(12) OPIS PATENTOWY (19) PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITAPOLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) IntCl6: G01R 19/252 (54) Woltomierz cyfrowy napięcia stałego i zmiennego z autodiagnostyką (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUR 04/95 (73) Uprawniony z patentu: Przemysłowy Instytut Elektroniki, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/98 (72) Twórcy wynalazku: Marek Gonera, Warszawa, PL Bogusław Jackiewicz, Warszawa, PL Paweł Studziński, Warszawa, PL PL B1 (57) Woltomierz cyfrowy napięcia stałego i zmiennego z autodiagnostyką, wyposażony we wzmacniacze napięcia stałego i zmiennego, przetwornik mierzonego napięcia zmiennego na stałe, przetw ornik analogowocyfrow y, źródło napięcia odniesienia, mikroprocesor, oraz sterowane tym mikroprocesorem przełączniki przełączające rodzaj mierzonego napięcia, znamienny tym, że zawiera dwa dodatkowe przełączniki, sterowane sygnałami z wyjść cyfrowych (SP) mikroprocesora (SM), z których pierwszy (PZ) łączy wyjście źródła napięcia odniesienia (ZN) przetwornika analogowo-cyfrowego (AC) bezpośrednio z wejściem wzmacniacza napięcia stałego (AS), a drugi (PW), łączy wyjście źródła napięcia odniesienia (ZN) za pośrednictwem przetwornika napięcia stałego na zmienne (GZ) z wejściem wzmacniacza napięcia zmiennego (AZ). F ig 1

2 Woltomierz cyfrowy napięcia stałego i zmiennego z autodiagnostyką Zastrzeżenie patentowe Woltomierz cyfrowy napięcia stałego i zmiennego z autodiagnostyką, wyposażony we wzmacniacze napięcia stałego i zmiennego, przetwornik mierzonego napięcia zmiennego na stałe, przetwornik analogowo-cyfrowy, źródło napięcia odniesienia, mikroprocesor, oraz sterowane tym mikroprocesorem przełączniki przełączające rodzaj mierzonego napięcia, znamienny tym, że zawiera dwa dodatkowe przełączniki, sterowane sygnałami z wyjść cyfrowych (SP) mikroprocesora (SM), z których pierwszy (PZ) łączy wyjście źródła napięcia odniesienia (ZN) przetwornika analogowo-cyfrowego (AC) bezpośrednio z wejściem wzmacniacza napięcia stałego (AS), a drugi (PW), łączy wyjście źródła napięcia odniesienia (ZN) za pośrednictwem przetwornika napięcia stałego na zmienne (GZ) z wejściem wzmacniacza napięcia zmiennego (AZ). * * * Przedmiotem wynalazku jest woltomierz cyfrowy napięcia stałego i zmiennego, przystosowany do realizacji procedur autodiagnostycznych, zapewniających możliwość automatycznego sprawdzania podstawowych parametrów poszczególnych bloków funkcjonalnych przyrządu i lokalizację ich ewentualnych niesprawności. Współczesne woltomierze cyfrowe przystosowane do pomiaru napięcia stałego i zmiennego (multimetry cyfrowe) są złożonymi przyrządami, zawierającymi szereg bloków funkcjonalnych, takich jak wzmacniacze napięcia stałego i zmiennego, przetwornik mierzonego napięcia zmiennego na stałe, przetwornik analogowo-cyfrowy i źródło napięcia odniesienia. Działaniem takich woltomierzy z reguły sterują mikroprocesory, przełączając za pośrednictwem elektromechanicznych lub półprzewodnikowych przełączników wzajemne połączenia poszczególnych bloków, co zapewnia przystosowywanie przyrządów do pomiarów wybranych przez operatora wielkości. W złożonych cyfrowych przyrządach pomiarowych istotny problem stanowi wykrywanie i lokalizacja ewentualnych niesprawności. Znane metody autodiagnostyki przetworników analogowo-cyfrowych, przedstawione m. in. w patentach USA o