Цифровий трифазний генератор полігармонічних сигналів

1 MKB5H03B 27/00 ЦИФРОВИЙ ТРИФАЗНИЙ ГЕНЕРАТОР ПОЛІГАРМОШЧНИХ СИГНАЛІВ Винахід відноситься до електровимірювальної техніки і може бути використаний для калібрування та налагодження вимірювальних перетворювачів електричних величин промислової електромережі (активна та реактивна потужності, діючі значення струмів та напруг, тощо). Відомий цифровий трифазний генератор, який має у своєму складі процесорний пристрій, генератор тактових імпульсів, джерело опорної напруги, перший і другий лічильники, цифровий компаратор, регістр адреса і регістр масштабу, цифроаналоговий перетворювач (ЦАП) опорної напруги і три канали формування напруги (А. С. СССР № 1343540, МКВ НОЗВ 27/00, від 7.10.87, бюл. № 37). Точність даного цифрового генератора визначається сумою похибок ЦАП опорної напруги, ЦАП миттєвого значення вихідного^сигнала і вихідних підсилювачів. Найбільш близьким до пропонованого є трифазний генератор полігармошчних сигналів (патент України на винахід № 23111), який містить процесорний пристрій, оперативний запам'ятовуючий пристрій, генератор тактових імпульсів, лічильник адреси, джерело опорної наруги, цифро-аналоговий перетворювач опорної напруги, багатоканальний цифро-аналоговий перетворювач, три підсилювачі напруги і три підсилювачі струму, три перетворювачі напруга-напруга і три перетворювачі струмнапруга, аналоговий комутатор, аналого-цифровий перетворювач, причому вхідний порт процесорного пристрою з'єднаний з виходами аналого-цифрового перетворювача, а його вихідний порт — із входами регістра масштабу і оперативного запам'ятовуючого пристрою, виходи якого під'єднані до входів багатоканального цифро-аналогового перетворювача, виходи лічильника адреса під'єднані до адресних входів оперативного запам'ятовуючого пристрою, а три молодші адресні лінії також з'єднані з входами вибору канала багатоканального цифро-аналогового перетворювача, виходи якого під'єднані до входів відповідних підсилювачів напруги і струму, виходи регістра масштабу з'єднані з входами цифро-аналогового перетворювача опорної напруги, вихід якого під'єднаний до входу опорної напруги багатоканального цифро-аналогового перетворювача, вігхід джерела опорної напруги з'єднаний з входом опорної напруги цифро-аналогового перетворювача опорної напруги і входом аналогового комутатора, інший вхід якого під'єднаний до лінії 0В, входи перетворювачів напруга-напруга і струм-напруга з' єднані з виходами відповідних підсилювачів напруги і струму, а їх виходи під'єднані до входів аналогового комутатора. 2 Точність відомого трифазного цифрового генератора крім розрядності ЦАП, що використовуються при формуванні миттєвого значення вихідного сигналу, також визначається роздільною здатністю аналого-цифрового перетворювача, що входить до кола зворотнього зв'язку і використовується для визначення з метою корекції похибок ЦАП опорної напруги, ЦАП миттєвих значень вихідних сигналів і вихідних підсилювачів. Розрахункове значення напруги вихідного сигнала U в цифровому трифазному генераторі описується наступним співвідношенням: Д (1) N D N D де UR - опорна напруга; N і ND - біжучий і максимальний код ЦАП опорної напруги; N і ND - біжучий і максимальний код ЦАП миттєвого значення, Зформована в відомому цифровому трифазному генераторі згідно виразу (1) вихідна напруга U2 буде відрізнятися відфозрахункового значення внаслідок впливу похибок ЦАП опорної напруги, ЦАП миттєвого значення вихідного сигнала і відповідного вихідного підсилювача: U2 = U+e2l № де є 2 - похибка формування напруги вихідного сигналу. Для визначення і корекції