2. Теоретические сведения и описание лабораторного стенда

2.1. Лабораторная установка

В состав лабораторной установки входят:

а) лабораторный стенд, на передней панели которого нанесены условные графические и позиционные обозначения элементов схемы;

б) электрооборудование и приборы: двухлучевой осциллограф ЕО-213; два источника питания постоянного тока Б5-47; соединительные провода; цифровой вольтметр В7-35; частотомер типа Ч3-32 или счетчик импульсов.

На лабораторном стенде изображены принципиальные схемы функцио­нальных узлов, входящих в состав электронного счетчика (ЭС), а также входные, выходные и контрольные гнезда, используемые для наблюдения и измерения на­пряжений сигналов в различных узлах схемы относительно корпуса установки либо между заданными точками схемы. Кроме того, внутри стенда расположены источники стабилизированного постоянного напряжения +15 В и -15 В (относительно корпуса), которые необходимы для питания микросхем (МС) установки. Данные МС и других элементов указаны на принципиальной схеме стенда (рис. 1).

2.2. Функциональная схема электронного счетчика энергии

Электронный счетчик (рис. 2) состоит из трех функциональных узлов:

1) импульсного перемножающего устройства (ИЛУ);

2) импульсного интегратора (ИИ);

3) регистрирующего устройства (частотомера).

2.2.1. Импульсно-перемножающее устройство (ипу)

ИПУ включает в себя два основных узла: широтно-импульсный модулятор (ШИМ) и амплитудно-импульсный модулятор (АИМ). Основное назначение ИПУ – сформировать на выходе импульсное напряжение U_ВЫХ, среднее значение которого прямо пропорционально произведению двух входных сигналов U_y и U_x, то есть мгновенной мощности P:

⁽¹⁾

где U_x и U_y – амплитуды напряжений, пропорциональные, соответственно, току и напряжению в нагрузке; k₁ и k₂ – масштабные коэффициенты для этих напряжений; k – коэффициент пропорциональности; P – мгновенная мощность.

Рис. 2. Функциональная схема счетчика:

DА1 – интегратор; DА2 – триггер Шмитта; DА3 – компаратор; DА4 – инвертор; DD1, DD2 – электронные ключи; DА5.1 – повторитель; DА5.2 – инвертор; DА5.3 – инвертирующий интегратор; DА5.4 – инвертирующий триггер Шмитта; ФНЧ – фильтр нижних частот

Формирование этого напряжения в ИПУ осуществляется по описанному ниже способу «ШИМ – АИМ» следующим образом.

Пусть на входы ИПУ ХS1 и ХS2 подаются напряжения любой формы, на­пример, U_x – постоянное напряжение +5 В, пропорциональное току I_н, и U_y – также постоянное напряжение +5 В, пропорциональное напряжению U_н в на­грузке, то есть

⁽²⁾

где k₁ и k₂ – соответствующие коэффициенты пропорциональности.

Как видно из схемы, U_x подается на узел ШИМ, а U_y – на вход узла АИМ.

В соответствии с этим, напряжение U_x подвергается процессу широтно-импульсной модуляции, то есть формируются импульсы, скважность которых, то есть отношение периода к длительности (ширине) импульса, прямо пропорцио­нальна величине напряжения U_x. В свою очередь, сформированное узлом ШИМ импульсное напряжение модулируется по амплитуде второй контролируемой ве­личиной U_y в. амплитудно-импульсном модуляторе, в результате чего конечная амплитуда этих импульсов на выходе ИПУ оказывается прямо пропорциональной величине U_y.

Таким образом, на выходе ИПУ формируется величина произведения двух сигналов, пропорциональная мгновенной мощности.