Оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов

 

Изобретение относится к области аналоговой обработки информации и позволяет упростить конструкцию и расширить функциональные возможности устройства. Для этого входной блок преобразования сигналов выполняется в виде излучателя, т.е. преобразоваг теля электрического сигнала в свето вой потоку связанного оптически с фотодиодом 5, KOTOpbdt включен между входами дифференхщального усилителя. Блок формирован1й1 функциональной характеристики , состоящий из двух соединенных последовательно токовых формирователей - мультиплитивной и аддитивной функций, включен между неинвертирукяцим входом дифференциального усилителя и общей шиной. Выход дифференциального усилителя и его инвертирующий вход соединены между собой. Устройство реализует преобразование в виде произведения входного сигнала на мультипликативную функцию, которое суммируется с аддитивной составляющей функцией Приведены несколько вариантов выполнения токовых формирователей мультипликативной и аддитивной функций, 4 ил. с $ (Л с iNd со 1чЭ | ф г

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

С04ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5I)4 G 06 G 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСЯОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 3898573/24-24 (22) 22.05.85 (46) 23.07.88, Бюл. Ф 27 (7l) Институт полупроводников АН УССР (72) А.В. Бушма, И.П. Гринберг, В.Н. Недоступ, С.В. Свечников и Н.И, Сыпко (53) 681.3 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 424187, кл. G 06 G 9/00, 1972.

Авторское свидетельство СССР

У 920777, кл. G 06 G 9/00, кл. 0 06 G 7/26, 1979. (54) ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к области аналоговой обработки информации и позволяет упростить конструкцию и расширить функциональные возможности устройства. Для этого входной блок преобразования сигналов выполняется

„„SU„„1292497 А1 в виде излучателя, т.е. преобразова теля электрического сигнала в световой поток, связанного оптически с фотодиодом 5, который включен между входами дифференциального усилителя.

Блок формирования функциональной характеристики, состоящий нв двух соединенных последовательно токовых формирователей - мультиплитивной и аддитивной функций, включен между неинвертирующим входом дифференциального усилителя и общей шиной, Выход дифференциального усилителя и его инвертирующий вход соединены между собой.

Устройство реализует преобразование в виде произведения входного сигнала на мультипликативную функцию, которое суммируется с аддитнвной составляющей функцией, Приведены несколько вариантов выполнения токовых формирователей мультипликативной и аддитнвной функций. 4 ил.

1292497

Изобретение относится к области аналоговой обработки информации.

Цель изобретения — упрощение конструкции, повышение помехоэащищенности и расширение класса реализуемых функций.

На фиг. 1. приведена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.2, 3 и 4 приведены примеры технической реализации блока формирования функциональной характеристики.

Предлагаемое устройство имеет входной блок 1 преобразования сигналов, дифференциальный усилитель 2, блок 3 формирования функциональной, характеристики, причем входной блок

1 выполнен в виде фотодиодного оптро-. на, состоящего иэ излучателя 4 и фотодиода 5, выводы которого подключе- 20 ны соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя 2, один из нходов которого подключен к шине нулевого потенциала 6 через блок 3 формирования функцио- 25 нальной характеристики, который выполнен в виде последовательно соединенных токового формирователя 7 мультилликативной составпяющей функции и токового формирователя 8 адди- 30 тинной составляющей функции.

Устройство позволяет осуществить функциональное преобразование вида у = а(х,с )х + Ь(с ); (1)

35 где х, у — входная и выходная переменные соответственно; аа(х,с1)- мультипликативная сос-. тавляющая функции 1 реализуемая токовым форми-4О ронателем 7;

1 1 (с ) — аддитивная составляющая функции l, реализуемая токовым формирователем 8; с1 с g управляемые параметры 45 мультипликативной и аддитивной составляющих функций соответственно.

Устройство работает следующим образом. Входной электрический сигнал поступает на клеммы 9 и 10 входного блока 1 преобразования сигналов и подводится к излучателю 4 — преобразователю электрического сигнала в световой поток. Излучатель 4 создает световой поток, пропорциональный входному электрическому сигналу.

Благодаря наличию оптической связи между излучателем 4 и фотодиодом 5 на клеммах последнего появляется фото-ЭДС. Возникшая разность потенциалов прикладывается между входами дифференциального усилителя 2. Этот усилитель имеет большой коэффициент усиления по напряжению. Дифференциальное входное напряжение усилителя

2 вызывает появление выходного напряжения, которое возрастает до тех пор, пока полностью не скомпенсирует вызвавшее его входное напряжение.

