Многоканальное устройство для ввода информации Советский патент 1983 года по МПК G06F3/00 

Изобретение относится к автоматике, измерительной информационное и вычислительной технике и предназначено для коммутации и преобразования аналоговых сигналов низкого уровня от датчиков при проведении экспериментальных научных исследований и при управлении технологическими процесссми.

Известны устройства, используемые для сбора и преобразования-сигналов с большего количества датчиков в измерительных информационных системах, и содержащие датчики,коммутатор с ключевыми элементами, управляемыми через разделительные трансформаторы, усилитель постоянного тока и аналого-цифровой преобразователь 1 .

Недостатком этих устройств является невысокая надежность, которая в частности ограничивается снижением точности устройства из-за малой стабильности тока управления при зг1мыкании ключевого элемента.

Наиболее близким к изобретению является устройство, в котором для повышения точности в цепи вторичных обмоток разделительных трансформаторов введены токостабилиэирующиеэле

менты, обеспечивающие стабильный ток управления при замыкании ключевого элемента Г.

Однако известное устройство не обеспечивает высокой надежности при применении датчиков с изменяющимся под воздействием физического параметра сопротивлением при наличии на выходах этих датчиков синфазных помех,

10 возникающих из-за нгшичия разности потенциалов между шиной нулевого потенциала (корпусом) измерительного устройства и корпусом изделия, ,на котором установлены датчики,

15

В частности точность этого устройства снижается из-за паразитного сигнала, воэникгиощего на выходе датчика при протекании по изменяющемуся сопротивлению датчика входного

20 тока усилителя.

Кроме того, снижение надежности известных устройств вызывается их недостаточной помехоустойчивостью, которая при отсутствии в этих уст25 ройствах полной гальванической развязки измерительных и управляющих цепей, ограничивается разбалансом синфазных емкостей на входе каждого канала и на выходе коммутатора, а 30 также способностью усилителей подавлять синфазный сигнал помех на входе усилителя.

Цель изобретения - повьпиение надежности и помахоустойчивости устройства при применении датчиков с изменяющимся сопротивлением и наличии синфазных помех.

Поставленная цель достигается тем, что- в многоканальное устройство для ввода информации, содержащее распределитель импульсов, выходы которого соединены с первыми входами разделительных элементов, выходы которых соединены с управляющими входами коммутатора, парный и второй выходы которого соответственно соединены с первыми и вторыми входами усилителей группы, выходы которых соединены с информационными входами соответствующих аналоговых ключей группы, выходы которых соединены с первым входом аналогоцифрового преобразователя, генератор тактовых импульсов, вход которого соединен с первым выходом блока выбора диапазона, а выход - с входами распределителя импульсов и элемента задержки, первый аналоговый ключ, информационный, вход которого соединен с первым выходом коммутатора, шину нулевого потенциала и датчики, введены инвертор, второй, третий и четвертый аналоговые ключи, первый, второй, третий и четвертый элементы гальванической развязки и группа элементов гальванической развязки, буферный повторитель, источник стабипизированных токов, согласующие элементы и первый и второй ограничительные элементы, причем вторые входы разделительных элементов соединены с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, с третьими входами усилителей группы, входом источника стабилизированных токов, выходы которого соединены с первым и вторым выходами коммутатора, и с выходом буферного повторителя, первый вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а его второй вход подключен к второму выходу коммутатора, выход первого аналогового ключа соединен с информационным входом второго аналогового ключа и через первый ограничительный элемент - с информационным входом третьего аналогового ключа, выход которого соединен с входом источника стабилизированных токов, второй выход коммутатора соединен с выходом второго аналогового ключа, информационный вход которого через второй ограничительный элемент соединен с информационным входом четвертого аналогового ключа, выход которого соединен ..с шиной нулевого потенциала, выход аналого-цифрового преобразователя через первый элемент гальванической развязки соединен с входом блока выбора диапазона, управляющие входы первого и второго аналоговых ключей соединены между собой и через второй элемент гальванической развязки подключены к выходу элемента задержки, управлякадий вход третьего аналогового ключа через третий элемент гальванической развязки соединен с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу элемента задержки, управляющий вход четвертого аналогового ключа через четвертый элемент гальванической развязки соединен с выходом генератора тактовых импульсов, управляющие входы аналоговых клюней группы через группу элементов Гальванической развязки соединены соответственно с выходами группы блока выбора диапазона, входы согласующих элементов соединены с выходами датчиков, а выходы согласую,щих элементов подключены к информационным входам коммутатора, выход первого элемента гальванической развязки является выходом устройства.

На чертеже приведена функциональная схема многоканального устройства для ввода информации.

