Функциональный преобразователь

 

Изобретение может быть использовано в широкодиапазонных автоматических устройствах для преобразования и измерения тока. Цель изобретения - пойьшение точности - достигается за счет исключения влияния напряжений дрейфа на пороги срабатывания аппроксимирующих ячеек (АЯ). Для этого в функциональный преобразователь (ФП) введены формирователь компенсирующего напряжения, выходом включенный между входом ФП и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, входом подключенный к выходу преобразователя -код-аналог, группа из п преобразователей 18 код-аналог (ПКА), формирователь импульсов и триггер,-служащие для управления работой всех ПКА и ключа. Вход компаратора напряжения подключен к выходу инвертора, являющемуся выходом ФП. ПКА вьшолнены с функцией запоминания входной информации . В каждую из п АЯ введены компаратор напряжения и коммутирующий элемент на ключах, что позволяет использовать их как в режиме коррекции порога срабатывания АЯ, так и при работе . 4 ил. (Л со о со 00 сд

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1363185 А1 (У1) 4 G 06 С 7/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3990964/24-24 (22) 13.12.85 (46) 30.12.87. Бюл, Я 48 (72) Б. А. Джулай и В. Д. Зибров (53) 681. 3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1111181, кл. G 06 G 7/26, 1982.

Авторское свидетельство СССР

9 1322326, кл. G 06 G 7/26, 1985. тель (ФП) введены формирователь компенсирующего напряжения, выходом включенный между входом ФП и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, входом подключенный к выходу преобразователя .код-аналог, группа из и преобразователей 18 код-аналог (ПКА), формирователь импульсов и триггер,- служащие для управления работой всех ПКА и ключа. Вход компаратора напряжения подключен к выходу инвертора, являющемуся выходом ФП. ПКА выполнены с функцией запоминания входной информации. В каждую из и АЯ введены компаратор напряжения и коммутирующий элемент на ключах, что позволяет использовать их как в режиме коррекции порога срабатывания АЯ, так и при работе. 4 ил. (54) ФУНКЦИОНАЛЬНЬ1И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение может быть использовано в широкодиапазонных автоматических устройствах для преобразования и измерения тока. Цель изобретения — повышение точности — достигается за счет исключения влияния напряжений дрейфа на пороги срабатывания аппроксимирующих ячеек (АЯ). Для этого в функциональный преобразоваОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ д, К АВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1363185

Изобретение относится к аналоговой технике и может быть использовано при создании широкодиапазонных автоматических устройств для преоб5 разования и измерения постоянного тока.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг, 1 приведена структурная 10 схема функционального преобразователя; на фиг. 2 — принципиальная схема аппроксимирующей ячейки; на фиг. 3— эпюры напряжений, поясняющие работу преобразователя; на фиг. 4 — вариант ) выполнения формирователя компенсирующего напряжения.

Предлагаемый функциональный преоб разователь содержит (фиг, 1) дифференциальный операционный усилитель 1, 2р инвертор 2, и аппроксимирующих ячеек 3.1 — З.п, и+1 входных масштабных резисторов 4.1 - 4.(п+1), ключ 5, блок 6 индикации, компаратор 7 напряжения, генератор 8 импульсов, с 1ет- чик 9, триггер 10 формирователь 11 импульсов, преобразователь 12 код— аналог, формирователь 13 компенсирующего напряжения, содержащий вход 14, выход 15 и управляющий вход 16, груп- 80 пу 17 из п преобразователей 18.1

18.п код — аналог.

Каждая из и аппроксимирующих ячеек 3.1 — З,п содержит (фиг, 2), первый, второй и третий входы 19—

21, инвертирующий операционный усилитель 22, первый, второй, третий и четвертый масштабные резисторы

23 — 26, компаратор 27 напряжения„ коммутирующий элемент 28, содержа- 40 щий двунаправленный и однонаправленный ключи 29 и 30,.повторитель 31, первый и второй выходы 32 и 33 аппроксимирующей ячейки.

Формирователь 13 компенсирующего 45 напряжения по фиг. 4 может быть выполнен на двух оптопарах 34, 35 и резисторе 36, Основным требованием к формирователю 13 является то, что он должен быть изолированным по вы- В0 ходу от шины нулевого потенциала.

Все преобразователи код — аналог выполнены с функцией запоминания входной информации.

