SU1626170A1 - Цифровой измеритель - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах контрол  и упраылени  технологичес процессами в электроэнергетике и других област х при вычислении параметров сигнала переменного тока. Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей путем обеспечени  вычислени  активной мощное ти - достигаетс  тем, что в цифровом измеритель, содержащий умножитель 1 частоты, генератор 2 импульсов , блок 3 управлени , счетчик 4 объема выборки, аналого-цифровой преобразователь 5, блок 6 преобразовани  кода, выполненный в виде посто нного запоминающего устройства с управл ющими входами, цифровой сумматор 7, сдвигающий регистр 8, -выходной регистр 9, введены дополнительно аналоговый вычитатень 10, три аналоговых запоминающих устройства 11-13 и аналоговый коммутатор 14. Введение новых элементов позвол ет измер ть как параметры переменного напр жени , так и мощности. 2 ил. (О

Description

Фиг 1

V/CpU/lP

Изобретение относитс  к контроль но-иэмерительной технике и может быть использовано в системах контрол  и управлени  технологическими процесса- ми в электроэнергетике и других об ласт х при вычислении параметров сигнала переменного тока, как среднее действующее значение и актив- на  мощность.

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечени  возможности вычислени  активной мощности в цепи

сигнала переменного тока.

i

На изображена функциональна  схема цифрового измерител ; на фиг.2 - функциональна  схема блока управлени .

Цифровой измеритель содержит умножитель 1 частоты (УЧ), генератор 2 импульсов (ГИ), блок 3 управлени  (БУ), счетчик 4 объема выборки, АЦП 5, блок 6 преобразовани  кода (ВПК), сумматор 7, регистр 8 сдвига, выходной регистр 9, аналоговый вычита- тель 0, аналоговые запоминающие блоки (АЗУ) 11-13 и аналоговый коммутатор 14, причем выход ГИ 2 соединен с первыми входами УЧ 1 и БУ 3, выход УЧ 1 соединен с вторым входом БУ 3, вход суммировани  счетчика 4 объема выборки соединен с первым выходом БУ 3, а выход переполнени  - с тре- тьим входом БУ 3, входы тактировани  и управлени  АЦП 5 соединены с вторым и третьим выходами БУ 3 соответст венно, а выход готовности АЦП 5 - с четвертым входом БУ 3, цифровой вход АЦП 5 соединен с выходом переполнени  сумматора 7, а информационные выходы АЦП 5 - с входами ВПК 6 и выходного регистра 9, выходы которого  вл ютс  выходами цифрового измери- тел , выходы ВПК 6 соединены с первыми входами сумматора 7, вторые входы которого соединены с выходами регистра 8 сдвига, входы которого соединены с выходами данных сумматора 7, входы тактировани  и управлени  регистра 8 сдвига соединены с четвертым и седьмым выходами БУ 3, а вход сброса регистра 8 сдвига - с входом тактировани  выходного регистра 9 и п тым выходом БУ 3, первый вход аналогового вычитател  10 соединен с входом данных АЗУ 11 и  вл етс  первым входом цифрового измерител  дл 

напр жени , пропорционального току в сети, второй вход аналогового вычи- тател  10 соединен с входом данных АЗУ 13 и вторым входом УЧ 1 и  вл етс  вторым входом цифрового измерител  дл  напр жени  сети, выход аналогового вычитател  10 соединен с входом данных АЗУ 12, выход которого соединен с третьим входом аналоговог коммутатора 14, выход АЗУ 11 соеди- не ; с первым входом аналоговог j коммутатора 14, а выход АЗУ 13 - с вторым входом, входы управлени  АЗУ 11- 13 соединены с Ш( стым выходом БУ 3, восьмой и дев тый выходы которого соединены с первым и вторым входами управлени  аналогового коммутатора 14, дес тый выход - с входом переноса сумматора 7, одиннадцатый и двенадцатый выходы -с упралл ющими входами ВПК 6, п тый, шестой и седьмой входы БУ 3  вл ютс  входами задани  режима работы цифрового измерител . При этом БУ 3 содержит суммирующий счетчик 15, посто нный запоминающий блок (ПЗУ) 16, вычитающий счетчик 17 элементы И 18-22, элементы ИДИ 23 и 24 и элемент НЕ 25 Выходы данных счетчика 15 соединены с входами младших адресных разр дов ПЗУ 16, вход суммировани  счетчика 15 соединен с выходом элемента И 18, а вход сброса счетчика 15  вл етс  вторым входом БУ 3, первый вход элемента И 18 со- едлнен с входом вычитани  счетчика 17, с первыми входами элементов И 21 и 22 и  вл етс  первым входом БУ 3, второй вход элемента И 18  вл етс  четвертым входом БУ 3, третий вход элемента И 18 соединен с выходом элемента ИЛИ 23, четвертый вход - с выходом элемента ИЛИ 24, а п тый вход - с п тнадцатым выходом ПЗУ 16. Четвертый адресный вход ПЗУ lb соединен с выходом элемента И 19, п тый - с выходом элемента И 20, а шестой - с входом элемента НЕ 25 и  вл етс  седьмым входом БУ 3, первый - дес тый выходы ПЗУ 16  вл ютс  первым, третьим, седьмым, п тым, шестым, восьмым, дев тым, дес тым, одиннадцатым и двенадцатым выходами БУ 3 со- ответ гвенно, одиннадцатый и двенадцатый выходы ПЗУ 16 соединены с вторыми входами элементов И 21 и 22 соответственно , выходы которых  вл ютс  вторым и четвертым выходами БУ 3, тринадцатый выход ПЗУ 16 соединен с

