Усилитель с оптической связью

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для масштабного измерительного преобразования сигналов электрического напряжения (тока) с гальванической развязкой. Цель изобретения - повышение точности передачи сигнала. Достижение цели обеспечивается благодаря введению ограничителей 2 и 10, формирователей 3, 4 и расширителя 8 соответственно на передающей и приемной частях, а также иному подключению фотодиодов 12 и 13. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э Н 03 F 3/38, 17/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4860499/09 (22) 16.08.90 (46) 07.08.92. Бюл. М 29 (71) Витебское производственное объединение "Злектроиэмеритель" (72) И. В. Пышненко, Г. И. Кацман и Ф.Ф. Коган (56) Авторское свидетельство СССР

М 1507176, кл. H 03 F 3/38, 1987. (54) УСИЛИТЕЛЬ С ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮ (57) Изобретение относится к электроиэмерительной технике и может быть использо(„, Ж,„1753582 А1 вано для масштабного измерительного преобразования сигналов электрического напряжения (тока) с гальванической развязкой. Цель изобретения — повышение точности передачи сигнала. Достижение цели обеспечивается благодаря введению ограничителей 2 и 10. формирователей 3, 4 и расширителя 8 соответственно на передающей и приемной частях, а также иному подключению фотодиодов 12 и 13. 2 ил.

1753582

10

30

40

50

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано .для масштабного измерительного преобразования сигналов электрического напряжения (тока) с гальванической развязкой.

Известно устройство с оптической передачей сигналов,. содержащее последовательно соединенные преобразователь напряжения в частоту, узел гальванической развязки, состоящий из N фотодатчиков и фотоприемников, кольцевого делителя частот и сумматора, расширителя импульсов, формирователя прямоугольного импульса, элемента выделения и оеднего фронта импульса и преобразователя частоты в напряжение.

В известном устройстве входной сигнал напряжения преобразовывается в частоту; частотный сигнал по каналуиз N фотодатчиков-фотоприемников, осуществляющему .гальваническую .развязку, передается к формирователям, элементам выделения переднего фронта, сумматору и преобразователа частота-напряжение, s котором происходит восстановление исходного сигнала.

Недостатком известного преобразователя является его сложность, а также трудности обеспечения малой. погрешности передачи, связанные с необходимостью применения высокостабильных элементовконденсаторов, кварцевых резонаторов в преобразователях напряжение — частота и частота — напряжение.

Известно также устройство с оптической передачей сигналов. содержащее входной усилитель, выход которого подключен ко входу ограничителя напряжения, а выход ограничителя напряжения подключен ко входу время-импульсного модулятора, к выходу время-импульсного модулятора подключены усилитель-формирователь и делитель частоты. К выходу усилителя-формирователя подключен фотодатчик, освещающий фотоприемник, который соединен с другим усилителем-формирователем, подключенным к время-импульсному демодулятору, выход которого является выходом устройства. Выход делителя частоты подключен к входу время-импульсного демодулятора, содержащего два интегрирующих звена, сумматор, фильтр нижних частот, выход которого подключен к делителю обратной связи, выход которого соединен со вторым входом входного усилителя. Недостатками указанного устройства являются

его сложность, а также зависимость коэффициента усиления устройства от коэффициентов передачи время-импульсного демодулятора в цепи обратной связи и на выходе устройства, так как нестабильности емкостей демодуляторов оказывают влияние на величину коэффициента усиления.

Наиболее близким к изобретению является устройство для оптической передачи сигналов, которое содержит два блока питания, гальванически развязанных друг от друга, питающих передающую и приемную части устройства, ключевой модулятор, два входа которого являются входом устройства, генератор прямоугольных и треугольных импульсов, выход прямоугольных импульсов которого подключен к третьему входу ключевого модулятора и к опорному светоизлучателю (опорному фотодатчику), а выход треугольных импульсов соединен с входом переключаемого делителя, выход которого соединен с одним из входов компаратора, ко второму входу которого подключен выход усилителя, у которого вход соединен с выходом ключевого модулятора, а выход компаратора соединен с информационным светоизлучателем (информационным фотодатчиком).

Информационный и опорный фотоприемники воспринимают сигналы информационного и опорного светоизлучателей соответственно. К выходам опорного и информационного светоприемников подключены усилители фотоимпульсов, выходы которых подключены к управляющим входам опорного и информационного умножителей знака, Ко второму входу опорного умножителя знака подключен источник опорного напряжения, а выход опорного умножителя знака подключен ко второму входу информационного умножителя знака, к выходу которого подключен фильтр нижних частот.

