ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель к измерительной техники и предназначена для быстрого измерения частоты синусоидального напряжения (измерение производится за время, меньшее полупериода) и может быть использована при создании измерительных устройств релейной защиты и автоматического управления электроэнергетическими системами.
Известно аналого-цифровое измерительное реле частоты типа РСГ-11, описанное (см. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИГФР.647526.001 Т01), принцип действия которого основан на том, что в течение периода (либо полупериода) исследуемого сигнала счетчик подсчитывает импульсы высокой частоты. Измерение частоты происходит за интервал времени, равный периоду исследуемого сигнала.
Однако это устройства имеет низкое быстродействие.
Известно измерительное реле разности частот РГР-1104 (см. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИАЕЖ.648 246.001ТО ОБК.469.581 Издание 1.), входящее в состав устройства автоматической синхронизации синхронного генератора, принцип действия которого основан на сравнении частот двух сигналов: исследуемого сигнала (напряжение синхронного генератора) и опорного сигнала (напряжение электроэнергетической системы). Это сравнение осуществляется путем интегрирования двух напряжений (исследуемого и опорного). В качестве интеграторов используются конденсаторы измерительных цепей.
Однако такое устройство имеет низкое быстродействие, обусловленное инерционностью интеграторов. Полное время измерения частоты исследуемого сигнала - не менее периода этого сигнала.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является измеритель частоты синусоидального напряжения на основе микропроцессорного
автоматического регулятора возбуждения АРВ-М (см. Электротехнический справочник, том 3. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - стр.668-670.), содержащий аналого-цифровой преобразователь, аналоговый вход которого является входом измерителя, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со входами синхронизации всех элементов измерителя, и вычислительный блок, вход которого соединен с выходом аналогово-цифрового преобразователя, а выход является выходом измерителя.
Недостатком такого измерителя является низкое быстродействие, т.к. измерение частоты происходит за интервал времени, равный периоду исследуемого сигнала.
Технической задачей полезной модели является повышение быстродействия измерителя частоты.
Это достигается тем, что в известном измерителе частоты синусоидального напряжения содержащим аналого-цифровой преобразователь, аналоговый вход которого является входом измерителя, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со входами синхронизации измерителя, и вычислительный блок, вход которого соединен с выходом аналогово-цифрового преобразователя, а выход является выходом измерителя, вычислительный блок выполнен в виде пяти микросхем буферных регистров и двух микросхем постоянной памяти, при этом три первые микросхемы буферных регистров соединены между собой последовательно, выходы аналого-цифрового преобразователя соединены со входами первой микросхемы буферного регистра, а выходы всех трех микросхем буферных регистров соединены с адресными входами первой микросхемы постоянной памяти, выходы которой соединены со входами данных четвертой и пятой микросхем буферных регистров и с одной половиной адресных входов второй микросхемы постоянной памяти, другая половина адресных входов которой соединена с выходами четвертой микросхемы буферного регистра, а выход второй микросхемы постоянной памяти соединен со входом разрешения
записи пятой микросхемы буферного регистра, выходы которой являются выходом вычислительного блока.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена схема измерителя частоты синусоидального напряжения.
Измеритель частоты синусоидального напряжения содержит генератор тактовых импульсов 1, аналого-цифровой преобразователь 2, пять микросхем буферных регистров 3-7 и две микросхемы постоянной памяти 8, 9. Генератор тактовых импульсов 1 имеет один выход. Аналого-цифровой преобразователь 2 имеет аналоговый вход А, вход синхронизации С и восьмиразрядный выход Q1-Q8. Микросхемы буферных регистров 3, 4, 5 и 6 одинаковы. Они имеют восьмиразрядный вход данных D1-D8, вход синхронизации С и восьмиразрядный выход Q1-Q8. Микросхема буферного регистра 7 имеет восьмиразрядный вход данных D1-D8, вход разрешения записи Е, вход синхронизации С и восьмиразрядный выход Q1-Q8. Микросхема постоянной памяти 8 имеет 24 адресных входа А1-А24, вход синхронизации С и восьмиразрядный выход Q1-Q8. Микросхема постоянной памяти 9 имеет 16 адресных входов А1-А16, вход синхронизации С и одноразрядный выход Q.