5I

первым входим элемента ИЛИ 23, и т строй вход которого  вл етс  третьим входом БУ 3, четырнадцатый выход ПУ 16 соединен с первым входом элемента ИЛИ 24 и входом синхронизации записи параллельного кода счетчика 17, выход переполнени  которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ 24, выход элемента НЕ 25 соединен с первыми входами элементов И I9 и 20, вторые входы которых  вл ютс  соответственно п тым и шестым входами ВУ 3,входы данных счетчика 17 соединены с шинами уровней логических нул  и единицы в ci. тветстнии с кодом числа log IN, где N - бъем выборки, выход коммутатора 14 соединен с аналс г с.рым входом АЦП 5.

Цифровой измеритель работает дующим образом

Перел началом работы злдакт тип измер емого парсТ стра цепи переменного тока (среднего или дейс /иуюте о значени  тока или Нппр  енн  н сети или активной мощности) путем подачи соответствующих кодовых комбинации )а п тый, шестой и сед мой нходы RV 3. Предварительной установит цифровой измеритель не треГ.ует, так как после вычислении очередного резупьта та он переходит в исходное отсто ние Периодический cm нал, представл ющий входной сигнат напр жени , поступает на суммг ру.ощий вход аналогового вычитг тел  10, ихид данных АЗУ 13 и вход УЧ 1 Последний формирует на своем выходе импутыы через одинаковые интервали времени, ранные целой части периода входного сигнала Это позвол ет заменигь вычислени  интеграла при определении всех параметров вычислением сумм;,.

В начале очередного никла вычислени  сигналом с выхода УЧ 1 сбрасываетс  в нуль счетчик 15. В зависимости от выбранного режима устанавливаетс  соответствующий начальный адрес ПЗУ 16. При вычислении действующего значении входного напр жени  начальный адрес равен -нулю. На шестом н седьмом выходах ПЗУ 16 устанавливаетс  код, который через коммутатор 14 на аналоговый вход АЦП 5 подключает выход АЗУ 13, сигнал на выходе которого представл ет мгновенное значение напр жени  сети На втором выходе ПЗУ 16 по вл етс  сигнал, станавлнвающий АЦП 5 в режим преоб0

5

работник аналог оного входного сигнала в код. На упранл тцие ьлидн ВПК 6 подаетс  код, соответствующий выдаче с его выхода кода квадрата входной величины (дев тый и дес тый выходы ПЗУ 16) и регистр 8 сдвига устанав- пиваетс  в режим приема параллельно- 10 кода (третий выход ПЗУ 16). На п том вичоде ПЗУ 16 по вл етс  сигнал , по которому прекращаетс  запись аналоговых входных переменных во псе АЗУ. Тем самым в АЗУ запоминаютс  мгновенные значени  входных величин,

5 соответствующие моменту поступлени  импульса от УЧ I Ближайший импульс от ill 2 проходит через элемент И 18 на вход суммировани  счетчика 15 и измен ет адрес ПЗУ 16 на единицу На одиннадцатом выходе ПЗУ 16 по вл етс  логическа  1, котора  разрешает прохождение импульсов от ГТ1 2 на АЦП 5 через элемент И 21. За m тактов происходит преобразование мгновенного значени  входного напр жени  сети в код, где m - разр дность кода. До тех пор, пока идет преобразование, от АЦП 5 на второй вход элемента И 18 поступает сигнал /готического нул  и

