Устройство для масштабного преобразования дифференциальных сигналов

 

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„ЯЦ„„1043671

g )) G 06 G 7/12; G 06 J 3/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОЬРЕТЕНИй И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ":-—

Н ABTOPCH0IVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ю

4 в

СфЭ

С5

1 ! ! (21) 3398482/18-24 (22) 16.02.82 (46) 23.09.83. Бюл. И 35 ((72) Л. А. Жук, А. Г. Олейников и Н. Е. Синицкий (71) Опытное конструкторско-технологическое бюро C опытным производством Института металлофизики АН Украинской ССР (53) 681.3(088.8) (56) 1. 0igitallу Сопtrolied Programmable Gain. Instrumentation Amplifier 3600, 3601, 3602. -Productive Guide. Burr-Brown Research Corp, 1976, р. 56, 85.

2. 0igital ly Control led Programmable Gain. Instrumentation Ampl i- .

fier 3606,-6епега1 Catalog BurrВгоип, 1979 р.2-7, 2-8 (прототип)., (54) (57) УстРОйство ДЛЯ нжштдБноГО . ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ

СИГНАЛОВ, содержащее три дифференциальных операционных усилителя, неинвертирующие входы первого и второго из которых являются аналоговыми информационными входами устройства, а выходы через два масштабных резистора подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам третьего дифференциального операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен третий масштабный резистор, а между его неинвертирующим входом и шиной нуле во ro потенциала - четвертый масштабный резистор, а также первую и вторую матрицы ключевых элементов, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам дешифратора, подсоединенного входами к цифровому входу.управле" ния масштабом преобразования устройства,выход третьего дифференциального операционного усилителя является аналоговым выходом устройства,о тл и ч а ю щ е е ñ ÿ тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей устройства за счет управления фа"

-зой выходного сигнала, оно содержит первую и вторую резистивные матри- Я цы R-2R, которые соединены последовательно и включены между выходами первого и второго дифференциальных операционных усилителей, и две пары последовательно включенных и коммутируемых в противофазе ключевых элементов, выходы которых подсоединены соответственно к инвертирующим входам первого и второго дифференциальных операционных усилителей,а входы размыкающих ключевых элементов каждой пары - соответственно к выходам первой и второй матриц ключевых элементов, входы которых подсоединены к соответствующим узлам первой и второй резистивных матриц

R-2R, управляющие входы двух пар последовательно включенных коммутирующих элементов подсоединены к соответствующим выходам дешифратора. тирующие входы первого и второго из которых являются аналоговыми информационными входами устройства, а вы ходы через два масштабных резистора подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам третьего дифференциального операционного усилителя е цепь отрицательной обратной связи которого включен третий масштабный резистор, а между его инвертирующим входом и шиной нулевого потенциала - четвертый масштабный резистор, а также первую и вторую матрицы ключевых элементов, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам дешифратора, подсоединенного входами к цифровому вхору управления масштабом преобразования устройства, выход третьего дифференциального операционного усилителя является аналоговым выходом устройства, дополнительно содержит первую и вторую резистивные матрицы

R-.2R, которые соединены последовательно и включены между выходами первого и второго дифференциальных операционных усилителей, и две пары последовательно включенных ком" элементов, выходы которых.;подсоединены соответственно к инвертирующим .входам первого и второго дифференциальных операционных усилителей, а входы размыкающих ключевых элементов каждой пары - соответственно к выходам первой и второй матриц ключевых элементов, входы которых подсоединены к соответствующим узлам первой и второй резистивных .матриц

R-2R, управляющие входы двух пар посщих элементов подсоединены к соответствующим выходам дешифратора.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство для масштабного прелов содержит входные операционные усилители (ОУ) 1 и 2, в цепях обратных связей которых включены резистивные матрицы R-2R 3 и 4 с номиналами сопротивлений Rl и R2, ключевые элементы 5 и 6 и дополнительные ключевые элементы 7 и 8. С помощью ключевых элементов 5-8 выходы опера" ционных усилителей 1 и 2 и узлы соединения резисторов R и 2R резистивных матриц 3 и 4 подключаются к инверти4 1043671 2