Рассмотрим работу отдельно взятой аппроксимирующей ячейки.

На первый вход 19 аппроксимирующей ячейки (фиг. 2) подается напряжение с выхода дифференциального операционного усилителя 1, пропорциональное току исследуемого сигнала. На второй ее вход 20 подается опорное напряже- ние, полярность которого выбирается противоположной полярности выходного напряжения усилителя 1.

До тех пор, пока ток через первый масштабный резистор 23 по величине будет меньше тока через второй масштабный резистор 24, полярность выходного напряжения операционного усилителя 22 будет определяться полярностью опорного напряжения Бд. Компара-. тор 27 напряжения в данном случае отключает первый выход 32 аппроксимирующей ячейки от выхода усилителя 22 воздействуя на коммутирующий элемент

28. Аппроксимирующая ячейка в данном состоянии считается выключенной. Обратная связь операционного усилителя 22 при этом осуществляется через верхний по схеме выход двунаправленного ключа 29, повторитель 31 и третий масштабный резистор 25. Выключенное состояние аппроксимирующей ячейки определяется по состояниЮ компаратора 27 напряжения, которое передается в виде определенного уровня напряжения на второй выход 33 аппроксимирующей ячейки.

В течение времени, когда ток через масштабный резистор 23 больше по величине тока через масштабный .

1 резистор 24, полярность выходного напряжения операционного усилителя определяется полярностью напряжения на выходе дифференциального операционного усилителя 1. Компаратор 27 напряжения изменяет свое состояние и, воздействуя на ключи 29 и 30, подключает выход 32 аппроксимирующей ячейки к выходу усилителя 22 через ключ 29 и к входу повторителя 31 через ключ 30. Аппроксимирующая ячейка при этом находится во включенном состоянии. Обратная связь усилителя

22 осуществляется через нижний по схеме выход -двунаправленного ключа 29, ключ 30, повторитель 31 и масштабный резистор 25. Включенное состояние аппроксимирующей ячейки определяется противоположным по сравнению с предыдущим состоянием компаратора 27 напряжения.

Так как входной ток повторителя 31 практически можно считать равным нулю, то падением -напряжения на ключах 29 и 30 за счет входного

63! 85

55 з 13 тока повторителя 31 можно пренебречь.

Дальнейшая работа аппроксимирующей ячейки будет рассмотрена в совокупности с другими узлами преобразова" теля.

Принцип работы функционального преобразователя в целом.

Режим работы преобразователя определяется состоянием формирователя

ll импульсов. На время паузы между импульсами формирователя 11 функциональный преобразователь устанавливается в режим Коррекция".

С момента наступления начала паузы после очередного импульса

;формирователя 11 импульсов запускается генератор 8 импульсов, Счетчик

9 начинает подсчет импульсов, поступающих .на его .счетный вход с выхода генератора 8. После первого заполнения емкости счетчика он автоматически устанавливается в нулевое состояние, а на его выходе возникает импульс переполнения, включающий триггер 10, Счетчик 9 продолжает считать поступающие на его вход импульсы с выхода генератора 8 до момента возникновения второго импульса переполнения, возвращающего триггер 10 в исходное состояние. Задним фронтом импульса с выхода триггера 10 запускается формирователь 11 импульсов, который начинает формирование импульса с требуемой длительностью.

На все время формирования импульса на выходе формирователя 11 импульсов генератор 8 импульсов находится в выключенном состоянии, а сам функциональный преобразователь в режиме

"Измерение". По окончании импульса формирователя 11 импульсов генератор 8 импульсов снова запускается, и наступает новый цикл работы функци-.

4 онального преобразователя в режиме

"Коррекция".

В режиме Коррекция" ток исследуемого сигнала на вход функционального преобразователя не поступает.

Ключ 5 открыт на все время, в течение которого триггер 10 находится в исходном (выключенном) состоянии.