0 блокирует прохождение импульсов от 111 2 на вход счетчика 15. Таким обратом , импульсы от П1 2 поступают на АЦП 5 до окончани  преобразовани  По окончанию преобразовани  на выхо-

5 де АЦП 5 по вл етс  код мгновенного значени  входного напр жени , а на выходе ВПК 6 - квадрат этого кода

I

По первому после окончании преобразовани  импульсу от П1 2 счетчик 15 переводитс  в следующее состо ние , и на выходе ПЗУ 16 по вл ютс  новые сигналы управлени , благодар  которым происходит увеличение значени  счетчика 4 объема выборки на единицу (сигнал с первого выхода ПЗУ 16), разрешаетс  запись новых значений входных величин в АЗУ (сигнал с п того выхода ПЗУ 16) и увели-

0 чнваетс  содержимое регистра 8 сдвига на величину квадрата кода полученного мгновенного значени  путем подачи импульса на его вход записи (сигнал с двенадцатого выхода ПЗУ 16).

Одновременно устанавливаетс  признак окончани  обработки очередного отсчета мгновенного значени  входного напр жени  на тринадцатом выходе ПЗУ 16, который через элементы ИЛИ

0

5

23 и И 18 блокирует поступление импульсов от ГИ 2 на счетчик 15 Оче- редкой цикл обработки мгновенного значени  начинаетс  сбросом счетчика 15 импульсом от УЧ 1

После N-го цикла счетчик 4 объема выборки сбрасываетс  и выдает сигнал переполнени  (конца выборки). При этом сигнал с тринадцатого вы- хода ПЗУ 16 не блокирует поступление импульсов от ГИ 2 на счетчик i5,rraK как сигнал переполнени  счетчика 4 объема выборки, поступив на второй вход элемента ИЛИ 23, формирует сигнал логической единицы на его выходе. Таким образом, после сн ти  последнего отсчета мгновенного значени  входного напр жени  очередным импульсом от ГИ 2 счетчик 15 перево- дитс  в следующее состо ние При этом на двенадцатом выходе ПЗУ 16 по вл етсл сигнал логической 1, который через элемент И 22 пропускает импульсы от П 2 на вход тактиро- вани  сдвигающего регистра 9, установленного в режим сдвига содержимог Кроме того, сигналом с дев того выхода ПЗУ 16 устанавливаетс  признак выбора инверсных значений квадратов из ВПК 6, что необходимо дл  подготовки выполнени  операми извлечени  квадратного корн . Одновременно с тактированием регистра 8 сдвига снимаетс  сигнал записи параллельного кода со счетчика 17, в который занесен код log N, представл ющий число операции сдвига, которое необходимо произвести дл  выполнени  делени  содержимого регистра 8 сдвига на N. Пока осуществл етс  сдвиг (деление) на выходе элемента ИЛИ 24 установлен сигнал логического нул , который запрещает прохождение импульсов на суммирующий вход счетчика 15, а со- держимое счетчика 17 уменьшаетс  на 1 с каждым тактом сдвига. По окончании операции сдвига на выходе переполнени  счетчика 17 устанавливаетс  сигнал логической 1, который, про- ход  через элемент ИЛИ 24 на вход элемента И 18, разрьшает дальнейшее поступление импульсов от ГИ 2 на вход счетчика 15. Очередной импульс с ГИ 2 переводит счетчик 15 в состо  ние, при котором на вход тактировани  АЦП 5 через элемент И 21 передаютс  импульсы от П 2 ВПК 6 фор-

Q 5 5 0 5

5

мирует на выходе код, представл ющий инверсию квадрата входного кода Регистр последовательного приближени  в АЦП 5 реализует стандартный алгоритм последовательных приближений, но вместо ответа схемы сравнени  (сигнала от компаратора) использует выход переполнени  сумматора 7. При этом происходит подбор, числа, кпад- рат которого равен или близок к лу, хран щемус  в регистре 8 сдвига. По окончании выполнени  и ерчции и звлечени квадратного корн  из суммы квадратов фор -ируетс  сигнал готовности от АЦП 5, который позвол ет перевести счетчик 15 очередным импульсом от ГИ 2 в еги последнее состо ние . Сигналом с четвертого выхода ПЗУ 16 производ тс  перезапись результата с выхода АЦП 5 в выходной регистр 9 и сброс содержимого регистра 8 сдвига..Одновременно формируетс  сигнад окончани  вычислени  на п тнадцатом выходе ПЗУ 16, который запрещает любые дальнейшие изменени  состо ни  счетчика 15 блокировкой его входа суммировани . Повторный процесс измерени  начинаетс  по оче редкому импульсу с выхода УЧ 1.