numerach , i rozwiązują problem sprawdzania liniowości i monotoniczności charakterystyk tych bloków funkcjonalnych. Jednak automatyczne sprawdzanie i lokalizacja niesprawności uniwersalnych woltomierzy cyfrowych (multimetrów), zawierających oprócz przetworników analogowo-cyfrowych również inne bloki funkcjonalne, pozostaje nadal otwartym problemem. Przedmiotem wynalazku jest woltomierz cyfrowy napięcia stałego i zmiennego z autodiagnostyką, zawierający oprócz przełączników przełączających rodzaj mierzonego napięcia dwa dodatkowe przełączniki, sterowane sygnałami z wyjść cyfrowych mikroprocesora. Pierwszy z tych dodatkowych przełączników łączy wyjście źródła napięcia odniesienia przetwornika analogowo-cyfrowego bezpośrednio z wejściem wzmacniacza napięcia stałego, a drugi łączy wyjście źródła napięcia odniesienia za pośrednictwem przetwornika napięcia stałego na zmienne z wejściem wzmacniacza napięcia zmiennego, doprowadzając sygnały wzorcowe do wewnętrznych węzłów woltomierza, co jest niezbędnym warunkiem realizacji procedur diagnostycznych. Główną zaletą woltomierza według wynalazku jest możliwość wykorzystywania do celów autodiagnostyki istniejących w przyrządzie bloków i podzespołów. Jedynymi dodatkowymi elementami, o które należy uzupełnić układ woltomierza w celu realizacji procedur diagnostycznych, są dwa elektroniczne lub elektromechaniczne przełączniki oraz przetwornik stałego napięcia odniesienia na napięcie zmienne o określonej wartości skutecznej, który w najprostszym przypadku może być zestawiony z paru typowych elementów.

3 Przykład wykonania wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 zawiera uproszczony schemat blokowy woltomierza napięcia stałego i zmiennego, a fig. 2 reprezentuje bardziej szczegółowy układ połączeń jednej z możliwych realizacji przetwornika stałego napięcia odniesienia na napięcie zmienne, niezbędnego do wykonania tego woltomierza. Przedstawiony na fig. 1 woltomierz zawiera wzmacniacze napięcia stałego AS i zmiennego AZ, przetwornik mierzonego napięcia zmiennego na stałe AD oraz, przetwornik analogowo-cyfrowy AC. Przetwornik analogowo-cyfrowy posiada dwa wejścia: wejście mierzonego sygnału ES połączone z wyjściem wzmacniacza AS i wejście sygnału odniesienia EO do którego dołączone jest źródło napięcia odniesienia ZN. Działaniem woltomierza zarządza mikroprocesor SM, sterując za pośrednictwem swoich wyjść cyfrowych SP przełącznikami PA, PB, PC, łączącymi poszczególne bloki przyrządu ze sobą i z zaciskami wejściowymi WE. Mikroprocesor SM posiada również wejścia cyfrowe SE, umożliwiające odczytywanie stanu sygnałów zewnętrznych, wprowadzanych przez operatora przyrządu. Do celów autodiagnostycznych układ woltomierza uzupełniono o dwa dodatkowe przełączniki PZ i PW sterowane sygnałami z wyjść cyfrowych SP mikroprocesora SM, oraz przetwornik napięcia stałego na zmienne GZ, przetwarzający stały sygnał odniesienia ze źródła ZN na sygnał zmienny o określonej wartości skutecznej. Szczegółowy układ połączeń prostej realizacji przetwornika napięcia stałego na zmienne przeznaczonego do woltomierza według wynalazku przedstawiono na fig. 2. Napięcie stałe ze źródła napięcia odniesienia ZN przetwornika analogowo-cyfrowego jest okresowo kluczowane z częstotliwością F za pomocą tranzystorowego klucza K i po oddzieleniu składowej stałej przez kondensator C tworzy sygnał prostokątny o amplitudzie równej połowie