RU2210782C2 - Converter of root-mean-square value of voltage - Google Patents
Converter of root-mean-square value of voltage Download PDFInfo
- Publication number
- RU2210782C2 RU2210782C2 RU2001105027A RU2001105027A RU2210782C2 RU 2210782 C2 RU2210782 C2 RU 2210782C2 RU 2001105027 A RU2001105027 A RU 2001105027A RU 2001105027 A RU2001105027 A RU 2001105027A RU 2210782 C2 RU2210782 C2 RU 2210782C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- converter
- analog
- voltage
- input
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электронике. Основная область применения - измерительная техника. Применяется для измерения уровня сигналов переменного тока. The invention relates to electronics. The main field of application is measurement technology. It is used to measure the level of AC signals.
Известны преобразователи среднеквадратического значения переменного напряжения [1], [2]. Их принцип действия основан на уравнении:
где U - среднеквадратическое значение напряжения, u(t) - мгновенное значение измеряемого сигнала и Т - период измерения (усреднения).Known converters rms values of alternating voltage [1], [2]. Their principle of operation is based on the equation:
where U is the rms voltage value, u (t) is the instantaneous value of the measured signal and T is the measurement period (averaging).
Первое из известных устройств [1] содержит квадратор, фильтр нижних частот (усредняющее устройство) и устройство вычисления квадратного корня. The first known device [1] contains a quadrator, a low-pass filter (averaging device) and a square root calculator.
Второе из известных устройств [2], являющееся наиболее близким техническим решением к данному изобретению, содержит квадратор, усредняющее устройство, аналого-цифровой преобразователь с источником опорного напряжения постоянного тока и цифровое устройство для вычисления квадратного корня. Вход квадратора соединен с входной клеммой, а выход с входом усредняющего устройства, которое своим выходом подключено ко входу аналого-цифрового преобразователя, выходное значение кода которого, выражающее отношение напряжения на входе к опорному напряжению, подается на вход вычислительного устройства, выдающего на выход измеренное среднеквадратическое значение в виде цифрового кода. The second known device [2], which is the closest technical solution to this invention, contains a quadrator, an averaging device, an analog-to-digital converter with a DC voltage source and a digital device for calculating the square root. The quadrator input is connected to the input terminal, and the output to the input of the averaging device, which is connected to the input of an analog-to-digital converter, whose output code value, which expresses the ratio of the input voltage to the reference voltage, is fed to the input of a computing device that outputs the measured rms value in the form of a digital code.
Недостатком известных устройств является невысокая точность, определяемая, в первую очередь, параметрами квадратора. Усредняющее устройство погрешности, обычно, не вносит, а ошибки вычисления квадратного корня в известном устройстве [2] устраняются выбором аналого-цифрового преобразователя и цифрового вычислительного устройства с достаточной разрешающей способностью и точностью. A disadvantage of the known devices is the low accuracy, determined primarily by the parameters of the quadrator. The averaging device usually does not introduce errors, and the square root calculation errors in the known device [2] are eliminated by selecting an analog-to-digital converter and a digital computing device with sufficient resolution and accuracy.
Целью изобретения является повышение точности измерения (преобразования) переменного напряжения. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement (conversion) of alternating voltage.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство добавляется цифроаналоговый преобразователь, вход которого подключен к выходу вычислительного устройства, первый аналоговый ключ на входе квадратора, подключающий его вход к входной клемме или к выходу цифроаналогового преобразователя, второй аналоговый ключ, переключающий конденсатор фильтра, изменяя постоянную времени усредняющего устройства, третий аналоговый ключ на входе аналого-цифрового преобразователя, подключающий его вход к выходу усредняющего устройства или выходу цифроаналогового преобразователя, устройство управления аналоговыми ключами и вычислительным устройством. This goal is achieved by adding a digital-to-analog converter, the input of which is connected to the output of the computing device, the first analog switch at the input of the quadrator, connecting its input to the input terminal or to the output of the digital-to-analog converter, and the second analog switch switching the filter capacitor, changing the constant the time of the averaging device, the third analog switch at the input of the analog-to-digital converter, connecting its input to the output of the averaging device, or Exit-analog converter, the analog switch control device and a computing device.