При вычислении действующего значени  протекающего в цепи тока устанавливаетс  код управлени  аналоговым коммутатором 14, соответствующий подключению к входу АЦП 5 выхода АЗУ 11, в котором,запоминаютс  мгновенные значени  напр жени , пропорционального току в сети Дальнейшие вычислени  не отличаютс  от вычислений аналогичного параметра напр жени  сети.

При измерении среднего значени  напр жени  или тока отсчеты мгновенных значений с выхода АЦП 5 пере даютс  на вход сумматора 7, мину  ВПК 6 или через него, но при этом ВПК 6 работает как повторитель при накоплении суммы и как инвертор при окончательном вычислении результата.

Вычисление активной мощности на чинаетс  также по импульсу, посту лающему от УЧ 1. При этом запоминаютс  мгновенные значени  входных ве личин в АЗУ и к входу АЦП 5 подклкг- чаетс  выход АЗУ 13, в который зане сено мгновенное значение напр жени  сети. Затем осуществл етс  преобразо вание этого мгновенного значени  в

код аналогично такому же преобрази ванию при вычислении действующего значени . Квадрат мгновенного значе- ни  напр жени  добавл етс  к содержимому регистра 8 сдвига и к входу АЦП 5 подключаетс  выход АЗУ 11, в котором хранитс  мгновенное значение напр жени , пропорционального току в сети. После этого производитс  преобразование в код этого мгновенно го значени  и его квадрат также добавл етс  к содержимому регистра 8 сдвига. Затем вход АЦП 5 подключаетс  к выходу АЗУ 12, хран щему мгно- венное значение разности двух предыдущих величин. ВПК 6 переключаетс  на формирование инверсии квадрата входной величины, а на вход переноса сумматора 7 с восьмого выхода ПЗУ 16 подаетс  логическа  единица. Производитс  преобразование мгновенного значени  разности двух величин. После описанных действий на выходе сумматора 7 получаетс  сумма квадратов мгновенных значений напр жени  сети и напр жени , пропорционального току в сети, инверсии квадрата разности двух величин, к которой прибавл етс  единица младшего разр да сумматора 7, поступивша  на вход переноса от БУ 3, т.е. реализуетс  соотношение

02(U) + Q2(i) - 02(u-i)

29 (u).0-,,

где 0 (U) - код квадрата мгновенного значени  напр жени  сети; 0(1) - код квадрата мгновенного значени  напр жени ,пропорционального току п се- ти.

В результате обработки одного отсчета мгновенных значений входных сигналов в регистре 8 формируетс 

удвоенное произведение мгновенного

значени  напр жени , пропорционально го току в сети, и мгновенного значени  напр жени  сети.

Как и в случае вычислени  действующих значений, перечисленные деист - ви  повтор ютс  дл  всех мгновенных значений одной выборки. Затем осуществл етс  деление результата суммировани  на N путем сдвига содержимого в регистре 8 сдвига. Так как при обработке каждого отдельного отсчета в регистре 8 сдвига получалось удвоенное произведение мгновенных значе-

5

5 0 5 0

5

0

5

0 5

мин напр жени  сети и напр жени , пропорционально о току в сети, то необходимо произнести деление суммы еще на два путем сдвиги на один разр д . При этом на четырнадцатом выходе ПЗУ 16 устанавливаетс  сигнал логической единицы, в отличие от сдвига на разр дов, дл  того чтобы счетчик 17, определ ющий количество сдвигов при делении, оставалс  в исходном состо нии и не блокировал прохождение импульсов от П1 2 на лход суммировани  счетчика 15.