Компенсация происходит вследствие возникновения тока в цепи: выход усилителя 2 - фотодиод 5 - формирователь 7 — формирователь 8 — общая шика 6. Ввйду большого коэффициента усиления дифференциального усилителя 2 его дифференциальное входное напряжение и равное ему напряжение между клеммами фотодиода 5 стремится к нулю, т.е. последний работает в режиме короткого замыкания. При работе Аотодиода 5 в этом режиме достигается высокая точность и линейность преобразования оптического сигнала в электрический. Ток короткого замыкания фотодиода 5.протекает по рассмотренной выше цепи: выход усилителя 2 — общая шина 6 и подвергается функциональной обработке в блоке формирования функциональной характеристики 3 последовательно токовыми формирователями 7 и 8. Мультипликатинная составляющая в выходной функции, согласно (1), определяется полным сопротивлением между первой и второй клеммами формирователя 7, Аддитинная составляющая в выходной функции равна напряжению между первой и второй клеммами токового формирователя 8. Сопротивление переменному току между этими клеммами значительно меньше сопротивления между первой и второй клеммами токового формирователя 7. Выходным сигналом устройства является напряжение U 86tx между первым входом дифференциального усилителя 2 и общей шиной 6.! где i — ток короткого замыкания фокФ тодиода 5;

Z(i с ) — полное сопротивление фор-. кз мирователя 7, являющееся функцией тока короткого замыкания фотодиода 5 и управляемого параметра с1, 1292497

z = к(с„)3

Е = Zo= Г(1ю, с,)., 3

У„(с )- аддитивная составляющая, образуемая формирователем 8 и являющаяся функцией управляемото параметра с .

Преимущественными вариантами технической реализации формирователя 7 являются следующие.

Выполнение формирователя в форме одного или нескольких параллельнопоследовательно соединенных фотодиодов, включенных между первой и второй клеммами формирователя 7 и связанных оптически с соответствующими светоди- одами, обеспечивает формирование логарифмической либо другой нелинейной управляемой мультипликативной составляющей в выходной .функции, функциональная зависимость оперативно изменяется с помощью токов возбуждения 20 светодиодов, полное сопротивление формирователя 7 представляется в виде

Z(ik3 C1).

Выполнение формирователя в форме 25 резисторной оптопары, фотоприемник которой включен между первой и второй клеммами формирователя 7, обеспечивает формирование линейной управляемой мультипликативной составляющей в выходной функции, параметры функциональной зависимости оперативно изменяются с помощью тока возбуждения источника света оптопары, полное сопротивление формирователя 7 представляется в виде

Выполнение формирователя в форме одного или нескольких параллельно- 40 последовательно соединенных полупроводниковых диодов, включенных между первой и второй клеммами формирователя 7, обеспечивает формирование составляющей в выходной функции, пол- 45 ное сопротивление формирователя 7 представляется в виде

C I

Е = Е(к )

Выполнение формирователя в форме 50

RLC — двухполюсника, включенного между первой и второй клеммами формирователя 7, обеспечивает формирование линейной мультипликативной составляющей в выходной функции, полное со- 55 противление формирователя 7 представляется в виде

Другой формирователь 8 является источником напряжения. Преимущественными вариантами технической реализации этого узла являются следующие.

Выполнение формирователя в форме источника напряжения с оптоэлектронным управлением преобразователь световой поток — напряжение, в форме источника напряжения, управляемого напряжением, в форме преобразователя "сопротивление — напряжение, в форме источника постоянного напряжения.

Выбор .варианта технической реализации формирователей 7 и 8 блока формирования функциональной характеристики 3 определяется числом и формой предсталения сигналов управления параметрами функционального преобразов ания.

Пример 1. Разработанное оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом. Входной блок l преобразования сигналов (фиг.1) выполнен на основе светодиода 4 и фотодиода 5, обеспечивающих полосу пропускания блока не менее

10 Гц. Оптическая связь между све6 тодиодом 4 и фотодиодом 5 осуществляется волоконно-оптическим жгутом длиной 1400 мм и диаметром 1 мм. В качестве дифференциального усилителя 2 используют операционный усилитель общего применения, с частотой единичного усиления не менее 10 Гц.