Устройство содержит аналоговые ключи 1 группы, усилители 2 группы, первый аналоговый ключ 3, первый ограничительный элемент 4, третий аналоговый ключ 5, аналого-цифровой преобразователь б, источник 7 стабилизированных токов, второй аналоговый ключ 8, второй ограничительный элемент S, четвертый аналоговый ключ 10, буферный повторитель 11,шину 12 нулевого потенциала, первый элемент 13 гальванической развязки, группа элементов 14 гальванической развязки, второй 15, третий 16 и четвертый 17 элементы гальванической развязки, распределитель 18 импульсов, разделительные элементы 19, коммутатор 20, согласующие элементы 21, датчики 2.2, элемент 23задержки, инвертор 24, блок 25 диапазона, генератор 26 тактовых импульсов и выходные шины 27 устройства.

Ограничительные элементы 4 и 9 могут выполняться на резисторах, включенных, между входом и выходом, разделительные элементы 19 - на импульсных трансформаторах, первичная обмотка которых подключена к первому входу, вторичная - к выходу, а проводящий сердечник - к второл у входу разделительного элемента, согласующие элементы 21 - в виде пинии с двумя соединяющими первые два.входа с выходами элемента сигнальными проводами, скрученными с малым шагом и помещенными в изолированную .экранирующую оболочку, соединенную 5 J третьим входом элемента. Элементы

гальванической разаязки 13-17 могут выполняться в виде оптоэлектронных пар.

Датчиками 22 низкого уровня могут являться термопарыили тензометрическиё датчики, термометры сопро- тивления и т.п., включенные по мостовой схеме. Третьим выходом датчика является при этом точка спая элементов термопары или с едняя точка источника питания датчиков, вклю- О ченннх по мостовой схеме. Эта точка соединяется с корпусом изделия, на котором установлены датчики.

Источник 7 стабилизированных токов может выполняться в виде вы- |5 сокоомных резисторов, включённых последовательно с источником стабильного напряжения, буферный повторитель 11 представляет со- бойусилительный каскад с единичным 20 коэффициентом передачи выполненный, например, на операционном усилителе с полевым транзистором на входе и мощным выходом.

Для уменьшения влияния наводок 95 jOT внешних полей и уменьшения паразитных емкостей сигнальных цепей относительно земли.аналого-цифровой преобразователь б, ангшоговые ключи

Iгруппы, усилители 2 группы, все отдельные аналоговые клотчи 3,5,8 и 10, ограничительные элементы 4 и 9, источник 7 стабилизированн лх токов, буферный повторитель 11, раздели- тельные элементы 19 и коммутатор

20 помещаются в изолированный защит- 35 ный экран, подключенный к цепи, объединяющей второй вход аналогоцифрового преобразователя б с третьгими входами усилителей 2 группы,выход третьего аналогового ключа 5, 40 вход источника 7 стабилизированных токов, выход буферного повторителя

IIи вторые входы разделительных элементов 19. Назовем эту цепь общей шиной.45

Устройство работает следующим образом.

По сигналу запуска с регистратора (чсоде всего это ЭВМ), поступающего по шинам 27, через блок 25 выбора диaпa-,JQ зона запускается генератор 6 тактовых импульсов.

При поступлении импульса с генератора 26 тактовых импульсов на распределитель 18 на одном из выходов распределителя 18 вырабатывается импульс, который через соответствующий раздеительный элемент 19 открывает один из ключей коммутатора 20. Пройдя чеез элемент 23 задержки и второй лемент 15 гальванической развязки 0 тот тактовый импулъс закрывает перый 3 и второй 8 аналоговые ключи.

Одновременно этот тактовый ИМУЛЬС череп инвертор 24 и третий эле- 5

мент гальванической развязки 16 закыкает третий аналоговый ключ 5 и через четвертый элемент гальванической развязки 17 размыкает четвертый аналоговый ключ . При этом выход-. ной сигнал соответствующего датчика 22 на синфазном потенциале помехи через один из согласующих элементов 21 и коммутатор 20 поступает на объединенные входы усилителей 2 группы и на второй вход буферного повторителя 11. Емкость защитного экрана и проводящих сердечников разделительных элементов 19 на шину нулевого потенциала 12 (землю) заряжаются до синфазного потенциала подключенного датчика 22, потенциал общей шины устанавливается равным синфазному

.потенциалу датчика 22, емкости выходных шин коммутатора 20 относительно общей шины остаются разряженными, входные токи усилителей 2 группы и компенсирующие их токи источника 7 стабилизированных токов протекают через плавающий на синфазном потенциале датчик 22 и за1 «лкаются через корпус изделия, на котором установлены датчики 22, и шину нулевого потенциала 12 на общую шину.По сигналу с блока 25 выбора диапазона через элменты 14 гальванической развязки группы открывается один из аналогошлх ключей 1 группы, подключая выход соответствующего усилителя 2 гру пы к входу аналого-цифрового преобразователя 6. Цифровой код с аналогоцифрового преобразователя 6 через певый элемент гальванической развязки 13 поступает на вход блока 25 выбора диапазона и на выходную шину 27 устройства.