Схема преобразователя показана на чертеже (фиг. 1). The converter circuit is shown in the drawing (Fig. 1).
Преобразователь содержит соединенные последовательно квадратор 1, усредняющее устройство 2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3 с источником опорного напряжения 4 и вычислительное устройство 5. Вход квадратора подключен к выходу аналогового ключа 6, через который на него подается измеряемое напряжение Ux или выходное напряжение Uc цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 9. Аналоговый ключ 7 обеспечивает изменение постоянной времени усредняющего устройства. Через аналоговый ключ 8 на вход аналого-цифрового преобразователя подается выходное напряжение U2 усредняющего устройства или выходное напряжение цифроаналогового преобразователя, которые сравниваются с опорным напряжением Ur. Устройство управления 10 вырабатывает сигналы, устанавливающие в необходимое состояние аналоговые ключи и режим работы вычислительного устройства.The converter contains a series-connected
Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.
Схема управления обеспечивает формирование 2N+1 состояний (фаз) работы преобразователя (далее будем их называть 0-я, 1а, 1b, 2a ... Na и Nb фазы). The control circuit provides the formation of 2N + 1 states (phases) of the converter operation (hereinafter we will call them the 0th, 1a, 1b, 2a ... Na and Nb phases).
В 0-й фазе измеряемое напряжение подается на вход квадратора, усредняющее устройство включается с такой постоянной времени, чтобы обеспечить необходимое подавление пульсаций выходного напряжения квадратора на самой низкой частоте измеряемого сигнала. Выходное напряжение усредняющего устройства подается на (АЦП). Вычислительное устройство, используя измеренное АЦП значение U0, определяет значение измеряемого сигнала Ux как:
Вычисленное значение пропорционально величине входного напряжения, отличаясь на коэффициент передачи квадратора, и содержит составляющие погрешности, свойственные реальному квадратору, например, за счет нелинейности.In the 0th phase, the measured voltage is applied to the input of the quad, the averaging device is turned on with such a time constant to provide the necessary suppression of ripple of the output voltage of the quad at the lowest frequency of the measured signal. The output voltage of the averaging device is supplied to (ADC). The computing device, using the measured ADC value U0, determines the value of the measured signal Ux as:
The calculated value is proportional to the value of the input voltage, differing by the transfer coefficient of the quadrator, and contains the error components inherent in the real quadrator, for example, due to non-linearity.
Последующие фазы работы преобразователя обеспечивают определение коэффициента преобразования и коррекцию других погрешностей. Причем калибровка квадратора преобразователя (а это именно операция калибровки) выполняется при уровне, приблизительно равном измеряемому напряжению, действующему в этот момент на входе, что существенно снижает погрешность измерения. The subsequent phases of the converter operation provide the determination of the conversion coefficient and the correction of other errors. Moreover, the calibration of the converter quadrator (and this is the calibration operation) is performed at a level approximately equal to the measured voltage acting at the input at this moment, which significantly reduces the measurement error.