Окончательное вычисление результата производитс  аналогично вычислению среднего значени . При этом на дев том и дес том выходах ПЗУ 16 устанавливаетс  код, который переключает БПК 6 на работу в качестве инвертора входного кода, а АЦП 5 - на прием цифрового сигнала с выхода переноса сумматора 7. После запуска АЦП 5 13 его регистре последовательного приближени  формируетс  код результата , который в последнем такте работы перезаписываетс  в выходной регистр 9 по импульсу, поступающему с четвертого выхода ПЗУ 16. На этом процесс вычислени  -значени  активной мощности в цепи заканчиваетс 

Таким образом, предлагаемый цифровой измеритель имеет более широкие функциональные возможности по сравнению с известным, име  способность вычисл ть как средние и действующие значени  входных напр жений и тока, так и активную мощность. При этом дополнительные аппаратурные затраты незначительны . Применение АЗУ на входе измерител  позвол ет примен ть его в области как инфранизких и низких частот, так и в среднечастотной области , вплоть до сотен килогерц при точност х вычислени  перечисленных параметров около 0,1%.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Цифровой измеритель, содержащий умножитель частоты, генератор импульсов , блок управлени , счетчик объема i

   выборки, аналого-цифровой преобразователь , .блок преобразовани  кода, сумматор, регистр сдвига и выходной регистр, причем выход генератора импульсов соединен с первыми входами умножител  частоты и блока управлени , выход умножители частоты соедч- не с вторым входом блока управле- ни , вход суммировани  и выход переполнении счетчика объема выборки со единены с первым выходом, третьим входом блока ;ени  соответст- венио, входы тактировани  и управлени  аналого-цифрового преобразовател  соединены с вторым и тр гьим вы- ходами блока управлении соотло но, выход готовности анало C -u i bi.rv вого преобразовател  соединен с четвертым входом блока управлении, i .ч1 ровой вход аналого-цифрового преоб - разователп соединен с выходом пере полпенни сумматора, а информационные выходы - с входами данных блока гре- образовани  , ч-; i н выходного регистра , выходы которого  вл ютс  выход:- ми данных цифрового измерител , ш:-- ходы С ic а преобразовани  кода со единены с первыми входами сумматора, вгорье входы .со ivporo соединены с выходами регистра с,, пига, входы ко го рога соединены с выходами данных сумматора, вход тактировани  сдвигающего регистра соединен с четв.рп-г- входом блок, ) п авченн , вход ; .- гирован:1Ч  ь1ходного регистра соеди™ пен с jinniM п.гходом управлени  отличаю щ и и с   тем, что, с целью расширении его функциональных возможностей путем обеспечени  возможности вычислени  тстивгой мпп, носп в цепи сигнала переменного то-- ка, г него дополнительно ввег.счм .мь1 лотовый вьпчитатель, первый, второй и третий аналоговые запомч; ающие FUIO кн и anajiOropiM коммутатор, при 1ем

   Q Q 5 Q Q

   5

   первый вход аналогового вычитател  -- соединен с входом данных первого аналогового запоминающего блока и  вл етс  первым входом цифрового измерител  дл  напр жени , пропорционального току в сети, второй вход аналогового вычитател  соединен с входом данных второго аналогового чап )ми- лающего блока, вторым входом умно--, - 1° ь астоты и  вл етс  цторы - о- дсм щ,() J-IOBO: о тмеритеч  дл  н. пр жени  С -ТИ, ВЫХОД li .иОГО ЗОГО Bbl4HT ii- лп го и-1ен с входом данных третьего знало;ового запоминающего блока , выходы первого, гторого и тре1 ье- го jna Оговых запоминающих блоков соединены сои г .четственно с первым, вторым i третьим входами аналогового коммутатора, входы управлени  первого , второго и тр«т ji ro аг.шаговых запоминающих блоков соедине ш с шестым выходом блока управлени , седьмой пыхсд котопого соединен с входом управлени  регистра сдвига, восьмой и дев тый нкходг - соответственно с первым и вторым входами управлени  ашшоги.чого коммутатора, дес тый выход - с ходом переноса сумматора, одичнадц 1тый и двенадцатый выходы - с перлы;- , входами блока пре- ofip.-i знани  кода соответственно, п тый , тест и.1 и седьмой входы блока упплвмени   вл ютс  входами задани  ;ежчма работы цифрового измерител , а вхгт, сброса регистра сдвига подключен к выходу блока управлени , г 1,год аналогового коммутатора соеди- .MI с аналоговым ЬУОДОМ анааого- циф- pouoiо преобразовател 

   CN

   Л)

   ij

   е