Функциональный преобразователь Советский патент 1987 года по МПК G06G7/26 

Изобретение относится к аналоговой техргике и может быть использовано при создании широкодиапазонных автоматических устройств для преоб- разования и измерения постоянного тока.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг. 1 приведена структурная 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, I) дифференциальный операционньй усилитель 1 инвертор 2, п аппроксимирующих ячеек 3.1 - З.п, n+I входных масштабных резисторов 4.-1 - 4.(п+1), ключ 5, блок 6 индикации, компаратор 7 напря лсения, генератор 8 импульсов, с-4ет- чик 9, триггер 10,,формирователь 11 импульсЪв,. преобразователь 12 код - аналог, формирователь 13 компенсирующего напряжения, содержащий вход 14, выход 15 и управляющий вход. 16, группу 17 из п преобразователей IS. I - 18.П код - аналог.

Каждая из п аппроксимирующих ячеек Зо1 З.п содержит (фиг. 2), первьш, второй и третий вход{ 1 19 - 21, инвертирующий операционный уси- литель 22, первый, второй, третий и четвертьй масштабные резисторы 23 - 26, компаратор 27 напряжения, коммутирующий элемент 28, содержащий двунаправленный и однонаправленный ключи 29 и 30, повторитель 31, первьш и второй выходы 32 и 33 аппроксимирующей ячейки.

Формирователь 13 компенсирующего 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 выходу 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 I, пропорциональное току исследуемого сигнала. На второй ее вход 20 подается опорное напряже- ние, полярность которого выбирается противоположной полярности выходного напряжения усилителя I,

До тех пор, пока ток через первьй масштабный .резистор 23 по величине

будет меньше тока через второй масштабный резистор 24, полярность выходного напряжения операционного усилителя 22 будет определяться полярностью опорного напряжения Uo. 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 тре-

тий масштабный резистор 25, Выключенное состояние аппроксимирующей ячейки определяется по состояний 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

рез.истор 24, полярность выходного напряжения операционного усилителя определяется полярностью напряжения на выходе дифференциального операционного усилителя I. 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 ячей- . ка 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 предьщущим 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

31

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 11 импульсов. На время паузы между импульсами формирователя 11 функци- овальный преобразователь устанавли вается в режим Коррекция.

С момента наступления начала |Паузы цосле очередного импульса .формирователя 1 импульсов запуска- бтся 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 триг- гер 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 запуск-ается 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 онального преобразователя в режиме Коррекция,

В режиме Коррекция ток исследуемого сигнала на вход функционального преобразователя не поступает. Ключ 5 открыт на все время, в тече- ние которого триггер 10 находится в исходном (выключенном) состоянии. Поэтому с момента наступления паузы между импульсами формирователя 11 до первого импульса с выхода переполне- ния счетчика .9 на вторые входы аппроксимирующих ячеек 3.1-3,П через ключ 5 поступает опорное напряжение DO, которое устанавливает их в выклю

854

чанное 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, обычно меньше их порогов срабатывания и поэтому на состояния аппроксимирующих ячеек влияния не окажет. -В 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 11 импульсов, блокирующий влияние компараторов 27 напряжения на кЪммутирующие элементы 28. Дпя остальных аппроксимирующи ячеек, пороги срабатывания которых заведомо выше начального напряжения |На выходе усилителя 1 , подача сигнал блокировки не обязательна.

Задним фронтом импульса формирователя 11 импульсов (в начале режима Коррекция) преобразователь 12 код- аналог устанавливается в состояние, при котором разрешается прохождение текущего значения кода с информационных выходов счетчика 9 на внутрен- ние 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 соответствов-ать 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 формиS

рователя I 1 импульсов запрета на прохождение информации не будет. Выходное напряжение преобразователя 12 код - аналог поступает на вход усилителя 1 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 12 код - аналог на- пряже ие изменяется в диапазоне iU, В зависимости от знака данного напряжения (для случая выполнения формирователя 13 компенсирующего напряжения на фиг, 4) ток будет протекать либо через светодиод оптопа- ры 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,

Когд а компенсирующее напряжение на выходе формирователя 13 станет равным по величине и против оположным по знаку напряжению дрейфа усилите- ля I, 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 вре мя режима Коррекция и все время режима Измерение не изменит своего состояния и будет хранить код, пропорциональный полученному напряже нию компенсации.. .

Напряжение на выходе усилителя 1 в данном случае не будет равно нулю, а будет зависеть от напряжения дрейфа инвертора 2, а именно

тт - тт .t АР.1 ,

(О

где UK К - напряжение дрейфа и модуль коэффициента усиления инвертора 2 соответственно,

С приходом 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

Q g о 5

о Q

5

0

5

85б

триггера 10 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 I2 код - аналог. Нулевому коду на информационных входах преобразователей 18,1-18,п код - аналог должны соответствовать их выходньге 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 элементы памяти преобразователей 18,1-18,п код- аналог. Текущее значение кода с информационных выходов счетчика 9 будет поступать на информационные входы внутренних элементов памяти отдельно вз ятьгх 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 1 и напряжения дрейфа операционного усилителя 22 и повторителя 31, Компенсирующее напряжение на третьем входе отдельно взятой аппроксимирующей ячейки в момент полной компенсации определяешься из выражения

+

и

Bbll

ElL + и . --, no-ai -

R

29

R,

где Uftpii Напряжение дрейфа операционного усилителя 22;

R ЧКЭ 13

, i- . i. ,

к .