Для осуществления калибровки вход квадратора 1 подключается к выходу ЦАП 9 аналоговым ключом 6. Аналоговый ключ 7 размыкается, уменьшая постоянную времени усредняющего устройства настолько, чтобы можно было с максимальной скоростью измерять напряжение постоянного тока, подаваемое на вход квадратора 1. Это состояние схемы сохраняется неизменным в течение выполнения всех фаз калибровки от 1а до Nb. Состояние аналогового ключа 8 в это время меняется, обеспечивая АЦП 3 возможность поочередного измерения напряжения на выходе ЦАП 9 (фазы с индексом а) и на выходе усредняющего устройства (фазы с индексом b). Изменение состояния схемы преобразователя происходит под действием сигналов управляющего устройства 10. To carry out the calibration, the input of the
С выхода вычислительного устройства на вход ЦАП подается N значений кода, обеспечивающих воспроизведение на его выходе N калибровочных уровней. Каждый калибровочный уровень Uc действует в течение двух рабочих фаз (с индексами а и b) и вычисляется как:
Uс1...N=Ux•M1...N,
где M1, М2 ... MN - весовые коэффициенты, описывающие ожидаемый закон распределения значений измеряемого сигнала (форму измеряемого сигнала). Например, для синусоидального сигнала при N=8 удобно использовать следующие значения коэффициентов: -1,4166, -1,0833, -0,75, -0,5, 0,5, 0,75, 1,0833, 1,4166. Они могут определяться и по другим критериям, обеспечивающим наилучшую коррекцию нелинейности квадратора (или всего преобразователя). Выбор весового коэффициента также происходит по сигналу управляющего устройства 10. Причем порядок применения коэффициентов не имеет никакого значения.From the output of the computing device, N code values are supplied to the input of the DAC, providing the reproduction of N calibration levels at its output. Each calibration level Uc operates during two working phases (with indices a and b) and is calculated as:
Uс 1 ... N = Ux • M 1 ... N ,
where M 1 , M 2 ... M N - weighting coefficients that describe the expected law of distribution of the measured signal values (the shape of the measured signal). For example, for a sinusoidal signal at N = 8, it is convenient to use the following coefficient values: -1.4166, -1.0833, -0.75, -0.5, 0.5, 0.75, 1.0833, 1.4166 . They can be determined by other criteria that provide the best correction for the nonlinearity of the quadrator (or the entire converter). The choice of the weight coefficient also occurs according to the signal of the
В каждой из фаз калибровки на вычислительное устройство поступают от АЦП 3 значения напряжения, поданные на вход квадратора 1 (Ula...UNa) и полученные на выходе усредняющего устройства 2 (Ulb...UNb). Таким образом, можно определить коэффициент передачи квадратора (преобразователя) K1 ... KN для каждого калибровочного уровня:
Коэффициент калибровки квадратора (преобразователя) К определяется как среднее значение масштабных коэффициентов K1 ... KN, полученных для каждого калибровочного уровня:
По завершении всего измерительного цикла производится вычисление результата с учетом коэффициента калибровки:
U=Ux•К
Результат в цифровом виде подается на выход преобразователя. Далее управляющее устройство приводит схему в состояние, соответствующее 0-й фазе, и снова повторяет весь измерительный цикл.In each of the calibration phases, voltage values supplied to the input of quadrator 1 (Ula ... UNa) and received at the output of the averaging device 2 (Ulb ... UNb) are supplied to the computing device from the
The calibration factor of the quadrator (transducer) K is determined as the average value of the scale factors K 1 ... K N obtained for each calibration level:
Upon completion of the entire measurement cycle, the result is calculated taking into account the calibration coefficient:
U = U x • K
The result is digitally fed to the output of the converter. Next, the control device brings the circuit to the state corresponding to the 0th phase, and again repeats the entire measuring cycle.