Входной сигнал напряжения поступает на вход ключевого модулятора, промодулированный сигнал с выхода модулятора усиливается усилителем и поступает на вход компаратора, на другой вход которого через делитель поступает сигнал треугольного напряжения. Сигнал с выхода компаратора, имеющий фазу, величина которой пропорциональна входному сигналу устройства, поступает на информационный светоизлучатель, в то время как на опорный светоизлучатель от генератора поступает последовательность прямоугольных опорных импульсов, Сигналы на выходе информационного и опорного фотоприемников усиливаются усилителями фотоприемников и подаются на входы информационного и опорного умножителей знака, Широтно-модулированный сигнал, амплитуда которого определяется напряжени1753582

1 ем опорного источника, с выхода информационного умножителя подается на вход фильтра, выделяющего постоянную составляющую и полосу частот, соответствующую переменной составляющей входного сигнала (предполагается, что частота опорных прямоугольников намного выше частоты входного преобразуемого сигнала).

Сигнал на выходе фильтра устройства пропорционален входному сигналу.

Укаэанное устройство имеет низкую точность п реобразования, обусловленную погрешностью компаратора, а также нестабильностью источника опорного напряжения. Кроме того, глубина модуляции сигнала на входе фильтра, обусловленная принципом преобразования не может превысить величины 0,5, что обуславливает необходимость соответствующего усиления сигнала и вносит погрешность в процесс преобразования. Фактором, обуславливающим погрел:.ость преобразования данного устройства являются также неидеальность фронтов — "спады" при передаче прямоугольных сигналов по каналам опорного и информацйонного светоизлучателей, опорного и информационого фотоприемников.

Принцип работы устройства обуславливает необходимость передачи без спада как переднего, так и заднего фронтов передаваемых импульсов, что структурно устройством не обеспечивается и обуславливает соответствующую погрешность преобразования.

Цель изобретения — повышение точности передачи сигналов напряжения (тока), Укаэанная цель достигается тем, что в усилитель с оптической связью, передающая часть которого выполнена на входном широтно;импульсом модуляторе, светодио, дах первого и второго оптрона, первом источнике питания, а приемная часть — на фотодиодах первого и второго оптрона, втором источнике питания и выходном фильтре низких частот, при этом один вывод фотодиода первого оптрона подключен к входу импульсного усилителя, введены на передающей части ограничитель сигнала, первый и второй формирователи коротких импульсов, а на приемной части — ограничитель сигнала и расширитель импульсов. При этом к выходу широтно-импульсного модулятора подключен ограничитель сигнала передающей части, между выходом которого и соответствующими выводами светодиодов первого и второго оптронов включены первый и второй формирователи коротких импульсов соответственно, а между выводом источника питания приемной части и соответствующим выводом фотодиода первого теля.

Передающая часть усилителя содержит входной широтно-импульсный модулятор 1, ограничитель 2 сигнала, первый 3 и второй

45 4 формирователи, первый светодиод 5 первого оптрона, второй светодиод 6 второго оптрона, блок 1 питания передающей части.

Приемная часть содержит расширитель 8 импульсный усилитель 9 сигналов, ограни50 читель t 0 сигнала, фильтр 11 низких частот,. перовый фотодиод 12, второй фотодиод 13, первый резистор 14, второй резистор 15, блок 16 питания приемной части. При этом выход входного широтно -импульсного мо55 дулятора 1, который выполнен на операционных усилителях А1, А2, транзисторах V1, Ч2, конденсаторе С1, резисторах R1, R2, R3, R4, R5, R6, соединен с входом ограничителя

2 сигнала передающей части, который вы5

40 оптрона включен фотодиод второго оптрона; Между выходом импульсного усилителя и входом фильтра низких частот включены последовательно соединенные расширитель импульсов и ограничитель сигнала.

Указанные отличительные признаки, т.е. наличие дополнительно введенных блоков и их подключение обеспечивают повышение точности. Так, введение дополнительного ограничителя сигнала в передающую часть, идентичного по своим характеристикам с ограничителем сйгнала в приемной части, компенсирует погрешности, связанные с нестабильностью источника опорного напряжения в прототипе.