1

25

- сумма проводимостеи резисторов 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

30разомкнуты. Следовательно , связей между аппроксимирующими ячейками 3.1-3.и 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 U на вторые входы аппроксимирующих ячеек 3.1-3.п. Начнется режим Измерение при котором на вход преобразователя поступит ток исследуемого сигнала.

Так как напряжение и„,„ . (1) бу- .

р I

дет скомпенсировано на этапе режима Коррекция, то в режиме Измерение влиянием его можно пренебречь, как и влиянием напряжений дрейфа операционных усилителей 22 и повторителей

31аппроксимирующих ячеек 3.1-3.п.

В зависимости от величины входног тока преобразователь будет работать на том или ином участке аппроксимации. При работе на т-м участке аппроксимации будут включены аппроксимирующие ячейки 3.1-3(т-1), и напряжение на выходе инвертора 2 определится из выражения

31858

J6ыx .0 , -x(™-,i

,,

где и

ntm -;

10

15

(2.)

- напряжение порога срабатывания аппроксимирующей ячейки 3.(т-1) после коррекции его напряжепия

смещения: .т L.- величина входного тоoit

ка, находящегося в пределах т-го участка aппpoкcи aции

г -го

L ei(ni-l 81 «

1

бУГЧ

1;

8«(.

И 1

бхт

К

1

5

0

входные токи в точках изменения крутизны в конце (m-l)-ro и га-го участков аппроксимации;

коэффициент пропорци- ональности для т-го участка аппроксимации.

Коэффициент пропорциональности в выражении (2) определяется из выражения

П-11

,:-KV;

Кп,

к

RA.:

RS

5

R

Ain+O

R

4.,

0

где К. --- - коэффициент передачи

аппроксимирующей ячейки 3.1 по ее первому входу.19; номинал резистора 4.(п+1);

номинал резистора 4.1. Информация о включенном.участке аппроксимации с вторых выходов аппроксимирующих ячеек 3.1-З.п поступает на входы блока 6 индикации.

Из описания работы преобразовате- 5 ля видно, что в процессе первой коррекции устраняется влияние напряжений дрейфа дифференциального операционного усилителя 1 на смещение участков аппроксимации. В процессе 0 дальнейших коррекций устраняется влияние напряжений дрейфа инвертора 2 и операционного усилителя 22 совместно с повторителем 31 каждой входящей в преобразователь аппроксимиру- 5 ющей ячейки как на смещение каждого участка аппроксимации, так и на пороги срабатывания аппроксимирующих ячеек, так как одновременно с компенсацией напряжения смещения порога ера91

батывания на первом выходе 32 аппрок симиругощей ячейки устанавливается нулевое напряжение.

Предложенный функциог альный пре образователь 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 преобра;зователь5, содержащий дифференциальный операционный усилитель, выход которого поД ключеп к входу инвертора, источник опорного напряжения, подключенный к информационному входу ключа, п аппроксимирующих ячеек, каждая из которых содерлсит .инвертирующий операционный усилитель, ВХОД которого соединен с первым.и выводами первого, вто- рого и третьего масштабных резисторов., вторые выводы первого и второго масштабных резисторов являются первым и вторым входами аппроксимирующей ячейки, и повторитель, подклю- ченный выходом к второму выводу третьего масщтабного резистора, первые входы п аппроксимирующих ячеек объединены и подключены к выходу дифференциального операционного усилителя первый выход каждой 1-й (,2,... о.., п) аппроксимирующей ячейки через i-й входной масштабный резистор и выход инвертора через (п+1)-й входной масштабный резистор подклю- чены к входу преобразователя, второй выход каждой i-й аппроксимирующей ячейки соединен с соответствующим i-M 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 подклю- чены к соответствующим информационным выходам счетчика, формирователь импульсов, соединенный выходом с входом блокировки генератора импуль

сов, отличающийся тем, что, с целью .повышения точности., в неГо введены группа из п преобразователей код - аналог, триггер и фор

Q

r

0 5 0 g 0 5 Q

5

8510

мирователь компенсирующего напряже™ ния, 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 подключен- к шине нулевого потенциала, вторые входы п аппроксимирующих ячеек объединены и подключены к выходу ключа, вход управления которого подключен к выходу триггера, информационные вхо- ДБ1 п преобразователей код - аналог группы подключены к соответствующим информационным выходам счетчика, входы разрешения п преобразователей код - аналог группы объединены и подключены к выходу триггера, вход запрета i-ro преобразователя код аналог группы подключен к второму выходу i-й аппроксимирующей йчейки, в .каждую из п аппроксимирующих ячеек дополнительно введены компаратор напряжения и четвертый масштабный резистор,, первьй 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, -а управляющий вход подключен к выходу компаратора напряжения-, являющемуся вторым вьпйод-ом аппроксимирующей ячейки,., третий вход которой подключен к выходу i-ro преобразователя код - аналог о группы .

Uo

/

15

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

Фие. 1

25

22

27

32 4)33

Фиъ.2

QJas,

Составитель М. Зайцев Редактор М, Келемеш Техред Л.Олийнык Корректор В.

Заказ 6362/39 Тираж 671Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж--35, Раушская наб,, д. 4/5

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