Следует отметить особую роль опорного источника 4, который, только на первый взгляд, никакой дополнительной функции, кроме обеспечения работоспособности схемы АЦП 3, не несет. It should be noted the special role of the
Она заключается в том, что размерность воспроизводимого им постоянного напряжения переносится на размерность измеряемого переменного напряжения. Средством передачи служит АЦП, выступающий как мера отношения, а калибровка преобразователя (масштаба преобразования) сводится к одной простой операции - установке уровня опорного источника 4. It lies in the fact that the dimension of the constant voltage reproduced by him is transferred to the dimension of the measured alternating voltage. The transmission medium is the ADC, which acts as a measure of the ratio, and the calibration of the converter (conversion scale) is reduced to one simple operation - setting the level of the
В роли равноценного опорного источника постоянного напряжения может выступать и ЦАП 9. Однако практическая реализация такого решения нецелесообразна - усложняется схема ЦАП, усложняется его калибровка (он ведь становится многозначной мерой напряжения, которую нужно калибровать во многих точках). При этом очень высокие требования к параметрам АЦП сохраняются. В предлагаемом варианте преобразователя ЦАП должен обеспечивать только кратковременную стабильность выходного напряжения, достаточную для проведения двух измерений - на входе и выходе квадратора. The
Таким образом, в данном устройстве точность измерения переменного напряжения обеспечивается только параметрами опорного источника 4 (точностью и стабильностью выходного напряжения) и АЦП 3 (линейностью, динамическим диапазоном и разрешающей способностью). Самый же критичный узел преобразователя - квадратор 1, как средство преобразования переменного напряжения в постоянное, исключается из цепи передачи размерности напряжения. Thus, in this device, the accuracy of measuring AC voltage is provided only by the parameters of the reference source 4 (accuracy and stability of the output voltage) and ADC 3 (linearity, dynamic range and resolution). The most critical unit of the converter -
По сравнению с прототипом [2], у которого параметры квадратора прямо влияют на коэффициент преобразования, предложенная схема преобразователя позволяет значительно повысить точность измерений. При реализации преобразователя достигается снижение погрешности в среднем на порядок при использовании квадраторов того же типа. Единственным существенным фактором, ограничивающим возможность полной коррекции погрешности квадратора, остается его случайная (шумовая) составляющая погрешности. Compared with the prototype [2], in which the parameters of the quadrator directly affect the conversion coefficient, the proposed transducer scheme can significantly improve the measurement accuracy. When implementing the converter, the error is reduced by an order of magnitude on average when using quadrators of the same type. The only significant factor limiting the possibility of a complete correction of the error of the quadrator is its random (noise) component of the error.
Во всех случаях применения предлагаемая схема позволяет отказаться от тщательного отбора элементов квадратора и снизить требования, предъявляемые к ним (начальному смещению, асимметрии, температурной стабильности, временному дрейфу). Она наиболее эффективна:
- для построения прецизионных преобразователей, когда недостаточно параметрической точности существующих квадраторов:
- в приборах, работающих в широком температурном диапазоне, позволяя скомпенсировать даже сильную зависимость параметров квадратора от окружающей температуры;
- в высокочастотных измерительных приборах, когда отсутствует возможность применения высококачественных квадраторов из-за неудовлетворительных частотных свойств.In all cases of application, the proposed scheme makes it possible to abandon the careful selection of quadrator elements and reduce the requirements for them (initial displacement, asymmetry, temperature stability, and temporary drift). It is most effective:
- to build precision converters when the parametric accuracy of the existing quadrators is not enough:
- in devices operating in a wide temperature range, making it possible to compensate even the strong dependence of the parameters of the quadrator on the ambient temperature;
- in high-frequency measuring devices, when there is no possibility of using high-quality quadrators due to unsatisfactory frequency properties.
При использовании данного преобразователя в измерительных приборах высокой точности, например вольтметрах, возможно:
- сократить объем калибровочных операций (снизить трудоемкость) благодаря тому, что преобразователь, фактически, калибруется автоматически;
- заменить сложную калибровку на переменном токе более точной калибровкой на постоянном токе и добиться дополнительного повышения точности.When using this converter in measuring instruments of high accuracy, for example voltmeters, it is possible:
- reduce the volume of calibration operations (reduce the complexity) due to the fact that the Converter, in fact, is calibrated automatically;
- Replace complex AC calibration with a more accurate DC calibration and achieve additional accuracy improvements.