Изобретение относится к автомати-, ке и вычислительной технике и может быть использовано в устройствах сопряжения объектов контроля и управле" ния с ЭВМ,,а также в различных устройствах информационно-измерительной техники °

Известны устройства для масштабно го,преобразования дифференциальных сигналов (сигналов с выходов термо- 10 пар, мостовых датчиков и пр.,f,содержащие дифференциальный входной и несимметричный выходной каскады на операционных усилителях с резисторами, имеющими весовые значения сопротивления, и ключевыми элементами в цепях отрицательных обратных связей 11,1.

Наиболее близким по техническому решению к изобретению является устройство для масштабного преобразования дифференциальных сигналов, маса" таб преобразования которых программно изменяется и принимает дискретные значения, равные 2, где 1=0,f,2,3, ... (23.

Недостатком известного устройства является производимое входным дифференциальным каскадом инвертированив на выходе полярности (фазы) входных сигналов, т.е. диапазон изменения вы- мутируемых в противофазе ключевых ходных сигналов устройства ограничен фазой входных сигналов. Для выравнивания фаз выходных и входных сиг-. налов на практике llpHMGHRQT дополнительный инвертирующий операционный усилитель. Но это, в свою очередь,уве35 личивает погрешность „обусловленную действием статических параметров дополнительного операционного усилителя.

Таким образом, технические решения, основанные на большом числе опе-, ледовательно включенных коммутирую рационных усилителей и резисторах с весовыми значениями сопротивлений в цепях обратных связей операционных усилителей, обуславливают низкую точ.ность масштабного преобразования дифференциальных сигналов. образования дифференциальных сигнаЦелью изобретения является повышение точности масштабного преобразования дифференциальных сигналов и рас50 ширение функциональных возможностей устройства за счет управления фазой выходного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для масштабного преобразования дифференциальных сиг- налов, содержащее три дифференциальных операционных усилителя, неинвер вых и

ex "вх.а (-(), (+) 3 10436 рующим входам операционных усилите,лей 1 и 2. Выходы операционных усилителей 1 и 2 соединены с дифференциальными входами выходного операционного усилителя 9, во входные цепи и цепи обратной связи которого вклю-! чены резисторы 10-13 с равными значениями сопротивлений. Работой ключевых элементов 5-8 управляет дешифратор 14. Двоичный код íà его информационных .входах Д,...,Д „определяет масштаб преобразования дифференциального сигнала иэ ряда численных значений 2,2",22,...,2 . Двоичный код ("О" или "1") на информа" ционном входе Д определяет полярГП ность выходного напряжения устройства. B качестве дешифратора 14 могут быть использованы два дешифратора, один из которых соответственно имеет К входов и 2 выходов, а другойодин вход и два выхода. В макете действующего устройства использованы интегральные схемы 155 ИДЗ, Устройство работает следуюшмм образом. Для обеспечения требуемого масш, таба преобразования напряжения дифференциального си гнала (Овх 1-0ВХ ) из ряда численных значений 2о,2",2 .

2" на информационные входы Д

Д дешифратора 14 подается соответствующий двоичный код.Дешифрируя этот код, дешифратор 14 с помощью ключевых элементов 5 и 6 подключает к инвертирующим входам операционных усилителей 1 и 2 i-e узлы соединения резисторов к резистивных матриц 3 и . 4 с выходами операционных усилителей

1 и 2 и с резисторами 2R..Óçëû соединения выходов операционных усилителей с входами матриц R-2R соответствуют числу i = О, первые узлы соединения резисторов R и 2R матриц 3 и

4 (направление счета от выходов. one" рационных усилителей 1 и 2) соответствует числу i=1 и т.д. То есть резистивные матрицы R 2R 3 и 4 между выходами операционных усилителей можно представить цифровыми управляемыми сопротивлениями (2 - 1) Rl, Rl u