Поэтому с момента наступления паузы

1 между импульсами формирователя 11 до первого импульса с выхода переполнения счетчика 9 на вторые входы аппроксимирующих ячеек 3.1-3.п через ключ 5 поступает опорное напряжение

U>, которое устанавливает их в выклю-

25 ченное состояние. Напряжение с выхода дифференциального операционного усилителя 1, определяемое напряжениями дрейфа усилителя 1 и инвертора 2 и поступающее на первые входы аппроксимирующих ячеек 3.1-3.п, обычна меньше их порогов срабатывания и поэтому на состояния аппроксимируюших ячеек влияния не окажет, 11 случае, если пороги срабатывания отдельных аппроксимирующих ячеек соизмеримы с начальной величиной напряжения на выходе усилителя 1, возникающем вследствие влияния указанных напряжений дрейфа, что может привести к их включению, то на такие аппроксимирующие ячейки на дополнительные управляющие входы их коммутирующих элементов 28 следует подать сигнал с выхода формирователя !! импульсов, блокирующий влияние компараторов 27 напряжения на коммутирующие элементы 28. Для остальных аппроксимирующих ячеек, пороги срабатывания которых заведомо выше начального напряжения ра выходе усилителя 1, подача сигнала блокировки не обязательна.

Задним фронтом импульса формирователя 11 импульсов (в начале режима

"Коррекция" ) преобразователь 12 коданалог устанавливается в состояние, при котором разрешается прохождение текущего значения кода с информационных выходов счетчика 9 на внутренние элементы памяти преобразователя

12 код — аналог. При этом вход запрета по внутренним цепям преобразователя 12 код — аналог импульсом разрешения блокируется.

Преобразователь 12 код — аналог следует выполнить так, чтобы при изменении кода на его информационных входах от нуля до максимального значения на его выходе напряжение изменялось бы в диапазоне + U достаточном для компенсации напряжения дрейфа обоих полярностей, При этом нулевому коду на входе преобразователя 12 код — аналог должно соответ ствовать его выходное напряжение с полярностью, при которой компаратор

7 напряжения устанавливается в выключенное состояние, снимающее.запрет на поступление информации с выходов счетчика 9 на внутренние элементы памяти преобразователя 12 код — аналог. Поэтому по окончании импульса разрешения с выхода форми5 !363185 6

1О

К + 1

= U 1

Вых I АР . К г где У ги ! ар. 2

55 рователя 11 импульсов запрета на прохождение информации не будет. Выходное напряжение преобразователя

12 код — аналог поступает на вход усилителя I и далее на выход инвертора 2 и вход компаратора 7 напряжения через формирователь 13 компенсирующего напряжения.

Как уже указывалось, в процессе изменения кода счетчика 9 на выходе преобразователя !2 код — аналог напряжение изменяется в диапазоне

+У. В зависимости от знака данного напряжения (для случая выполнения формирователя 13 компенсирующего напряжения на фиг. 4) ток будет протекать либо через светодиод оптопары 34, либо через светодиод оптопары

35 формирователя 13 компенсирующего напряжения. От величины протекающего через светодиод тока будет зависеть величина его светового потока и, следовательно, величина фото-ЭДС фотодиодов оптопар 34 и 35, которые работают в генераторном режиме.

Когда компенсирующее напряжение на выходе формирователя 13 станет равным по величине и противоположным по знаку напряжению дрейфа усилителя 1, напряжение на выходе инвертора 2 станет равным нулю, компаратор

7 напряжения изменит свое состояние и подаст команду запрета на преобразователь 12 код — аналог, который с этого момента на все оставшееся время режима Коррекция" и все время режима Измерение" не изменит своего состояния и будет хранить код, пропорциональный полученному напряжению компенсации.

Напряжение на выходе усилителя в данном случае не будет равно нулю, а будет зависеть от напряжения дрейфа инвертора 2, а именно

Кг — напряжение дрейфа и модуль коэффициента усиления инвертора

2 соответственно °

С прихоцом первого импульса переполнения счетчика 9 триггер 10 включается и выключает ключ 5. Поступление опорного напряжения на вторые входы аппроксимирующих ячеек 3.1-3,п. прекращается. Одновременно с этим передний фронт импульса с выхода триггера IO устанавливает преобразователи 18.1-18.п код — аналог группы 17 в состояние, при котором разрешается прохождение информации с выходов счетчика 9.на внутренние элементы памяти данных преобразователей код — аналог, которые выполнены аналогично преобразователю 12 код— аналог. Нулевому коду на информационных входах преобразователей I8.1-18.п код — аналог должны соответствовать их выходные напряжения с полярностью, при которой компараторы 27 напряжения аппроксимирующих ячеек 3.1-3.п находятся в выключенном состоянии. При этом снимается запрет на поступление информации на внутренние элемен, ты памяти преобразователей 18.1-18.п