Блок 3 формирования функциональной характеристики (фиг.2) содержит формирователи 7 и 8. Первая клемма 11 блока 3 подключена к второму входу дифференциального усилителя 2, а вторая клемма 12 — к общей шине 6.

Формирователь 7 выполнен с использованием полупроводникового диода

13, обеспечивающего динамический диапазон логарифмического преобразования не менее 60 дБ и резисторной оптопары 14 .с быстродействием не менее 0,5 ° 10 с. Первой клеммой формирователя 7 служит анбдный вывод диода 13, а второй клеммой — вывод фоторезистора 15 оптопары 14. Светодиод 16 оптопары 14 подключается через клеммы 17 к источнику сигналов управления параметрами функционального преобразования. Формирователь

8 выполнен на основе диодной оптопары 18 с быстродействиями не хуже

97 .6 кГц при выходном напряжении не более 3 В 0,57.. Устройство питается от двухполярного источника напряжением -+12 В. Отношение сигнал/шум на выходе устройства при работе на расстоянии 1,5 м от высоковольтной линии 12 кВ 50 Гц составляет 72 дБ.

П р и м .е р 2. Оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом.

Блок 1 первичного преобразования сигналов (фиг.1) и дифференциальный усилитель 2 выполнены, как описано выше в примере 1, Блок 3 формирования функциональной характеристики (фиг.З) содержит формирователи 7 и 8,, Первая клемма 11 блока 3 подключена к второму входу дифференциального усилителя 2, а вторая клемма 22 к общей шине 6. Формирователь 7 выполнен в виде резистивного двухполюсника с положительным температурным коэффициентом сопротивления и имеет термистор 24 и резисторы 25 и .,26. Первой клеммой формирователя 7 служат объединенные выводы термистора 24 и резистора 25, а второй клеммой — вывод резистора 26. Второй формирователь 8 содержит резистор 27, подстроечный резистор 28, конденсатор 29 и источник 30 питания. Первой клеммой формирователя 8 служат объединенные выводы резисторов 27, 28 и конденсатора 29, а второй клеммой— объединенные выводы резистора 28, конденсатора .29 и источника питания 30.

Устройство реализует функциональное преобразование вида Ê 1Pi ь+ — -- — + КЗi2

1 кз

16

3 22 причем с,1 1 1 с 1 22 где 1, 22- токи возбуждения свето- 2Q диодов 16 и 22, подводимые через клеммы управляющих сигналов 17 и

23 соответственно, К,,К,K3 — постоянные, определяемые параметрами полупроводникового диода 13, оптопары 14 и 18 соответственно.

Оперативное управление мультипли- 30 кативной составляющей функциональной зависимости осуществляется световым потоком, попадающим на фоторезистор

15 оптопары 14, Этот световой поток генерирует светодиод 16 той же. оптопары. Ток возбуждения светодиода 16 подводится через клеммы 17 от внешнего источника. Оперативное управление аддитивной составляющей функциональной зависимости осуществляется 40 световым потоком, попадающим на фотодиод 21 оптопары 18. Этот световой поток создает светодиод 22 той же оптопары. Ток возбуждения светодиода

22 подводится через клеьмы 23 от 45 внешнего программирующего источника.

S 12924

10 "- с, операционного усилителя 19 общего применения и резистора 20.

Первой клеммой формирователя 8 служит общая точка соединения инверти5 рующего входа и выхода усилителя 19 и анода фотодиода 21 оптопары 18, а второй клеммой — вывод резистора 20. Светодиод 22 оптопары 18 подключается через клеммы 23 к источнику сигналов управления параметрами функционального преобразования, Устройство реализует функциональное преобразование сигнала вида i5 86iy . i Ka ° 15 кэ

На указанной элементной базе оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов име- 5О ет полосу пропускания 100 кГц по уровню 0,7 для входной .переменной, быстродействие канала управления мультипликативной составляющей функциональной зависимости 10 с, быстродействие канала управления аддитив-, ной составляющей функциональной зависимости 10 . с, Точность преобразования входного сигнала в полосе

11 уу (к 3 О Йит

i Õ 2 2 4 Y î î Ï

R25R Iw(1 + t 2, + р, +

Пьо -R28

Р

К2-, +К 2

2Б

7 В. 2, — coIIpo тивление рез исто ров 25, 26, 27, 28 соответственно;

R — начальное сопротивле21 ние термистора 24; температурный коэффициент сопротивления термистора 24; — — напряжение источника

30, — текущая температура, 7 12924

Этот вариант выполнения устройства имеет полосу пропускания 100 кГц по уровню 0,7 для входной переменной.