неточності встановлення вихідного сигналу в відомому генераторі використовується коло зворотнього зв'язку Очевидно, що похибки формування вихідної напруги будуть визначатися і корегуватися з точністью до половини молодшого розрада АЦП, що входить до складу кола зворотнього зв'язку: Е 2 ± , ф де UM - максимальна вхідна напруга АЦП; NA - максимальний код АЦП. Якщо ЦАП і АЦП, які використовуються в відомому генераторі, мають однакову розрядність, тобто ND ~ Np = NA = ND і враховуючи, що максимальна вхідна напруга АЦП відповідає максимальній напрузі вихідного сигнала, яка встановлюється при N =N =N D, то можна вважати, що U^ =U^, і для вихідної напруги U2 відомого цифрового трифазного генератора отримаємо; з Відносна похибка формування вихідної напруги постійного рівня 82 в відомому цифровому трифазному генераторі становить: ND U 2NN Оскільки біжучі значення N (t) змінюються синусоподібно, тобто: 5-,= Sin ®t , (5) ' (б) де IN A - код амплітуди вихідного сигналу; © - кругова частота вихідного сигналу, то середньоквадратичне значення напруги вихідного сигналу t?2 за період повторення Т в відомому цифровому трифазному генераторі визначається виразом: і (7) Після спрощень отримаємо: Враховуючії, що розрахункове середньоквадратичне значення напруги вихідного сигналу 0 становить: 0 = —-^N'NA, (9) V2 N|j то відносна похибка формування діючої напруги в відомому генераторі су 2 рівна: 1 A З виразів (5) і (10) видно, що в відомому цифровому генераторі похибки формування вихідних сигналів залежать від масштабу, в якому виконується їх генерація, і при малому значенні амплітуди вихідних сигналів значно зростають. Крім того, в відомому генераторі полігармонічних сигналів використовується недосконалий принцип регулювання довжини періоду вихідних сигналів за рахунок зміни кількості миттєвих значень вихідних сигналів, які використовуються на протязі періоду для іх формування. Внаслідок цього, якщо період генерації вихідних сигналів зменшується, то точність відтворення їх інтегральних параметрів також зменшується. В основу винаходу поставлене завдання створити цифровий трифазний генератор полігармонічних сигналів, в якому введення нових елементів та взаємозв'язків, дозволило б підвищити точність формування трифазних полігармонічних сигналів і за рахунок цього більш точно налагоджувати і калібрувати вимірювальні перетворювачі електричних величин промислової електромережі. 4 Поставлене завдання досягається за рахунок того, що цифровий трифазний генератор полігармонічних сигналів, який має у своєму складі процесорний пристрій, оперативніш запам'ятовуючий пристрій, генератор тактових імпульсів, лічильник адреси, джерело опорної наруги, цифро-аналоговий перетворювач опорної напруги, багатоканальний цифро-аналоговий перетворювач, три підсилювачі напруги і три підсилювачі струму, три перетворювачі напруга-напруга і три перетворювачі струмнапруга, аналоговий комутатор, аналого-цифровий перетворювач, причому вхідний порт процесорного пристрою з'єднаний з виходами аналого-цифрового перетворювача, а його вихідний порт — із входами регістра масштабу і оперативного запам'ятовуючого пристрою, виходи якого під'єднані до входів багатоканального цифро-аналогового перетворювача, виходи лічильника адреси під'єднані до адресних входів оперативного запам'ятовуючого пристрою, виходи багатоканального цифроаналогового перетворювача під'єднані до входів відповідних підсилювачів напруги і струму, виходи регістра масштабу з'єднані з входами цифро-аналогового перетворювача опорної напруги, вихід якого під'єднаний до входу опорної напруги багатоканального цифро-аналогового