Исключение из устройства компаратора устраняет составляющую погрешности компаратора;

Глубина модуляции не ограничивается величиной 0,5, как это имеет место по принципу действия известного устройства и в зависимости от типа примейяемого широтно-импульсного модулятора 4,5 может быть близка к 100;4, благодаря чему не требуется дополнительное усиление сигнала, вносящее погрешность в процесс "передачи, 8 заявляемом устройстве широтно-модулированный сигнал на приемной стороне фоомируется только за счет срабатывания фотодиодов первого и второго оптронов по переднему фронту, что исключает погрешность, связанную с пологостью-спадом заднего фронта передаваемого сигнала, как это имеет место в устройстве — прототипе и дает возможность использовать фотодиоды как в фотодиодном, так и в вентильном режимах.

Ха фиг, 1 представлена структурная схема предлагаембго усилителя; на фиг. 2— диаграммы, иллюстрирующие работу усили1753582 полнен на стабилитронах ЧЗ и V4, причем резистор R6 является одновременно необходимой частью ограничителя 2 сигнала.

Выход последнего соединен с входами первого 3 и второго 4 формирователей коротких импульсов, которые выполнены на транзисторе Ч6. диоде V5, емкости С2, резисторе

R7 и транзисторе Ч8, диоде V7, емкости С3, резисторе PS соответственно. Выход первого формирователя 3 соединен с одним из выводов светодиода 5, второй вывод которого подключен к блоку 7 питания, Выход второго формирователя 4 соединен с одним из выводов светодиода 6, второй вывод которого подключен к блоку питания 7, причем, вход входного широтно-импульсного модулятора 1 является входом устройства.

Передающая часть устройства запитывается от отдельного блока 7 питания, Приемная часть устройства снабжена расширителем 8 импульсов, который выполнен на операционном усилителе А4, транзисторах V9 и Ч10, резисторах R11, R12, R13.

Вход расширителя 8 импульсов соединен с выходом импульсного усилителя 9 сигналов фотодиодов 12 и 13, который выполнен на операционном усилителе АЗ, резисторах

R9 и R10, а выход расширителя импульсов 8 подключен ко входу ограничителя 10 сигналов, который собран на стабилитронах V11 и Ч12, при этом резистор R11 является одновременно и необходимой частью ограничителя 10 сигнала. Выход ограничителя 10 сигнала соединен с входом фильтра 11 низ- ких частот, выход которого является выходом устройства. Вход импульсного усилителя 9 сигналов фотодиодов 12 и 13 соединен с одним иэ выводов первого фотодиода 12, второй вывод первого фотодиода

12 соединен с одним из выводов второго фотодиода 13. Второй вывод второго фотодиода 13 соединен с выводом источника питания, например с общей шиной.

Параллельно первому фотодиоду 12 подключен первый резистор 14, а параллельно второму фотодиоду 13 подключен второй резистор 15. Приемная часть устройства запитывается от отдельного блока 16 питания, не имеющего гальванической связи с блоком 7 питания передающей части.

Усилитель работает следующим образом.

Сигнал напряжения (тока) (фиг. 2а) поступает на вход входного широтно-импульсного модулятора 1, на эмиттерах транзисторов V1, V2 которого сигнал имеет форму, изображенную на фиг. 2б. С выхода входного широтно-импульсного модулятора

1 сигнал поступает на ограничитель сигнала

2, где он ограничивается по амплитуде до уровня Uo1 напряжения пробоя стабилитронов ЧЗ, Ч4 (фиг, 2в).

Широтно-модулированный сигнал с глубиной модуляции, равной

5 И -t2 0вх. ЯЗ

t1+тг 0О1 R 1 () где 0вх — величина входного сигнала напряжения, поступает на входы формирователей

3 и 4. При этом сигнал на базе транзистора

10 V6 формирователя 3 (фиг. 2г) формируется по переднему фронту импульсной последовательности (фиг. 2в), а сигнал на базе транзистора Ч8 (фиг. 2д) формируется по заднему фронту широтно-модулированной

15 последовательности (фиг. 2в), Сигналы на коллекторах транзисторов V6 и Ч8 формирователей 3 и 4 показаны на фиг. 2е и ж соответственно. Сигналы на фотодиодах 12 и 13 приведены на фиг. Зз и и соответственно, 20 Сигнал на выходе импульсного усилителя 9 сигналов фотодиодов 12 и 13 приведен на фиг. 2к, С выхода усилителя 9 сигнал поступает на вход расширителя импульсов 8, сигнал на эмиттерах транзисторов V9 и Н10

25 которого имеет вид, приведенный на фиг.