Точность преобразования входного сиг5 нала в полосе 1 кГц при выходном напряжении не более 3 В 0,57.. Устройство питается от двухполярного источника напряжением +12 В. Оно используется для,согласования с исполнительными устройствами на цифровых к-МОП интегральных схемах при работе в диапазоне температур от (-)1О до (+)60 С при питании от автономных источников. 15

Пример 3, Оптоэлектронное устройство для .функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом.

Блок 1 первичного преобразования сигналов (фиг ° 1) и дифференциальный усилитель 2 выполнены, как описано выше в примере 1. Блок 3 формирования функциональной характеристики (фиг.4 ) содержит формирователи 7 и 8. 25

Первая клемма 11 блока 3 подключена к второму входу дифференциального усилителя 2, а вторая клемма )2 — к общей шине 6. Формирователь 7 выполнен в виде режекторного фильтра 31.

Формирователь 8 имеет два магнитопровода 32, 33, подстроечный резистор

34; стабилизатор 35 тока и источник

36 питания. Первой клеммой формирователя 8 служит в Од резистора 34, а 35 второй клеммой †.точка соединения магнитодиода 32, резистора 34 и источника питания 36. Иагнитодиоды 32 и

33 имеют противоположную ориентацию областей с высокой скоростью реком- . 4п бинации, что обеспечивает независимость напряжения на диоде 32 от температуры.

Устройство реализует функциональное преобразование вида

54!х () i КЗ КЭФ)) 3 )(В) >

97 8 . устройства максимальное отношение сигнал/помеха в выходном напряжении получают с помощью подстроечного элемента 34, Рассмотренные в примерах

1-3 варианты технической реализации формирователей 7 и 8 могут быть использованы в произвольной комбинации для получения требуемой в конкретной разработке функциональной зависимос- . ти.

Разработанное техническое решение . по сравнению с прототипом имеет более простую реализацию входного блока 1 преобразования сигналов. Блок не требует вспомогательных узлов для обеспечения режимов работы. Предложенная взаимосвязь с другими блоками устройства и форма выполнения блока формирования функциональной характеристики позволяет простыми средствами осуществить быстродействующее оперативное управление параметрами функционального преобразования, Разработанное устройство, сохраняя технико-экономические преимущества прототипа, обладает рядом новых технико-экономических преимуществ: повышенной надежностью в условиях значительных вибрационных и ударных воздействий, так как устройство выполнено исключительно на твердотельных элементах; высокой помехоустойчивостью и достоверностью результатов функционального преобразования благодаря тому, ч",о ЭДС помехи, наведенные на наиболее протяженные сигнальные шины устройства, подавляются и осуществлена гальваническая развязка источника сигналов, цепей управления функциональным преобразованием и схемы, которая его реализует; более широким классом решаемых задач, поскольку в устройстве имеется возможность простой реализации оперативного управления параметрамИ функционального преобразования. где Z (F) — частотная характеристика полного сопротивления режекторного фильтра 31, U (В) — напряжение на магнитодио3 ) де как функция напряженности магнитного поля В, К-- — коэффициент передачи ре3 эистивнОГО пОдстрОечного элемента 34.

Этот вариант устройства используется при работе в условиях электромагнитных помех. Для каждого образца

Формула изобретения

Оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов, содержащее входноЙ блок преобразования сигналов, дифференциальный усилитель, выход которого является выходом устройства, и блок формирования функционяльной характеристики, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения конструкций, повышения помехозащищенности и рас9 1292497 о ширения класса реализуемых Функций, устройства, а второй вход — через в нем входной блок преобразования блок формирования функциональной хасигналов выполнен в виде фотодиодно- рактеристики связан с шиной нулевого го оптрона, выводы излучателя которо- потенциала, причем блок формирования

5 го являются входом устройства, а функциональной характеристики выполвыводы фотодиода оптрона подключены нен в виде последовательно включенмежду первым H вторым входами диф- ных токового формирователя мультиференциального усилителя, первый пликативной составляющей функции и вход которого сОединен с дыходой . 0 токового формирователя адцитивной составляющей функции.

1292497

Составитель Ю. Козлов

Техред Л.Олийнык Корректор Э. Лончакова

Редактор Т, Шагова

Тираж 704 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3842

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, у . р л ° П оектная, 4