перетворювача, вихід джерела опорної напруги з'єднаний з входом опорної напруги цифро-аналогового перетворювача опорної напруги і входом аналогового комутатора, інший вхід якого під'єднаний до лінії ОВ, входи перетворювачів напруга-напруга і струм-напруга з'єднаю з виходами відповідних підсилювачів напруги і струшу, а їх виходи під'єднані до входів аналогового комутатора, згідно винаходу, додатково містить регістр коефіцієнта ділення опорної частоти, лічильник-подільник опорної частоти, лічильник каналу, операційний підсилювач і цифро-аналоговий перетворювач зворотього зв'язку, причому вихідний порт процесорного пристрою додатково з'єднаний з входами регістра коефіцієнта ділення опорної частоти, виходи якого під'єднані до входів початкової загрузки лічильника-подільннка опорною частоти, тактовий вхід лічильника-подільника опорної частоти з'єднаний з виходом генератора тактових імпульсів* а вихід переповнення під'єднаний до власного входу дозволу запису, до тактового входу лічильника адреси і до тактового входу лічильника каналу, виходи якого з'єднані з входами вибору каналу багатоканального цифро-аналогового перетворювача, виходи регістра масштабу додатково з'єднані з входами цифро-аналогового перетворювача зворотнього зв'язку, вихід якого під'єднаний до інвертуючого входа операційного підсилювача, вихід аналогового комутатора з'єднаний з неінвертуючим входом операційного підсилювача, вихід якого під'єднаний до входу опорної напруги цифроаналогового перетворювача зворотнього зв'язку і до входу аналого-цифрового перетворювача. 5 За рахунок введення нових елементів та взаємозв'язків одержана можливість підвищити точність формування трифазних полігармонічних сигналів і, за рахунок цього, усунути залежність похибок їх генерації від масштабу і періодувихідних сигналів, що в свою чергу дає можливість більш точно налагоджувати і калібрувати вимірювальні перетворювачі електричних величин промислової електромережі. На фіг, представлена функціональна схема пропонованого цифрового трифазного генератора полігармонічних сигналів. Цифровий трифазний генератор полігармонічних сигналів мас в своєму складі процесорний пристрій 1, оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП) 2, регістр коефіцієнта ділення опорної частоти 3, регістр масштабу 4, лічильник-подільник тактової частоти 5, генератор тактових імпульсів 6, лічильник адреси 7, лічильник каналу 8, багатоканальний ЦАП 9, ЦАП опорної напруги 10, ЦАП зворотнього зв'язку 11, джерело опорної напруги 12, аналоговий комутатор 13, операційний підсилювач 14» АЦП 15, три підсилювачі напруги 16, 17, 18, три підсилювачі струму 19, 20, 21, три перетворювачі напруга-напруга 22, 23, 24 і три перетворювачі струм-напруга 25, 26, 27. Двонаправленний порт даних процесорного пристрою з'єднаний із входами даних ОЗП 2, регістра коефіцієнта ділення опорної частоти 3 і регістра масштабу 4. Виходи регістра коефіцієнта ділення опорної частоти 3 з'єднані із входами данних лічильникаподільника опорної частоти 5, тактовий вхід якого під'єднаний до виходу генератора тактових імпульсів 6. Вихід переповнення лічильника-подільника опорної частоти 5 під'єднаний до власного входу дозволу запису і до тактових входів лічильника адреси 7 та лічильника каналу 8, виходи яких під'єднані відповідно до адресних входів ОЗП 2 та до входів вибору каналу багатоканального ЦАП 9. Виходи ОЗП 2 з'єднані з входами данних багатоканального ЦАП 9, вхід опорної напруги якого під'єднаний до виходу ЦАП опорної напруги 10. Виходи данних регістра масштабу 4 з'єднані з входами даних ЦАП опорної напруги 10 і ЦАП зворотнього