napięcia źródła ZN. Uzupełnienie układu stanowi rezystor R, którego wartość powinna być znacznie mniejsza od rezystancji klucza K w stanie wyłączonym i znacznie większa od rezystancji tego klucza w stanie włączonym. Podczas realizacji funkcji pomiarowych, działaniem woltomierza steruje program, zawarty w półprzewodnikowej pamięci stałej mikroprocesora SM. Zgodnie z tym programem mikroprocesor za pośrednictwem swoich wyjść cyfrowych SP włącza lub wyłącza odpowiednie przełączniki PA, PB i PC, przystosowując połączenia poszczególnych bloków przyrządu do wykonywania wybranej przez operatora funkcji pomiarowej. Podczas pomiaru napięcia stałego przełącznik PA łączy wejście wzmacniacza napięcia stałego AS bezpośrednio z zaciskami wejściowymi przyrządu W E, a podczas pomiaru napięcia zmiennego przełączniki PB i PC łączą wejście wzmacniacza napięcia stałego z zaciskami wejściowymi za pośrednictwem wzmacniacza napięcia zmiennego A Z i przetwornikiem mierzonego napięcia zmiennego na stałe AD. Program sterujący realizacją funkcji pomiarowych woltomierza okresowo sprawdza stany wejść cyfrowych SE mikroprocesora SM. Po wykryciu ustalonej kombinacji stanów tych wejść, traktowanej jako zgłoszenie przez operatora życzenia przeprowadzenia diagnostyki, wykonywanie funkcji pomiarowych jest zawieszane i mikroprocesor rozpoczyna realizację specjalnego programu diagnostycznego, w ramach którego sprawdza działanie poszczególnych bloków przyrządu. Po sprawdzeniu (z wynikiem pozytywnym) funkcjonowania samego mikroprocesora i układów interfejsu z operatorem, program realizuje sprawdzenie toru pomiaru napięcia stałego, złożonego ze wzmacniacza AS, z przetwornika analogowo-cyfrowego AC i ze źródła napięcia odniesienia ZN. W tym celu mikroprocesor, działając pod kontrolą programu diagnostycznego, wyłącza przełączniki PA i PC, włącza przełącznik PZ i ustawia współczynnik wzmocnienia wzmacniacza AS na wartość równą jedności, powodując dołączenie do wejścia sygnałowego ES przetwornika analogowo-cyfrowego AC napięcia o takiej samej wartości, jaka występuje na jego wejściu odniesienia EO. Wynik przetworzenia, odczytany z wyjść cyfrowych przetwornika AC powinien w tych warunkach wynosić , a ewentualne odchylenie od tej wartości, uzasadnione tolerancjami zastosowanych rezystorów i dzielników, powinny zawierać się w ustalonych granicach. Przekroczenie tych granic świadczy o niesprawności wzmacniacza napięcia stałego lub przetwornika analogowo-cyfrowego. Po sprawdzeniu toru pomiaru napięcia stałego, program diagnostyczny może realizować sprawdzanie wzmacniacza napięcia zmiennego AZ i przetwornika mierzonego sygnału zmiennego na stały AD. W tym celu mikroprocesor, działając pod kontrolą tego programu, wyłącza

4 przełączniki PA, PB i PZ, oraz włącza przełączniki PC i PW, ustawiając wzmocnienie wzmacniacza AZ na wartość nominalnie równą jedności. Stałe napięcie odniesienia ze źródła ZN przetwornika analogowo-cyfrowego AC, przetworzone za pomocą przetwornika GZ na sygnał zmienny o ściśle określonej amplitudzie, oddziaływując poprzez przełącznik PW na wejście wzmacniacza AZ, powoduje wygenerowanie odpowiedniego kodu cyfrowego na wyjściach cyfrowych przetwornika analogowo-cyfrowego, który to kod może być odczytany i zinterpretowany przez program diagnostyczny. Przetwornik stałego napięcia odniesienia na napięcie zmienne o określonej wartości skutecznej, niezbędny do realizacji