Ы, (21-1) R2. При подаче на неинвертирующие входы операционных усилителей 1 и 2 напряжения дифференциального сигнала и при положении ключевых 55 элементов 7 и 8 как показано на чертеже, что соответствует (условно) ло гическому "О" на входе Д„,дешифрато71 4 ра 14, напряжения на выходах операционных усилителей равны:

I 1 (Z -1) Р1 (2"-1)И вых s sx1 R1+ R2 8<2 R1+ RQ „ (,1)

2 „(2 -1) Р2 (2 -1) R2

ВЫХ - ЕХ2 R1+R2 вх1 gq+R2 1 (22 где 0вь,х„и О ь!х2- напряжения на выходах операционных усилителей 1 и 2 соответственно.

Напряжение на выходе устройства определяется выражением

0 (О ) (2 - )(+ 2)1

ВЫх вх1 Охи Я1 ю2

1 (э1

При подключении узлов соединения резисторов реэистивной матрицы 3 к инвертирующему входу операционного усилителя 2, а узлов соединения резисторов резистивной матрицы 4 к инвертирующему входу операционного усилителя 1, что соответствует (условно) логической "1" на входе Д дешифратора 14, полярность (фаза) напряжения на выходе устройства co"" ответствует полярности напряжения на входе.

Передаточную функцию К устройства можно представить в виде где j =1,2;

0,1,2,3,...

Анализ выражения (4) показывает, что при .отклонении сопротивлений резисторов Rl и R2 резистивных матриц 3 и 4 от своих абсолютных значений не возникает погрешности передаточной функции заявляемого устройства, так как

- . — ав1 = O; Ыа -0. Э« Ф

Это обусловлено тем, что в устройстве в качестве делителей выходных напряжений операционных усилителей использованы матрицы R-2R, в узлах которых коэффициенты деления напряжений не зависят от абсолютных значений сопротивлений R.

По сравнению с известным устройством, которое характеризуется низкой точностью преобразования дифференциальных сигналов в диапазоне

10436 изменения масштаба преобразования от .1 до 1024, предлагаемое устройство отличается высокой точностью в широком диапазоне дискретного изменения масштаба преобразования сигналов благодаря минимизации числа операционных усилителей и включению резистивных матриц A2R в цепи обратных связей входных операционных усилителей дифференциального каскада. Такое 10 схемотехническое решение обеспечивает стабильность дискретных значений передаточной функции устройства при изменении условий его эксплуатации (температуры, давления, времени и т.д.), Если для обеспечения известным устройством разрешающей способности анархо го-цифровых преобразователей на уровне 9-10 разрядов необходима подгонка абсолютных значений сопротивлений различного номинала резисторов не хуже 0,00013, то в предлагаемом устройстве для этих целей необходимы 10-разрядные матрицы R-2R; которые реализуются на резисторах 2 двух номиналов сопротивлении с точностью 0,0! . Если в известном устройстве для стабилизации дискретных значений передаточной функции необходимо принятие дополнительных мер (термостатирование и np.) no стабилизации номинальных значений сопротивлений резисторов, то в предлагаемом устройстве стабильность дискретных знвчений передаточной функции не зависит от стабильности абсолютных значений сопротивление резисторов матриц R-2К.

Снижение числа операционных усили телей в устройстве снижает погрешность преобразования дифференциаль" ных сигналов, обусловленную действи" ем напряжений и токов смещения операционных усилителей .

За счет введения дополнительных ключевых элементов имеется возможность управления фазой выходного сигнала в устройстве, что расширяет

его функциональные возможности. Примером может, служить последовательное включение устройства с аналого-циф ровым преобразователем, у которого диапазон изменения входных сигналов ограничен одной полярностью. Кроме того, функция управления фазой выходного сигнала достигается без снижения метрологических характеристик устройства, 1043671

ВНИИПИ Заказ 7340/53 ТиРаж 706 Подписное филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4