зв'язку 11, Вихід джерела опорної напруги 12 з'єднаний з входом опорної напруги ЦАП опорної напруги 10 і входом аналогового комутатора 13, інший вхід якого під'єднаний до лінії 0В. Вихід аналогового комутатора 13 з'єднаний з неінвертуючим входом операційного підсилювача 14, інвертуючий вхід якого з'єднаний з ЦАП зворотнього зв'язку 11, Вихід операційного підсилювача 14 з'єднаний із входом опорної ЦАП зворотнього зв'язку 11 і з входом АЦП 15, виходи данних якого під'єднані до входів порту данних процесорного пристрою І. Виходи багатоканального ЦАП 9 з'єднані з входами підсилювачів напруги 16, 17,18 і струму 19, 20, 21, виходи яких під'єднані відповідно до входів перетворювачів напруга-напруга 22, 23, 24 і струм-напруга 25, 26, 27, Входи перетворювачів напруга-напруга 22, 23, 24 і струм-напруга 25, 26, 27 з'єднані з входами аналогового комутатора 13. 6 При реалізації даного цифрового трифазного генератора полігармонічних сигналів в якості процесорного пристрою 1 використовується ПЕОМ типу IBM PC. Оперативний запам'ятовуючий пристрій 2 виконується на основі м/с 537РУ10, регістр коефіцієнта ділення опорної частоти З і регістр масштабу 4 — на м/с КР580ИР82. Генератор тактових імпульсів 6 виконується по схемі (В. Л. Шило. П опулярные цифровые микросхемы: Справочник. — М. : Радио и связь, 1988, с. 51, рис. 1.30а) на основі м/с К155ЛН1, Лічильник-подільник тактових імпульсів 5, лічильник" адреси 7 і лічильник каналу 8 виконані на основі м/с К155ИЕ6. Багатоканальний ЦАП 9 виконується на основі двох паралельно включених м/с AD664, ЦАП опорної напруги 10 і ЦАП зворотнього зв'язку 11 побудовані на основі м/с AD7545. В якості джерела опорної напруги 12 використовується м/с AD780BN. Аналоговий комутатор 13 виконується на основі м/с 590КН6, операційний підсилювач 14 — на м/с 544УД2, АІШ15 — нам/сАО7892. Підсилювачі напруги 16, 27, І8 виконуються по схемі (В.И.Щербаков, Г.И.Гроздов. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. — К.: Техніка, 1988, с. 133, рис. 7.13.) з включенням на їх виходах трансформаторів напруги. Підсилювачі струму 19, 20, 21 виконуються по схемі (В.И.Щербаков, Г.И.Гроздов, Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. — К.: Тєхніка, 1988, с. 133, рис. 7.13.) з включенням на їх виходах трансформаторів струму. Перетворювачі напруга-напруга 22, 23, 24 побудовані на трансформаторах напругу з включенням на їх виходах повторювачів напруги на операційних підсилювачах, Перетворювачі струмнапруга 25, 26, 27 виконуються на трансформаторах струму, вихідні обмотки яких закорочені резисторами. Запропонований цифровий трифазний генератор полігармонічник сигналів працює під управлінням процесорного пристрою 1. На фіг. не показані службові вузли і взаємозв'язки, які використовуються для організації цифро-аналогового і аналогоцифрового перетворень та забезпечують двонаправленний зв'язок з процесорним пристроєм 1 і загальну синхронізацію генератора. Для формування вихідних полігармонічних сигналів напруги та струму цифровий трифазний генератор необхідно встановити в початковий стан. В регістр коефіцієнта ділення опорної частоти 3 записується початкове значення NT лічильника-подільника опорної частоти 5, яке заноситься в нього на початку кожного періода генерації вихідних сигналів. В регістр масштабу 4 записується значення коефіцієнта N , який визначає величину напруги, що поступає на вхід опорное напруги багатоканального цифро-аналогового перетворювача 9. 