Выход генератора тактовых импульсов 1 соединен со входами синхронизации всех элементов измерителя: со входом С аналого-цифрового преобразователя 2, со входами С микросхем буферных регистров 3-7, со входами С микросхем постоянной памяти 8 и 9. Входом измерителя частоты синусоидального напряжения является аналоговый вход А аналого-цифрового преобразователя 2. Выходы Q1-Q8 аналого-цифрового преобразователя 2 соединены со входами данных D1-D8 микросхемы буферного регистра 3. Три буферных регистра 3, 4, 5 соединены между собой последовательно: выходы Q1-Q8 буферного регистра 3 соединены со входами данных D1-D8 буферного регистра 4, а выходы Q1-Q8 буферного регистра 4 соединены со входами данных D1-D8 буферного регистра 5. Выходы Q1-Q8 буферных регистров 3, 4, 5 соединены с адресными входами А1-А24 микросхемы постоянной памяти 8: выходы Q1-Q8 буферного регистра 3
соединены с адресными входами А1-А8, выходы Q1-Q8 буферного регистра 4 соединены с адресными входами А9-А16, а выходы Q1-Q8 буферного регистра 5 соединены с адресными входами А17-А24. Выходы Q1-Q8 микросхемы постоянной памяти 8 соединены со входами данных D1-D8 микросхем буферных регистров 6 и 7, а также с адресными входами А1-А8 микросхемы постоянной памяти 9. Адресные входы А9-А16 микросхемы постоянной памяти 9 соединены с выходами Q1-Q8 микросхемы буферного регистра 6. Выход Q микросхемы постоянной памяти 9 соединен с входом разрешения записи Е микросхемы буферного регистра 7. Выходы Q1-Q8 микросхемы буферного регистра 7 являются выходами измерителя частоты синусоидального напряжения.
Измеритель частоты синусоидального напряжения работает следующим образом.
3
Генератор тактовых импульсов 1 формирует импульсы через равные интервалы времени Δt. На аналоговый вход А аналого-цифрового преобразователя 2 поступает измеряемое синусоидальное напряжение. Аналогово-цифровой преобразователь 2 работает в ждущем режиме. Генератор тактовых импульсов 1 подает импульсы на вход синхронизации С аналого-цифрового преобразователя 2. Срабатывание аналого-цифрового преобразователя 2 происходит по переднему фронту этих импульсов. В результате на выходах Q1-Q8 аналого-цифрового преобразователя 2 в дискретные моменты времени формируются числа (двоичные коды) - это отсчеты измеряемого синусоидального напряжения. Запись чисел в микросхемы буферных регистров 3, 4, 5 происходит по переднему фронту импульсов генератора тактовых импульсов 1. При этом в микросхему буферного регистра 3 записывается текущее число с выхода аналого-цифрового преобразователя 2, затем это число перезаписывается в микросхему буферного регистра 4 и далее в микросхему буферного регистра 5. В результате в текущий момент времени в микросхемах буферных регистров 3, 4, 5 будут записаны следующие дискретные значения измеряемого синусоидального напряжения: в микросхеме буферного регистра 3 записано текущее значение U,
2
1
2
1
2
3
в микросхеме буферного регистра 4 записано предыдущее значение U, а в микросхеме буферного регистра 5 записано значение U, предшествующее значению U. Эти значения (U, U, U) образуют адрес ячейки памяти микросхемы постоянной памяти 8.
Микросхема постоянной памяти 8 имеет объем памяти 16 Мбайт×1байт. В ячейки памяти этой микросхемы предварительно записаны числа, которые определяются одним из двух приведенных ниже выражений:
где π=3,1415,
Т - период работы генератора тактовых импульсов 1,
1
U - число, поданное на адресные входы А1-А8 микросхемы постоянной памяти 8,
2
U - число, поданное на адресные входы А9-А16 микросхемы постоянной памяти 8,
3
U - число, поданное на адресные входы А17-А24 микросхемы постоянной памяти 8.
