Оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов Советский патент 1988 года по МПК G06G9/00 

Изобретение относится к области аналоговой обработки информации,

Цель изобретения - упрощение конструкции, повьшение помехозащищенности 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 из излучателя 4 и фотодиода 5, выводы которого подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилите- ля 2, один из входов которого подключен к шине нулевого потенциала 6 через блок 3 формирования фут кцио- нальной характеристики, который выполнен в виде последовательно ненных токового формирователя 7 мультипликативной составляющей функции и токового формирователя 8 аддитивной составляющей функции.

Устройство позволяет осуществить функциональное преобразование вида

у а(х,Сд)х + Ь(с), (1)

где X, у - входная и выходная переменные соответственно; a aCxjC,)- мультипликативная составляющая функции 1 , реализуемая токовым формирователем 7;

Ь ЪСс-г) - аддитивная составляющая . функции 1 , реализуемая токовым формирователем 8; 1 управляемые параметры

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. Воэникгаая разность потенциалов прикладьшается между входами дифференциального усилителя 2, Этот усилитель имеет большой коэффициент усиления по напряжению. Дифференциальное входное напряжение усилителя 2 вызьшает 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 шина 6, Ввиду 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 замьшания. При работе фотодиода 5 в этом режиме

достигается высокая точность и линейность преобразования оптического сигнала в электрический Ток корот со- го замыкания фотодиода 5 протекает по рассмотренной вьше цепи: выход

усилителя 2 - общая щина 6 и подвергается фзшкциональной обработке в блоке формирования функциональной характеристики 3 последовательно токовыми формирователями 7 и 8, Мультипликативная составляющая в выходной функции, согласно (1), определяется полным сопротивлением между первой и второй клеммами формирователя 7, Аддитивная 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 т.окового формирователя 7, Выходным сигналом уст.ройства является напряжение U между первым входом дифференциального усилителя 2 и общей шиной 6,

50

и

i хз ),

где i ток короткого замыкания фотодиода 5;

сопротивление формирователя 7, являющееся функцией тока короткого за- , мыкания фотодиода 5 и управляемого параметра

Ug{c2)- аддитивная составляющая,

образуемая формирователем 8 и являющаяся функцией управ- ляемсгго параметра с . Преимущественными вариантами технической реализации формирователя 7 являются следующие о

Выполнение формирователя в форме одного или нескольких параллельно- последовательно соединенных фотодиодов, включенных между перв.ой и второй клеммами формирователя 7 и связанных оптически с соответствующими светоди- одами, обеспечивает формирование ло- гарифмической либо другой нелинейной управляемой мультипликативной составляющей в выходной .фзшкции, функциональная зависимость оперативно изменяется с помощью токов возбуждения светодиодов, полное сопротивление формирователя 7 представляется в ни Z Z(i

IC3

l).

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

Z Z(CT);

Вьшолнение формирователя в форме одного или нескольких параллельно- последовательно соединенных полупроводниковых диодов, включенных между первой и второй клеммами формирователя 7, обеспечивает формирование

составляющей в выходной функции, пол- 45 зованием полупроводникового диода

ное сопротивление формирователя 7

представляется в виде

II

Z Z{i);

Вьшолнение формирователя в форме 50 KLG - двухполюсника, включенного между первой и второй клеммами формирователя 7, обеспечивает формирование линейной мультипл псативной составляющей в выходной функции, полное со- 55 противление формирователя 7 представляется в виде

13, обеспечивающего динамическшЧ диапазон логарифмического преобраз вания не менее 60 дБ и резисторной оптопары 14 .с быстродействием не менее 0,5 10 с„ Первой клеммой фо мирователя 7 служит анодный вьгоод диода 13, а второй клеммой - вывод фоторезистора 15 оптопары 14. Свет диод 16 оптопары 14 подключается ч рез клеммы 17 к источнику сигналов управления параметрами Фзшкциональ ного преобразования. Формирователь 8 выполнен на основе диодной оптоп ры 18 с быстродействиями не хуже

Z

Zo f(i

кг

,).

-

1292497

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

Выполнение формирователя в форме источника напряжения с оптоэлектрон- ным 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 преобразования.