7 За допомогою процесорного блоку 1 (ПЕОМ) формуються розрахункові миттєві значення вихідних сигналів {Uj}. Вони можуть бути обчислені по заданим математичним формулам, введені з клавіатури, зчитані з попередньо подготовленного файла або зформовані іншим чином. Отримані дані записуються в ОЗП 2 в порядку, який відповідає послідовності звертань до каналів багатоканального ЦАП 9 з метою запису в їх вхідні регістри миттєвих значень вихідних сигналів, і дається дозвіл на генерацію трифазних напруг і струмів. Функціонування цифрового трифазного генератора полігармонічних сигналів відбувається наступним чином. Генератор тактових імпульсів 6 формує послідовність тактових імпульсів, які поступають на тактовий вхід лічильника-подільника опорної частоти 5, вихід переповнення якого з'єднаний з власним входом дозволу запису і з тактовими входами лічильника адреси 7 та лічильника каналу 8, Таким чином, коефіцієнт перерахунку k лічильника-лодільника опорної частоти 5 становить; k= c , (II) NN' * де Nc - максимальне початкове значення, що може бути записане в лічильникподільник опорної частоти 5, визначається його розрядністкх Враховуючи, що на тактовий вхід лічильника адреси 7 поступають імпульси переповнення лічильника-подільника опорної частоти 5, то період генерації вихідних сигналів Т рівний: Т = « ^ , (12) де f - опорна частота, що формується генератором тактових імпульсів б; Nn - кількість миттєвих значень вихідного сигналу одного канала. Коефіцієнт перерахунку лічильника адреси 7 рівний загальній кількості миттєвих значень вихідних сигналів всіх каналів — 6 Nn. Лічильник каналу 8 визначає вхідний регістр каналу багатоканального ЦАП, в який буде виконуватись запис біжучого миттєвого значеня вихідного сигналу, і його коефіцієнт перерахунку рівний 6. На виході джерела опорної напруги І 2 формується стабільна напруга, яка поступає на вхід опорної напруги ЦАП опорної напруги 10. На виході ЦАП опорної напруги 10 встановлюється напруга пропорційна кодуг4\ який записаний в pericTf масштабу 4. З ОЗП 2 згідно адреси, що встановлена на виході лічильника адреси 7 зчитується біжуче миттєве значення вихідного сигналу і записується в регістр каналу багатоканального ЦАП 9, номер якого встановлений на виході лічильника каналу 8, Напруга з виходу біжучого каналу поступає на відповідний підсилювач напруг' 16, 17, 18 або струму 19, 20, 21, Очевидно, що сигнал, який зформований на вихо; ' 8 цифрового трифазного генератора, буде відрізнятися від свого розрахункового значення внаслідок впливу похибок ЦАП опорної напруги 10, багатоканального ЦАП-9 і відповідного вихідного підсилювача напруги 16, 17, 18 або струму 19, 20, 21. Для виявлення з метою подальшої компенсації неточностей формування вихідного сигналу використовується коло зворотнього зв'язку. К°Д ^ADC * який отримується на виході АЦП, містить в собі мультиплікативну і адитивну складові похибки АЦП. Для їх компенсації виконується аналого-цифрове перетворення стабільних відомих напруг — опорної напруги UR і напруги 0В. Тобто: де NR - код, що формується при аналого-цифровому перетворенні напруги UR; NQB - код, що формується при аналого-цифровому перетворенні напруги 0В. Процесорний пристрій 1 порівнює отримані на виході АЦП і 5 миттєві значення вихідних сигналів І/ц з відповідними розрахунковими миттєвими значеннями Uj і при необхідності виконує їх корекцію: иш=2и,-и,„ ' (14) де Uj^ - зкореговане миттєве значення вихідного сигналу. Відкоректовані миттєві значення вихідних сигналів JU^} записуються в ОЗП 2 і дається дозвіл на формування більш точних вихідних сигналів. Очевидно, що миттєві значення вихідних сигналів будуть визначатися І відповідно корегуватися з точністю, яка залежить від роздільної здатності АЦП 15. По аналогії з (1) та (2) для напруги вихідного сигналу Uj пропонованогс цифрового трифазного генератора можна записати: U, =U + e, де EJ - похибка формування вихідного сигналу в пропонованому генераторі. (IS Вихідний сигнал подається на відповідний перетворювач напруга-напруга 22, 2.' 