Следует отметить, что платой за повышение точности являются:
- дополнительные аппаратные затраты на усовершенствование преобразователя по сравнению с аналогом [2], но они незначительны - стоимость увеличивается приблизительно на четверть или может не возрастать, если соответственно снизить требования к элементной базе;
- снижение быстродействия в среднем вдвое, однако, оно может быть восстановлено отключением калибровки квадратора, и тогда схема переходит в такой же режим работы, что и известное устройство [2]. Другой возможностью восстановления скорости измерений может быть, например, применение двух параллельных каналов с поочередной калибровкой;
- усложнение вычислительного и управляющего устройств, но это затраты только на программирование микропроцессорного устройства, так как иначе (аппаратно) реализовать описанный алгоритм работы данного преобразователя затруднительно.It should be noted that the fees for improving accuracy are:
- additional hardware costs for improving the converter compared to the analogue [2], but they are insignificant - the cost increases by about a quarter or may not increase if the requirements for the element base are accordingly reduced;
- a decrease in speed by an average of half, however, it can be restored by turning off the calibration of the quad, and then the circuit goes into the same mode of operation as the known device [2]. Another possibility to restore the measurement speed may be, for example, the use of two parallel channels with alternating calibration;
- complication of the computing and control devices, but this is only the cost of programming a microprocessor device, since otherwise (hardware) it is difficult to implement the described algorithm for the operation of this converter.
Во втором варианте преобразователь, описанный выше, содержит третий дополнительный вход третьего аналогового ключа, позволяющий соединять вход АЦП со второй дополнительной входной клеммой. Это дополнение дает возможность измерения постоянного напряжения с более высокой точностью, минуя квадратор. Однако целью данного дополнения является не повышение точности измерения постоянного напряжения, что очевидно, а возможность калибровки опорного источника АЦП. При этом, подавая на вход преобразователя эталонный уровень постоянного напряжения, посредством пересчета показаний АЦП можно вычислить действительное значение опорного источника, то есть откалибровать его, чем в дальнейшем обеспечить более точное измерение переменного напряжения. Во-вторых, такой преобразователь может работать в режиме сравнения (компарирования) переменного напряжения с постоянным. При этом погрешность измерения будет формироваться только за счет погрешности (нелинейности) АЦП, а погрешность опорного источника АЦП исключается. Таким образом, если изобретение по первому пункту - преобразователь СКЗ для вольтметра, то изобретение по второму пункту - уже преобразователь СКЗ для вольтметра-компаратора напряжений. Схема преобразователя по второму пункту показана на чертеже (фиг. 2). In the second embodiment, the converter described above contains the third additional input of the third analog switch, which allows you to connect the ADC input to the second additional input terminal. This addition makes it possible to measure DC voltage with higher accuracy, bypassing the quad. However, the purpose of this supplement is not to increase the accuracy of measuring DC voltage, which is obvious, but to calibrate the reference ADC source. At the same time, by applying a reference level of constant voltage to the converter input, by recalculating the ADC readings, you can calculate the actual value of the reference source, that is, calibrate it, than to provide a more accurate measurement of the alternating voltage in the future. Secondly, such a converter can operate in a mode of comparing (comparing) an alternating voltage with a constant voltage. In this case, the measurement error will be formed only due to the error (non-linearity) of the ADC, and the error of the reference source of the ADC is excluded. Thus, if the invention in the first paragraph is an RMS converter for a voltmeter, then the invention in the second paragraph is already an RMS converter for a voltmeter-voltage comparator. The converter circuit according to the second paragraph is shown in the drawing (Fig. 2).
Наличие второй клеммы для осуществления компарирования необязательно. Сравниваемые напряжения могут подаваться на объединенный вход поочередно. The presence of a second terminal for comparing is optional. The compared voltages can be applied to the combined input alternately.