В приведенных выражениях квадратные скобки означают целую часть вычислений (дробная часть отбрасывается). Если в приведенных выражениях оказывается нуль в знаменателях дробей, то во все биты ячейки памяти по соответствующему адресу записываются единицы.
1
2
3
1
2
3
24
6
Каждое из чисел U, U, U изменяется в диапазоне от 0 до 255. Подставив в выражение (1), либо (2) все возможные комбинации чисел U, U, U(число таких комбинаций равно 2≈16·10), получаем массив чисел, который и записывается в микросхему постоянной памяти 8. Таким образом, микросхема постоянной памяти 8 запрограммирована на вычисление результата по одному из выражений: (1) или (2).
При появлении высокого уровня напряжения (т.е. логической 1) на входе синхронизации С микросхемы постоянной памяти 8, на ее выходе возникнет результат вычисления одного из указанных выражений.
Прежде, чем выдать этот результат на выход измерителя частоты синусоидального напряжения, производится коррекция этого результата. На входы данных D1-D8 микросхемы буферного регистра 6 поступает число с выхода микросхемы постоянной памяти 8. Запись числа в микросхему буферного регистра 6 происходит по переднему фронту импульсов генератора тактовых импульсов 1, а изменение числа на выходе микросхемы постоянной памяти 8 происходит уже после переднего фронта генератора тактовых импульсов 1 (когда значение этого импульса станет равно логической 1). В результате в микросхеме буферного регистра 6 оказывается записано предыдущее выходное значение микросхемы постоянной памяти 8. На адресные входы микросхемы постоянной памяти 9 поступают два числа: текущее и предыдущее значение выхода микросхемы постоянной памяти 8.
Микросхема постоянной памяти 9 имеет объем памяти 64 кбайтх1бит. В ячейки памяти этой микросхемы предварительно записаны числа, которые определяются следующим условием: если число, поданное на адресные входы А1-А8 этой микросхемы, отличается по абсолютной величине от числа, поданного на адресные входы А9-А16 более чем на 2, то в ячейку памяти по соответствующему адресу, записывается 0. Если же различие между указанными числами по абсолютной величине не превышает 2, то в ячейку памяти записывается 1.
Таким образом, микросхема постоянной памяти 9 запрограммирована на сравнение двух указанных чисел. Если различие между этими числами по абсолютной величине не превышает числа 2, то на выходе Q микросхемы постоянной памяти 9 формируется логическая 1, которая поступает на вход разрешения записи Е микросхемы буферного регистра 7. Если на вход разрешения записи Е микросхемы буферного регистра 7 подано напряжение высокого уровня (логическая единица), то запись в эту микросхему новых данных разрешена. В противном случае (на входе Е этой микросхемы присутствует напряжение низкого уровня, т.е. логический нуль) запись запрещена. Это означает, что в микросхему буферного регистра 7 не будут записаны новые данные, поэтому состояние выходов Q1-Q8 этой микросхемы не изменится. Запись числа в микросхему буферного регистра 7 происходит по заднему фронту импульсов генератора тактовых импульсов 1 при наличии логической 1 на входе Е этой микросхемы. В результате на выходе измерителя частоты синусоидального напряжения (это выход микросхемы буферного регистра 7) возникнет новый результат. Если на выходе Q микросхемы постоянной памяти 9 будет логический О, то запись нового числа в микросхему буферного регистра 7 запрещена. Это означает, что число на выходе микросхемы буферного регистра 7 не изменится. Соответственно не изменится и выходное значение измерителя частоты синусоидального напряжения. В следующем периоде генератора тактовых импульсов 1 все процессы повторяются.
Использование полезной модели обеспечивает увеличение быстродействие измерения частоты синусоидального напряжения.