Пример 1. Разработанное опто- электронное устройство для функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом. Входной блок 1 преобразования сигналов (фиг.1) выполнен на основе светодио- да А и фотодиода 5, обеспечивающих полосу пропускания блока не менее 10 Гц. Оптическая связь между све- тодиодом 4 и фотодиодом 5 осуществляется волоконно-оптическим жгутом длиной 1400 мм и диаметром I мм. В качестве дифференциального усилителя 2 используют операционный усилитель общего применения, с частотой единичного усиления не менее . - Блок 3 формирования функциональной характеристики (фиг.2) содержит фор- мирователи 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 ийпользованием полупроводникового диода

13, обеспечивающего динамическшЧ диапазон логарифмического преобразования не менее 60 дБ и резисторной оптопары 14 .с быстродействием не менее 0,5 10 с„ Первой клеммой формирователя 7 служит анодный вьгоод диода 13, а второй клеммой - вывод фоторезистора 15 оптопары 14. Свето- диод 16 оптопары 14 подключается через клеммы 17 к источнику сигналов управления параметрами Фзшкциональ- ного преобразования. Формирователь 8 выполнен на основе диодной оптопары 18 с быстродействиями не хуже

, операционного усилителя 19 общего применения и резистора 20. Первой клеммой формирователя 8 служит общая точка соединения инверти- рующего входа и выхода усилителя 19 и анода фотодиода 2 оптопары 18, а второй клеммой - вьюод резистора 20 Светодиод 22 оптопары 8 подключается через клеммы 23 к источнику сигналов управления параметрами функционального преобразования,.

Устройство реализует функциональное преобразование сигнала вида

stix .. - dfc)

, - 17;- 34i. причем

где i

1 и

-1(. 27

С ---г 2 5

токи возбуждения свето- диодов 16 и 22, подводимые через клеммы управляющих сигналов 17 и 23 соответственно5 K,,K,Kj - постоянные, определяемые параметрами полупроводникового диода 13, оптопары 14 и 18 соответственно,

Оперативное управление мультипли- 30 мой - вывод резистора 26„ Второй

кативной составляющей функциональной зависимости осуществляется световым потоком, попадающим на фоторезистор 15 оптопары 14, Этот световой поток

генерирует светодиод 16 той же опто 35 вьшоды резисторов 27, 28 и

конденсатора 29, а второй клеммой - объединенные вьшоды резистора 28, конденсатора .29 и источника питания 30,

Устройство реализует фзшкциональ- ное-преобразование вида

г) -40

45

пары. Ток возбуждения-светодиода 16 подводится через клеммы 17 от внешнего источника. Оперативное управление аддитивной составляющей функциональной зависимости осуществляется световым потоком, попадающим на фотодиод 21 оптопары 18. Этот световой поток создает светодиод 22 той же оптопары. Ток возбуждения светодиода 22 подводится через клеммь 23 от внешнего программирующего источника, I

На указанной элементной базе опто- электронное устройство для функционального преобразования сигналов имеет полосу пропускания 100 кГц по уровню 0,7 для входной -переменной, быстродействие канала управления мультипликативной составляющей функциональной зависимости , быстро- gg действие канала управления аддитив7 ной составляющей функциональной зависимости 10. с. Точность преобразования входного сигнала в полосе

вмГ Z(t).iK3 4 UnuTJ Ra5-RM(J + t°i i R25+R24 (T df- J

Ujo Ras

R

ks

50

R, где Rjj, Rj,

Rj, , 76 сопротивление резисторов 25, 26, 27, 28 соответственно; начальное сопротивление термистора 24j с( - температурный коэффициент сопротивления термистора 24j напряжение источника 30; t° - текущая температура.

изо UnuT

я ,

924976

1 кГц при выходном напряжении не более 3 В 0,5%, Устройство питается от двухполярного источника напряжением il2 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

0 устройство для функционального преобразования сигналов реализовсшо следующим образом.