20 код — аналог. Текущее значение кода с информационных выходов счетчика 9 будет поступать на информационные входы внутренних элементов памяти отдельно взятых преобразователей 18,1-18.п код — аналог до тех пор, пока не наступит, нулевое значение напряжения на выходе операционного усилителя

22 соответствующей аппроксимирующей ячейки, что будет соответствовать полной компенсации напряжений, смещающих ее порог срабатывания. Компенсирующее напряжение поступает на третий вход 21 каждой аппроксимирующей ячейки. Компаратор 27 напряжения аппроксимирующей ячейки, в которой наступило состояние полной компенсации, включится.и запретит прохождение информации с выходов счетчика 9 на соответствующий преобразователь код— аналог группы 17, Так как значение компенсирующего напряжения для каждой аппроксимирующей ячейки индивидуально, то моменты времени, когда преобразователи 18,1-18.п код — аналог переходят в режим хранения информации, будут различны для- каждого из них, На смещение порога срабатывания отдельно взятой аппроксимирующей ячейки оказывают влияние напряжение и напряжения дрейфа операционного усилителя 22 и повторителя 31.

Компенсирующее напряжение на третьем

50 входе отдельно взятой аппроксимирующей ячейки в момент полной компенсации определяе:ся из выражения

Rг6 R26 Кгб

Ц -U + Ц + ком ргг R Вью R старз

ЭК6 73 тк

1363185 где

I)(! 1 2. напряжение дрейфа операционного усилителя 221

1 l — + ((.„К

1 1

+ --- + --- +

Кто

+ сумма проводимостей регь зисторов 23 — 26.

Из рассмотренного процесса компенсации напряжений, смещающих порог срабатывания отдельно взятой аппроксимирующей ячейки, видно, что до момента наступления полной компенсации компараторы 27 напряжения находятся в выключенном состоянии, при котором нижняя ветвь ключа 29 и ключ

30 разомкнуты. Следовательно, связей между аппроксимирующими ячейками

3.1-3.п через разомкнутые их вторые выходы 33 и входные масштабные резисторы 4.1-4.п не будет. В момент наступления полной компенсации напряжение на выходе операционного усилителя 22 равно нулю, а состояние компаратора 27 напряжения не оказывает влияния на процесс компенсации других аппроксимирующих ячеек, так как ток через включенный входной масштабный резистор протекать не будет ввиду равенства нулю напряжений на обоих его выводах.

После коррекции всех аппроксимирующих ячеек счетчик 9 будет продолжать подсчет импульсов до возникновения второго импульса переполнения, который вернет триггер 10 в исходное состояние. Ключ 5 откроется и подаст опорное напряжение Б.. на вторые входы аппроксимирующих ячеек 3.1-3.п. Начнется режим "Измерение", при котором на вход преобразователя поступит ток исследуемого сигнала.

6ых дет скомпенсировано на этапе режима

"Коррекция", то в режиме Измерение" влиянием его можно пренебречь, как и влиянием напряжений дрейфа операционных усилителей 22 и повторителей

31 аппроксимирующих ячеек 3.1-3.п, В зависимости от величины входного тока преобразователь будет работать на том или ином участке аппроксимации. При работе на m-м участке аппроксимации будут включены аппроксимирующие ячейки 3.1-3(т-l), и напряжение на выходе инвертора 2 определится из выражения п ьых Uï х.1JK1, (2,) напряжение порога срабатывания аппроксимирующей ячейки

3.(m-l) после коррек-ции его наттряжения

10 смещения величина входного то. !!! ех ка, находящегося в пределах m-го участка аппроксимации

> вх(!ч e>v1 1 и т — входные токи в точках

elm изменения круT èçíM в конце (m-1)-го и тп-го участков аппрок15

1 ьч (!ч! - > ) 20 симации;

К вЂ” коэффициент пропорциУп ональности для m — ro участка аппраксима25 ции.

Коэффициент пропорциональности в выражении (2) определяется из выражения чо -!

i =!

Кг

К

4(n

R25

3. аппроксимирующей ячейки 3.i по ее первому

35 входу.l9

R — номинал резистора

4(п+!

4,(п+1);

R . — номинал резистора 4.i.

4.!

40 Информация о включенном. участке аппроксимации с вторых выходов аппроксимирующих ячеек 3.1-3.п поступает на входы блока 6 индикации.