Работа преобразователя в качестве компаратора напряжений осуществляется чередованием циклов измерения:
- переменного напряжения на первой входной клемме так же, как и в первом варианте схемы;
- постоянного напряжения на второй входной (или объединенной) клемме в третьем положении ключа 8.The converter operates as a voltage comparator by alternating measurement cycles:
- AC voltage at the first input terminal in the same way as in the first version of the circuit;
- DC voltage at the second input (or combined) terminal in the third position of the
По результатам двух измерительных циклов, в которых определяются значения переменного Uac и постоянного Udc напряжений относительно внутреннего опорного источника, вычисляется действительное значение переменного напряжения, поданного на вход преобразователя:
где Us - значение эталонного постоянного напряжения, с которым сравнивается переменное.According to the results of two measuring cycles in which the values of the alternating Uac and constant Udc voltages are determined relative to the internal reference source, the actual value of the alternating voltage applied to the input of the converter is calculated:
where Us is the value of the reference constant voltage with which the variable is compared.
Литература
1. У.Титце, Л.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982 г., с. 473.Literature
1. W. Titze, L. Schenk. Semiconductor circuitry. M .: Mir, 1982, p. 473.
2. ВОЛЬТМЕТР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В3-71, В3-71/1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Ч.1, 1998 г., с.10 (рис. 5.1) и с.13 (рис. 5.2). 2. AC VOLTMETER B3-71, B3-71 / 1. Technical description and instruction manual.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001105027A RU2210782C2 (en) | 2001-02-21 | 2001-02-21 | Converter of root-mean-square value of voltage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001105027A RU2210782C2 (en) | 2001-02-21 | 2001-02-21 | Converter of root-mean-square value of voltage |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001105027A RU2001105027A (en) | 2003-03-10 |
RU2210782C2 true RU2210782C2 (en) | 2003-08-20 |
Family
ID=29245337
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001105027A RU2210782C2 (en) | 2001-02-21 | 2001-02-21 | Converter of root-mean-square value of voltage |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2210782C2 (en) |
-
2001
- 2001-02-21 RU RU2001105027A patent/RU2210782C2/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4196475A (en) | Method of and apparatus for automatic measurement of impedance or other parameters with microprocessor calculation techniques | |
US6243034B1 (en) | Integrating analog to digital converter with improved resolution | |
US5361067A (en) | Digital linearization calibration for analog to digital converter | |
US4943807A (en) | Digitally calibrated delta-sigma analog-to-digital converter | |
JP3234238B2 (en) | Analog-to-digital converter | |
TWI455487B (en) | Systems and methods for characterizing component ratios and generating a digital representation of same | |
CN107994903B (en) | Analog-to-digital conversion circuit and pipeline analog-to-digital converter | |
US4342089A (en) | Method of and apparatus for automatic measurement of circuit parameters with microprocessor calculation techniques | |
CN102340311B (en) | Analog-to-digital conversion apparatus, analog-to-digital conversion method, and electronic device | |
US4901078A (en) | Variable duty cycle window detecting analog to digital converter | |
JP4127676B2 (en) | Electronic watt-hour meter and power-related quantity calculation circuit | |
RU2210782C2 (en) | Converter of root-mean-square value of voltage | |
JPH0132692B2 (en) | ||
JP3026533B2 (en) | Reactive energy meter | |
JPH05333067A (en) | Electronic watt-hour meter | |
JPS5912619A (en) | Automatic correcting method of analog-digital converter | |
JP2982612B2 (en) | PQ calculation correction method | |
GB2093292A (en) | Apparatus and methods for analogue-to-digital conversion and for deriving in-phase and quadrature components of voltage and current in an impedance | |
JPS61102821A (en) | Digital voltmeter | |
CN112513650B (en) | Current sensor configuration and calibration | |
JPH04370769A (en) | Correction method of voltage and current signal by using a/d converter | |
Burbelo | Universal quasi-balanced bridges for measuring the parameters of four-element two-terminal networks | |
JPH01167679A (en) | Impedance measuring instrument | |
EP0465476A1 (en) | A sampling circuit | |
GB2227896A (en) | Analog-to-digital converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170222 |