24 або струм-напруга 25, 26, 27, з виходу якого через аналоговий комутатор 13 постуга на неінвертуючий вхід операцшного підсилювача 14. З врахуванням того, п: інвертуючий вхід операцшного підсилювача 14 з'єднаний з виходом ЦАП зворотньої зв'язку II, а вихід під'єднаний до входу АЦП 15, то для вхідної напруги АЦП 15 ІІдр можна записати: UADC=T(U,-U) де у - власний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача 14; U - напруга, що подається на інвертуючий вхід операцшного підсилювача 14, (І Так, як вихід операційного підсилювача І 4 також з'єднаний з входом опорної напруги ЦАП зворотнього зв'язку 11, то: ^ (17) Враховуючи, що власний коефіцієнт підсилення у операційного підсилювача 14 має велике значення, то можна вважати, що на інвертуючому вході операційного підсилювача 14 встановлюється напруга рівна напрузі, що поступає на його иеінвертуючий вхід і для вхідної напруги АЦП 15 идгх; можна записати: § . (18) N Останнє співвідношення означає, що вихідний сигнал аналогового комутатора 15 підсилюється в —~~ раз, що в свою чергу відповідає зростанню роздільної здатності N N' АЦП 15, або зменшенню в ---- раз похибки визначення значення вихідного сигналу: N Таким чином, для напруги вихідного сигналу можна записати: Відносна похибка формування вихідної напруги постійного рівня і пропонованому генераторі 5j становить: і (21 U 2N По аналоги з (8) для середньоквадратичного значення напруги вихідного сигнаї пропонованого цифрового трифазного генератора отримаємо: Враховуючи (9) для відносної похибки формування діючої напруги пропонованому генераторі Gj отримаємо: ст 0,-0 і =—к— ГТ 10 З аналізу співвідношень (21) і (23) видно» що в пропонованому цифровому трифазному генераторі похибки формування вихідних сигналів постійні і не залежать від масштабу, в якому виконується їх генерація. Порівняємо відносні похибки формування в відомому І пропонованому цифрових трифазних генераторах ВИХІДНОЇ напруги постійного рівня: 3 2 ^ ND . 1 = ND 5 t 2NN'' '2N'' N (24) а також відносні похибки формування діючого значення напруги гармонічного вихідного сигналу: NN A ) 2NA Очевидно, що розглянута методика оцінки точності формування синусоподібних вихідних сигналів справедлива також і при визначенні точності генерації полігармошчних вихідних сигналів, які складаються з суми синусоподібних сигналів, періоди повторення яких кратні між собою. Оцінимо зростання точності формування вихідної напруги при типових значеннях • 1 параметрів— N =Np і N A =2000 : |1 = 2 і ^« 4 {2Є) Таким чином, в пропонованому цифровому трифазному генераторі похибки формування вихідних сигналів не залежать від масштабу, в якому вони генеруються, в також в 2 рази зросла точність формування вихідної напруги постійного рівня і в 4 разі зросла точність формування діючої напруги полігармонічних сигналів. Крім цього, в пропонованому цифровому трифазному генераторі точніст формування діючої напруги полігармошчних сигналів не залежить від довжини період їх генерації за рахунок того, що цифро-аналогове перетворення вихідної напруг Заявники: виконуються на основі постійної кількості миттєвих значень. О.М.Дороніна; Г.М.Лавров; Р.С.Паньків; С.В.Хомич; Державний університет Птюоектор ДУ " "Львівська політехніка" С.А. ВОРОНОВ ЦИФРОВИЙ ТРИФАЗНИЙ ГЕНЕРАТОР ПОЛІГ АРМОНІЧНИХ СИГНАЛІВ Автори* О М Дороніна; Г. М. Лавров; Р. С Паньків; С. В. Хомич