В предлагаемом устройстве повышена точность, так какв нем скомпенсированы входные токи усилителей и практически исключена погрешность от протекания этих токов по изменяющемуся сопротивлению датчиков, так как входной ток усилителей через датчик в данном случае не протекает, а замыкается на источник стабилизированных, токов.

В предлагаемом устройстве также повышена помехоустойчивость, так как в нем цепь измерительного тракта изолирована, от земли и привязана к потенциалу синфазной помехи, что обеспечивает работу усилителей практически без синфазных помех и устраняет влияние синфазных помех на ком. пе«сацию входных токов усилителей.

Кроме того, помехоустойчивость предлагаемого устройства повышена за счет устранения заряда синфазной помехой емкбстей выходных шин коммутатора огносительио общей шины, чем значительно ослаблен эффект преобразвания синфазной помехи в дифференцисшьную, обусловленную разбалансом сопротивлений плеч датчиков и разбалансом емкостей выходных шин коммутатора- относительно шины нулевого потенциала. При этом третий аналоговый ключ 5 замыкается в момент размыкания первого 3 и второго 8 аналоговых ключей, осуществляя привязку потенциала точки их соединения к потенциалу общей шины, что предотвращает накопление паразитного заряда в это точке, могущего создавать помехи на выходах коммутатора. Кроме того, повышение помехоустой чивости обеспечивает также четвертый аналоговый ключ 10, замыкаемый на время размыкания ключевых элементов коммутатора 20 и подключающий вход буферного повторителя 11к шине 12 нулевого потенциала через первый ан логовый ключ 3 и ограничительный эл ме|5т 9. Наличие третьего 5 и четвертого 10 аналоговых ключей сохраняет быст родействие устройства на уровне нескольких тысяч измерений в секунду, так как предотвращает наличие в устройстве точек свободного потенци ала, что исключает возможность накопления паразитных зарядов и сн.йжает время протекания переходных пр цессов, элементы 4 и 9 слуясат для ограничения токов при замыкании клю чей 5 и 10. В результате повышения точности и помехоустойчивости предлагаемое устройство Обеспечивает повышение д товерности регистрируемой или вводи мой в ЭВМ аналоговой информации с да1тчиков в условиях меняющегося сопротивления датчиков и при наличии синфазных помех. Формула изобретения Многоканальное устройство для вво да информации, содержащее распредели тель импульсов, выхо,аы которого сое.данены с первыми входами разделитель ных элементов, выходы которых соедииены с управляющими входами коммутатора, первый и второй выходы которогс соответственно соединены с первыми и вторыми входами усилителей группы выходы которых соединены с информационными входами соответствующих ана логовых ключей группы, выходы которы соединены с первым входом аналогоцифрового преобразователя, генератор тактовых импульсов, вход которого соединен с первым выходом блока выбора диапазона, а выход - с входами распределителя импульсов и элемента задержки, первый аналоговый ключ, информационный вход которого соединен с первым выходом коммутатора, шину нулевого потенциала и датчики, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и помехоустойчивости устройства, в него введены инвертор, второй, третий и четвертый аналоговые ключи, первый, второй, третий и чет вертый элементы гальванической развязки и группа элементов гальванической развязки, буферный повторитель, источник стабилизированных токов, согласующие элементы и первый и второй ограничительные элементы, причем вторые входы разделительных элементов соединены с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, ,с третьими входами усилителей группы, входом источника стабилизированных токов, выходы которого соединены с первым и вторым выходами коммутатора, и с выходом буферного повторителя, первый вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а его второй вход подключен к второму выходу коммутатора, выход первого аналогового ключа соединен с информационным входом второго аналогового ключа и через первый ограничительнай элемент с информационным входом третьего аналогового ключа, выход которого соединен с входом источника стабилизированных токов, второй выход коммутатора соединен с выходом второго аналогового ключа, информационный вход которого через второй ограничительный элемент соединен с информационным входом четвертого аналогового ключа, выход которого соединен с шиной нулевого потенциала, выход аналогоцифрового преобразователя через первый гэлемент гальванической развязки соединен с входом блока выбора диапазона, управляющие входы первого и второго аналоговых ключей соединены между собой и через второй элемент гальванической развязки подключены к выходу элемента задержки, управляющий вход третьего аналогового ключа через третий элемент гальванической развязки соединен с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу элемента задержки, управляющий вход четвертого аналогового ключа через четвертый элемент гальванической развязки соединен с выходом генератора тактовых импульсов, управляющие входы аналоговых ключей группы через группу элементов гальванической развязки соединены соответственно с выходами группы блока выбора диапазона, входам согласующих элементов соединены с выходами датчиков, а выходы согласующих элементов подключены к информационным входам коммутатора, выходпервого элемента гальванической развязки является выходом устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

1.Авторское свидетельство СССР 374742, кл. Н 03 К 17/56, 1971.

2.Авторское -свидетельство СССР № 615602, кл. Н 03 К 17/56, 1978 (прототип).