2л, Сигнал с выхода расширителя 8 импульсов поступает на вход ограничителя 10 сигнала, на выходе которого сигнал имеет вид, показанный на фиг, 2м, 30 Сигнал выхода ограничителя 10 сигнала поступает на вход фильтра 11 низких частот. выходной сигнал 0вых которого изображен на фиг. 2н и с учетом масштаба преобразования соответствует входному

35 сигналу т1 12 живых. = - U02 К11, . (2)

t1+t2 где 0ог — уровень напряжения пробоя стабилитронов Ч11 и Ч12;

40 К11 — коэффициент преобразования по постоянному току фильтра 11 низких частот.

С учетом (1) выражение (2) можно записать в виде

45 . Оог . R 3 .

0вых.=Овх, 1 1 К11 (3)

ОО1

Из (3) следует, что при применении в передающей и приемной части устройства однотипных стабилитронов их температур50 ная нестабильность и временной дрейф в значительной степени компенсируются и не вносят погрешности в процесс преобразования, что является преимуществом заявляемого изобретения. Указанное

55 положительное свойство отсутствует в известном устройстве, в котором точность преобразования полностью зависит от стабильности источника опорного напряжения.

1753582

Преимуществом предлагаемого технического решения является и то, что в отличие от известного фотодиоды в предлагаемом устройстве благодаря оригинальному соединению элементов могут ра- 5 ботать в фотЪгенераторном режиме без снижения точности преобразования, что в силу принципа действия известного устройства-прототипа в нем принципиально не-" возможно. 10

Как известно в вентильном режиме релаксации спадания (длительность заднего фронта) заметно медленней, чем релаксация нарастания (длительность переднего фронта), поэтмому в предлагаемом устрой- 15 стве благодаря наличию двух светодиодов и двух фотодиодов, а также их оринигальному подключению при передаче широтно-модулированного сигнала информацию о моменте изменения знака 20 широтно-модулированной последовательности несет только передний фронт импульсов с фотодиодов 12 и 13. При этом в момент освещения фотодиода 13, импульс тока от последнего поступает на вход импульсного 25 усилителя 9 через резистор 14. А в момент освещения фотодиода 12 токовый сигнал на входе усилителя 9 замыкается по цепи— фотодиод 12 — резистор 15. Укаэанная особенность позволяет также упростить усили- 30 тель — сигналы с выходов обоих фотодиодов усиливаются одним усилителем, а не двумя, как это имеет место в известном устройстве.

Одним из преимуществ является также то, что при изменении частоты модуляции от 35

1 до 20 кГц погрешность преобразования по постоянному току не превышает 0,01$ в то время как у известного при изменении частоты модуляции от 3 до 6 кГц погрешность преобразования возрастает на 1 . 40

Дополнительная погрешность в предлагаемом усилителе при изменении температуры окружающей среды от -30 до+70 С не превышает 0,01 /10 С.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит повысить точность передачи сигналов без усложнения схемы устройства.

Формула изобретения

Усилитель с оптической связью, передающая часть которого выполнена на входном широтно-импульсном модуляторе, светодиодах первого и второго оптронов, первом источнике питания, а приемная часть — на фотодиодах первого и второго-оптронов, втором источнике питания и вйходном фильтре низких частот, при этом один вывод фотодиода первого оптрона подключен к входу импульсного усилителя, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности передачи сигнала, введены на передающей части ограничитель сигнала, первый и второй формирователи коротких импульсов. а на приемной части — ограничитель сигнала и расширитель импульсов; при этом к выходу широтно-импульсного модулятора подключен ограййчйгель сигнала, между выходом которого и соответствующими выводами светодиодов первого и второго оптронов включены первый и второй формирователи коротких импульсов соответственно, а между выводом питания приемной части и соответствующим выводом фотодиода первого оптрона включен фотодиод второго оптрона, между выходом импульсного усилителя и входом -фильтра нижних частот включены последовательно соединенные расширитель импульсов и ограничитель сигнала.

1753582 к) nJ

Составитель Т.Тимченко

Техред М.Моргентал Корректор Л,Филь

Редактор М.Бланар

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2774 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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