diagnostyki toru pomiaru napięcia zmiennego woltomierza, może być zbudowany w oparciu o półprzewodnikowe klucze, wykorzystujące tranzystory polowe. Najprostszą wersję takiego przetwornika, wykorzystującego tylko jeden klucz K, przedstawiono na fig. 2. Bramka tranzystora pełniącego funkcję klucza może być sterowana sygnałem o dowolnej częstotliwości F, mieszczącej się (wraz z harmonicznymi reprezentującymi istotną pod względem energetycznym część widma) w paśmie przenoszenia toru pomiaru napięć zmiennych woltomierza. Dobierając odpowiednie elementy można zapewnić, że spadek napięcia na tranzystorze klucza w stanie przewodzenia jest pomijalnie mały w porównaniu do wartości napięcia uzyskiwanego ze źródła napięcia odniesienia ZN, dzięki czemu amplituda, a więc i wartość skuteczna fali prostokątnej generowanej przez ten układ jest ściśle określona i może być wykorzystywana do ilościowej oceny parametrów toru napięcia zmiennego woltomierza. Oczywistą wadą najprostszej realizacji przetwornika, przedstawionej na fig. 2 jest bogate widmo składowych harmonicznych zawartych w generowanym sygnale. Wady tej można uniknąć, budując nieco bardziej złożony układ, syntetyzujący sygnał quasi-sinusoidalny za pomocą szeregu kluczy tranzystorowych, włączających okresowo ustalone wartości napięć, uzyskiwanych ze źródła ZN za pośrednictwem rezystorowego dzielnika. Niezależnie od wybranego rozwiązania, w charakterze tranzystorów kluczujących w przetwornikach napięcia stałego na zmienne można stosować typowe monolityczne klucze półprzewodnikowe, wykonywane techniką CMOS. Monolityczne klucze półprzewodnikowe, wykonywane techniką CMOS, mogą być również używane w charakterze sterowanych mikroprocesorem przełączników P Z i PW, niezbędnych do realizacji funkcji diagnostycznych. Jednak w bardziej dokładnych woltomierzach w charakterze przełącznika PZ, łączącego wyjście źródła napięcia odniesienia z wejściem wzmacniacza napięcia stałego, korzystne jest zastosowanie hermetycznego przekaźnika (kontaktronu), wykonanego ze specjalnych stopów, zapewniających zminimalizowanie generowanych sił termoelektrycznych. Zapoczątkowywanie wykonywania programu diagnostycznego może być inicjowane przez operatora za pomocą wybranej kombinacji sygnałów, wprowadzanych na wejścia cyfrowe SE mikroprocesora SM. W praktyce, do tego celu dogodnie jest stosować przełącznik ustalający parametry zewnętrznych interfejsów woltomierza, wykorzystując wolne kody, nie używane w standardzie interfejsu IEC 625. Woltomierz cyfrowy z autodiagnostyką będący przedmiotem niniejszego wynalazku może być rozbudowywany o układy, umożliwiające wykonywanie pomiarów również innych wielkości poza napięciem stałym i zmiennym. Najczęściej oprócz napięcia multimery cyfrowe mierzą prąd stały i zmienny oraz rezystancję. Bloków służących do pomiaru tych wielkości, podobnie jak i innych układów, nie związanych bezpośrednio z opisywanym wynalazkiem, nie przedstawiono na fig. 1. Na schemacie blokowym pominięto również układy służące do przełączania zakresów pomiarowych, układy interfejsu z operatorem (klawiatura i pole odczytowe) i zewnętrzne złącza interfejsowe. Wyposażenie woltomierza w te układy w niczym nie zmienia i nie ogranicza możliwości autodiagnostyki torów pomiaru napięcia stałego i zmiennego, stanowiących istotę opisywanego wynalazku.

5

6 Fig. 1 Fig. 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł