ UWFI wysyła inicjacyjny sygnał cyfrowy do układu wyznaczania wartości końcowej funkcji celu UWWKFC i oczekuje aż pojawi się kolejny sygnał cyfrowy inicjacji przetwarzania danych z układu uśredniania danych UUD.

Ostatnim elementem układu wyznaczania wartości funkcji celu UWWFC jest układ wyznaczania wartości końcowej funkcji celu UWWKFC. Układ UWWKFC po odebraniu inicjacyjnego sygnału cyfrowego z układu wyznaczania funkcji interpolacyjnych UWFI odczytuje wartość zmiennej m z jednostki pamięci m. Na jej podstawie odczytuje kolejno m wartości ciągów czwórek liczb opisujących funkcje interpolacyjne przebiegów napięcia ui(t) i un(t) odpowiednio z bloków pamięci BU1 i BU2. Następnie na podstawie funkcji czasowych przebiegu napięcia ui(t) i un(t) wylicza wartość końcową funkcji celu według wzoru:

PL 229 990 Β1 τ

^łMr

J u, {tju_n (t}dt

FT„}Ą—f-E-2jfu?(t)dtjju*(t)dt którą zapisuje do jednostki pamięci f_c. Potem układ UWWKFC wysyła sygnał cyfrowy zakończenia wyznaczania wartości funkcji celu do układu UWMINFC i oczekuje na kolejny inicjacyjny sygnał cyfrowy z układu UWFI.

Przedstawiony powyżej układ pomiarowy według wynalazku należy uważać za przykładowy układ. Poszczególne elementy układu mogą mieć postać układów cyfrowych lub analogowych. Dla specjalisty jest oczywiste, w jaki sposób zrealizować poszczególne bloki w celu spełnienia ich funkcjonalności. W jednej z możliwych realizacji, układ pomiarowy może być zrealizowany w postaci procesora sterowanego odpowiednim oprogramowaniem. W innej realizacji, układ pomiarowy może być zrealizowany w postaci układu programowalnych bramek logicznych FPGA.

Claims (1)

1. Układ do pomiaru okresu T napięcia u(t), zawierający wzmacniacz (W), którego zaciski wejściowe są przyłączone do punktów obwodu elektrycznego, pomiędzy którymi występuje mierzone napięcie u(t) i którego wyjście przyłączone jest do wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), do którego wejścia wyzwalającego próbkowanie jest przyłączony sygnał zegarowy generowany przez generator sygnału zegarowego (CLK) o okresie T_s < 0,57, wyzwalający próbkowanie w czasach ti, t2, t3, ... t_n, gdzie f, = (i-1)T_s oraz t_n = (n-1)T_s >2T, natomiast wyjście przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), na którym dla poszczególnych próbek przesyłane są sygnały wynikowe o wartościach ui = u(ti), U2 = ufe), 113 = ufo), ... u_n = u(t_n), przyłączone jest do kontrolera toru pomiarowego (KTP) sterowanego kontrolerem interfejsu (KI) do komunikacji z użytkownikiem za pomocą interfejsu (INT), układ znamienny tym, że zawiera:

- blok pamięci danych pomiarowych (BD) połączony z kontrolerem toru pomiarowego (KTP) do przechowywania danych odczytanych przez kontroler toru pomiarowego (KTP) z przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC);

- układ wyznaczania wartości funkcji celu (UWWFC) przyłączony do bloku pamięci danych pomiarowych (BD) do określania i zapisywania: wartości funkcji celu f_c w jednostce pamięci wartości funkcji celu f_c dla wartości argumentu funkcji celu T_m w jednostce pamięci wartości argumentu funkcji celu T_m;

- układ wyznaczania minimum funkcji celu (UWMINFC) przyłączony do jednostki pamięci wartości funkcji celu (f_c) i do jednostki pamięci wartości argumentu funkcji celu T_m do określania i zapisywania wartości argumentu funkcji celu T_m, dla której wartość funkcji celu f_c przyjmuje wartość minimalną, w jednostce pamięci T_u;

- przy czym kontroler interfejsu (KI) wskazuje jako zmierzoną wartość okresu T napięcia u(t) odczytaną z jednostki pamięci T_u po wykonaniu obliczeń dla zakresu przeszukiwania częstotliwości od Tmin do T_max z rozdzielczością Tstep',

- przy czym układ wyznaczania wartości funkcji celu (UWWFC) jest aktywowany do wyznaczania wartości funkcji celu f_c dla kolejnych wartości argumentów funkcji celu T_m z zakresu od Tmin do T_max z. rozdzielczością Tstep i zawiera:

o układ modyfikacji czasu (UMC), który odczytuje z bloku danych (BD) ciąg par danych pomiarowych w postaci czasu pomiaru i wartości chwilowej napięcia w danym czasie pomiaru według wzoru:

(A > ^U\ ) ' (4’^U2 ) > (b ’ ^U3 ) (4’ ^u» ) i modyfikuje ciąg danych pomiarowych poprzez modyfikację wartości czasów pomiaru według wzoru:

PL 229 990 Β1 t, gdzie L J jest operacją zaokrąglania w dół, otrzymując ciąg w postaci:

który zapisuje w bloku pamięci danych zmodyfikowanych (BDM); o który przyłączony jest do układu sortowania ciągu (USC), który sortuje odczytane z bloku pamięci danych zmodyfikowanych (BDM) zmodyfikowany ciąg par danych pomiarowych według zmodyfikowanego czasu pomiaru /'uzyskując ciąg w postaci:

o własności <t₊i, o który zapisuje w bloku pamięci danych posortowanych (BDP), który przyłączony jest do układu uśredniania danych (UUD), który uśrednia zmodyfikowane dane pomiarowe o tym samym zmodyfikowanym czasie pomiaru odczytanych z bloku pamięci danych posortowanych (BDP) poprzez zastępowanie kilku par danych pomiarowych o tym samym zmodyfikowanym czasie jedną parą danych pomiarowych o tym samym zmodyfikowanym czasie i wartości napięcia równej średniej arytmetycznej napięć uśrednianych danych pomiarowych otrzymując ciąg m elementowy:

w którym m <n, o który zapisuje w bloku pamięci danych uśrednionych (BDU); który przyłączony jest do układu wyznaczania funkcji interpolacyjnych (UWFI), który odczytuje m par uśrednionych danych pomiarowych z bloku pamięci danych uśrednionych (BDU) i na ich podstawie:

wykorzystując argument T_m wyznacza pierwszy ciąg danych wydzielonych, który zawiera uśrednione dane pomiarowe o indeksach nieparzystych i na końcu dodaną parę danych napięcia u, w czasie T_m:

(0,27,)44 = ^)=(4 = ^) = --.(4 = ^)=(4, = ½) którego wartości zapisuje w bloku pamięci ciągu pierwszego BC1, wykorzystując argument T_m wyznacza drugi ciąg danych wydzielonych, który zawiera parę danych napięcia u,, w czasie 0 następnie uśrednione dane pomiarowe o indeksach parzystych i na końcu dodaną parę napięcia ii,, w czasie T_m:

(0,77,),(4,^)44=^) = ---(4 = ^)=(4,, = ½) którego wartości zapisuje w bloku pamięci ciągu drugiego BC2, dla pierwszego ciągu wydzielonych par danych pomiarowych czasu i napięcia wyznacza pierwszą funkcję interpolacyjną u/(f) postaci funkcji sklejanej funkcji liniowych (prostej łamanej) wyznaczającą przebieg czasowy napięcia na odcinku czasowym [0,T_m], której wartości parametrów zapisuje do bloku pamięci pierwszego przebiegu pomocniczego napięcia BP1, dla drugiego ciągu wydzielonych par danych pomiarowych czasu i napięcia wyznacza drugą funkcję interpolacyjną un(t) w postaci funkcji sklejanej funkcji liniowych (prostej łamanej) wyznaczającą przebieg czasowy napięcia na odcinku czasowym [0,77n], której wartości parametrów zapisuje do bloku pamięci drugiego przebiegu pomocniczego napięcia BP2, wczytuje wartości parametrów pierwszej funkcji interpolacyjnej przebiegu czasowego napięcia ui(t) z bloku pamięci BP1 oraz drugiej funkcji interpolacyjnej przebiegu czasowego napięcia un(t) z bloku pamięci BP2 i następnie poprzez podział

PL 229 990 B1 odcinków czasowych, wyznacza ponownie po m parametrów dla obydwu tych funkcji tak, aby funkcje te nie uległy zmianie, natomiast końce odcinków interpolacyjnych były odpowiednio w tych samych m + 1 punktach czasowych 0, t₂, t₃,t₄, ... t_m, Tm i uzyskane m wartości parametrów pierwszej funkcji interpolacyjnej przebiegu czasowego napięcia ui(t) zapisuje w bloku pamięci pierwszego przebiegu napięcia BU1 oraz m wartości parametrów drugiej funkcji interpolacyjnej przebiegu czasowego napięcia ui(t) zapisuje w bloku pamięci drugiego przebiegu napięcia BU2, o przy czym do bloków pamięci (BU1, BU2) przyłączony jest układ wyznaczania wartości końcowej funkcji celu (UWWKFC), który wczytuje m wartości parametrów pierwszego przebiegu czasowego napięcia ui(t) i drugiego przebiegu czasowego napięcia uii(t), a następnie wyznacza ostateczną wartość funkcji celu f_cwedług wzoru:

którą zapisuje w jednostce pamięci wartości funkcji celu fc.