Из описания работы преобразовате45 ля видно, что в процессе первой коррекции устраняется влияние напряжений дрейфа дифференциального операционного усилителя l на смещение участков аппроксимации. В процессе

5р дальнейших коррекций устраняется влияние напряжений дрейфа инвертора

2 и операционного усилителя 22 совместно с повторителем 31 каждой входящей в преобразователь аппроксимирующей ячейки как на смещение каждого участка аппроксимации, так и на пороги срабатывания аппроксим(трующих ячеек, так как одновременно с компенсацией напряжения смещения порога сра63185 t0

9 l3 батывания на первом выходе 32 аппроксимирующей ячейки устанавливается нулевое напряжение.

Предложенный функциональный преобразователь позволяет повысить точность преобразования входного то-! ка за счет исключения влияния напряжений дрейфа операционных усилителей на пороги срабатывания аппроксимирующих ячеек и не вносит погрешность за счет смещения участков аппроксимации.

Формула изобретения

Функциональный преобразователь,. содержащий дифференциальный операционный усилитель, выход которого подключен к входу инвертора, источник опорного напряжения, подключенный к информационному входу ключа, п аппроксимирующих ячеек, каждая из которых содержит инвертирующий операционный усилителЬ, .вход которого соединен с первыми выводами первого, второго и третьего масштабных резисторов, вторые выводы первого и второго масштабных резисторов являются первым и вторым входами аппроксимирующей ячейки, и повторитель, подключенный выходом к второму выводу третьего масштабного резистора, первые входы п аппроксимирующих ячеек объединены и подключены к выходу дифференциального операционного усилителя

J первый выход каждой i-й (i=1,2,...

n) аппроксимирующей ячейки через > -й входной масштабный резистор и выход инвертора через (и+1)-й входной масштабный резистор подключены к входу преобразователя, второй выход каждой i-й аппроксимирующей ячейки соединен с соответствующим

i-м входом блока индикации, компаратор напряжения, первый вход которого подключен к шине нулевого потенциала, генератор импульсов, соединенный выходом со счетным входом счетчика, преобразователь код — аналог, информационные входы которого подключены к соответствующим информационным выходам счетчика, формирователь импульсов, соединенный выходом с входом блокировки генератора импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены группа из п преобразователей код — аналог, триггер и фор5

)r

30 мирователь компенсирующего напряжения, вход триггера подключен к вы" ходу переполнения счетчика, выход триггера соединен с входом формирователя импульсов, второй вход компаратора напряжения подключен к выходу инвертора, являющемуся выходом преобразователя, входы разрешения и запрета преобразователя код — аналог подключены соответственно к выходу формирователя импульсов и выходу компаратора напряжения, выход преобразователя код — аналог подключен к управляющему входу формирователя компенсирующего напряжения, вход и выход которого соединены с информационным входом преобразователя и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключенк шине нулевого потенциала, вторые входы и аппроксимирующих ячеек объединены и подключены к выходу ключа, вход управления которого подключен к выходу триггера, информационные входы п преобразователей код — аналог группы подключены к соответствующим информационным выходам счетчика, входы разрешения и преобразователей код — аналог группы объединены и подклю,чены к выходу триггера, вход запрета

i-го преобразователя код — аналог группы подключен к второму выходу i-й аппроксимирующей ячейки, в каждую из и аппроксимирующих ячеек дополнительно введены компаратор напряжения и четвертый масштабный резистор, первый вывод которого подключен к входу инвертирующего операционного усилителя, а второй вывод является третьим входом аппроксимирующей ячейки,, первый и второй входы компаратора напряжения подключены соответственно к шине нулевого потенциала и выходу инвертирующего операционного усилителя, и коммутирующий элемент, вход которого подключен к выходу инвертирующего операционного усилителя; пер.— вый выход соединен с входом повторителя, второй выход является первым выходом аппроксимирующей ячейки, -a управляющий вход подключен к выходу компаратора напряжения; являющемуся вторым выьодом аппроксимирующей ячейки,. третий вход которой подключен к выходу i-ro преобразователя код— аналог, группы.

1363! 85

Составитель M. Зайцев

Редактор М, Келемеш Техред Л.Олийнык Корректор В. 1;ирняк

Заказ 6362/39 Тираж 671 Подпи сиое

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул, Проектная, 4