Блок 1 первичного преобразования сигналов (фиг.1} и дифференциальный

|5 усилитель 2 выполнены, scaK описано выше в примере 1, Блок 3 формирования функциональной характеристики (фиг.З} содержит формирователи 7 и 8 Первая клемма 11 блока 3 подключена

20 к второму входу дифференциального усилителя 2, а вторая клемма 22 - к общей шине 6. Формирователь 7 вы - полнен в виде резистивного двухпо- люсника с положительным температур25 ным коэффициентом сопротивления и имеет термистор 24 и резисторы 25 и .,26, Первой клеммой формирователя 7 служат объединенные вьшоды термисто- ра 24 и резистора 25, а второй кленформирователь В содержит резистор 27, подстроечный резистор 28, конденсатор 29 и источник 30 питания. Первой клеммой формирователя 8 объег) -5

вмГ Z(t).iK3 4 UnuTJ Ra5-RM(J + t°i i R25+R24 (T df- J

Ujo Ras

R

ks

g

0

R, где Rjj, Rj,

Rj, , 76 сопротивление резисторов 25, 26, 27, 28 соответственно; начальное сопротивление термистора 24j с( - температурный коэффициент сопротивления термистора 24j напряжение источника 30; t° - текущая температура.

изо UnuT

Этот вариант выполнения устройства имеет полосу пропускания 100 кГц по уровню 0,7 для входной переменной Точность преобразования входного сигнала в полосе 1 кГц при выходном напряжении не более 3 В 0,5% Устройство питается от двухполярного источника напряжением il2 В, Оно используется для,согласования с исполнительными устройствами на цифровых к-МОП интегральных схемах при работе в диапазоне температур от (-)lO до (+)60°С при питании от автономных источников,

П р и м е р 3, Оптоэлектронное устройство для -функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом.

Блок 1 первичного преобразования сигналов (фиг.1) и дифференциальный усилитель 2 выполнены, как описано вьппе в примере 1 , Блок 3 формирования функциональной характеристики (фиг,4) 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 в виде режекторного фильтра 31. Формирователь 8 имеет два магнитопро вода 32, 33, подстроечный резистор 34, стабилизатор 35 тока и источник 36 питания. Первой клеммой формирователя 8 служит вывод резистора 34, а второй клеммой - точка соединения магнитодиода 32, резистора 34 и истоника питания 36, Магнитодиоды 32 и 33 имеют противоположную ориентацию областей с высокой скоростью рекомбинации, что обеспечивает независимость напряжения на диоде 32 от температуры о

Устройство реализует функциональное преобразование вида

Uj,, Z(f) (Б),

где Z(F) - частотная характеристика полного сопротивления режекторного фильтра 31, напряжение на магнитодио- де как функция напряженности магнитного поля В, коэффициент передачи ре- зистивного подстроечного элемента 34,

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

u,i(B)

К 34устройства 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 зависимое- ти,

Разработанное техническое решение по сравнению с прототипом имеет более простзда 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 Фзгнкциональной характе-- ристики 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, чуо 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 рещаемых задач, поскольку в устройстве имеется возможность простой реализации оперативного управления параметрами функционального преобразования .

Формула изобретения

Оптоэлектронноб устройство для функционального преобразования сигналов, содержащее входной блок преобразования сигналов, дифференциальный усилитель, выход которого является выходом устройства, и блок формирования функциональной характеристики, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкций, повьш1ения помехозащищенности и рас.9J

ширения класса реализуемых функций, в нем входной блок преобразования сигналов вьшолнен в внце фотодиодного оптрона, вьтоды излучателя которо го являются входом устройства, а выводы фотодиода оптрона подключены между первым и вторым входами дифференциального усилителя, первый вход которого соединен с выходом

Фкг.1

П

92497.10

устройства, а второй вход- - через блок формирования функциональной характеристики связан с шиной нулевого

потенциала, причем блок формирования функциональной характеристики выполнен в виде последовательно включенных токового формирователя мультипликативной составляющей функции и токового формирователя аддитивной составляющей функции,

Й7г П

«MVМнВИ шЖ.

И 20

-JJ

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 неин- вертирукяцим 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

2У

Фиг, 2

2S

29

нТ

-8

ФигЗ

г

f

п

32 33

36

Составитель Ю. Козлов Редактор Т. Шагова Техред Л.Олийнык Корректор Э Лончакова

Заказ 3842

Тираж 704 Подписное ВМИИПИ Государетвекного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ilt/ цсл«а.11 ft j t г / с

113035, Москва, Ж-35, Раушская аб.,д,.

полйгр1фйчёскоГпредприятие, г. Ужгород, ул. Проектная. 4

Производственно35

ФигЛ