Устройство для передачи и приема данных по двухпроводной линии Советский патент 1992 года по МПК H04B3/54 G08C19/02 

Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано для передачи и приема информации по двухпроводной линии связи, в которой проводники питания постоянным током используются в качестве информационного канала передачи.

Известна двухпроводная телеметрическая система передачи сигналов постоянного тока, со- держащэя передающую часть, два провода связи и приемную часть. Передающая часть содержит датчик, представляющий источник информации, передатчик, выполненный в виде преобразователя напряжения в сигналы постоянного тока, транзисторе и сторе, и приемная часть содержит источник постоянного тока, преобразователь сигналов постоянного тока в напряжение, выполненный в виде резистора величиной 25 Ом, усилитель и приемник.

К недостаткам представленного аналога относится то, что источник постоянного тока предназначен дли запитки слабым током только датчиково-передающие части, являющиеся его электропотребителем.

Известно также устройство передачи и приема информации по двухпроводной линии связи, содержащее передающую часть, включающую источник информации, преобразователь параллельного кода в последовательный, формирователь сообщения, делитель и передатчик, выполненный на основе операционного дифференциального усилителя, два проводника связи и прием ел ел

W 00

о

ную , включающую источник постоянного тока, преобразователь сигналов постоянного тока в напряжение, выполненный на низкоомном резисторе, и приемник, выполненный на усилителе, селекторе, преобразователе кода.

К недостаткам данного устройства относятся большие энергопотери за счет выделений тепловых потерь на преобразователе сигналов постоянного тока в напряжение при включений эле Ктро- кя1пано8, а такжЈ снижение уровня напряжения питания электроклапанОВ за счет падентйя напряжения на преобразователе сигналов постоянного тока пропорционально току потребления.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для передачи данных по двухпроводной линии, соДержаЙ(ё 1Јт1Ґр ё- датчике операционный дифференциальный усияитёль, первый вывод питйнйя которого подключён к первому проводу двухвг р дёод- нои линии, второй вывод питания через генератор тока - к второму проводу двухпроводной линии, а выход операционного усилителя соединен с базой транзистора, а неинвертирующий вход операционного дифференциального усилителя - с первым выводом п ервокгр езйсто- ра, кроме того, формирователь сообщений одним выводом подключён к первШу про- воду двухпроводной линии, а втоТШКГ бьгво- дом к второму выводу питания операционного дифференциального усилителя, э в приемнике первый вывод источйи- ка постоянного тока подключён к Первому провода Двухпроводной линии.

Устройство выполнено в виде преобразователя напряжений в сигналы постоянного тока На осночве операционного дифференциального усилителя, который производит сравнение входного напряжения, подаваемого на его прямой вход, с напряжением обратной свиязи, подаваемым на его инверсный вход и еформированный вы- ходной сигнал пропорциональный разности напряжений подаете на тракзмсторТкото- рый разность напряжений преобразует в сигнал гёоетбянного тока, исполезуя при этом общие пЈо&од йкй питания.

К недостаткам выбранного прототипа относятся большие знергопотери за счет выделений тепла на прёобразойатеУе Сигналов постоянного тока в напряжение, йУпол- неннбм на резисторе, при токопотреблении другими & ёЧ5троп0требителями через общие проводники питания; отсутствие в цепи обратной связи операционного дифференциального усилителя средств компенсации фазового сд вига, вносимого индуктивными

и емкостными составляющими нагрузок, подключаемых к общим проводникам питания и снижающих запас устойчивости устройства. В цепь обратной связи

операционного дифференциального усилителя через транзистор включается емкость двухпроводной линии питания и индуктивность подключаемых электропотребителей, в частности высокая от 0,75 до 1,5 Гн индук0 тивность электроклапанов двигательной установки, которые делают цепь обратной связи частотно-зависимой. Частотно-зависимая цепь обратной связи вносит фазовые сдвиги, тем самым снижая запас устойчиво5 сти устройства.

Цель изобретения - сокращение энергозатрат путем исключения потерь на преобразователе сигналов постоянного тока в напряжение при одновременном обеспече0 нии компенсации фазового сдвига.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве передачи и приема данных по двухпроводной линии, содержащем в передатчике Операционный дифференциальный

5 усилитель, первый вывод питания которого подключен к первому проводу двухпроводной линии, второй вывод питания через генератор тока - ко второму проводу двухпроводной линии, а выход операЦион0 ного дифференциального усилителя соединен с базой транзистора, а неинвертирующий вход операционного дифференциального усилителя - с первым выводом первого резистора, кроме того,

5 формирователь сообщений, одним выводом подключена первому проводу двухпроводной линии, а вторым выводом ко второму выводу Питания операционного дифференциального усилителя, а в приемнике первый

0 вы вод источника постоянного тока подключен к первому провбду двухпроводной линии, в отличие от прототипа, в приемнике введен преобразователь сигналов постоянного тока в напряжение, выполненный в ви5 де дросбеяя. который подключен к второму вывтзду источника постоянного тока и второму ггроводу двухпроводной линии, а в передатчике введены второй, третий и четвертый резисторы, первый, второй и третий конден0 саторы, первый и второй стабилитроны, причем чкато д первого стабилитрона подключён к первому выводу питания операционного дифференциального усилителя, и анбд к катоду второго стабилитрона, причем

5 анод второго стабилитрона подключен к второму выводу питания операционного дифференциального усилителя, кроме того, анод первого стабилитрона соединен с эмиттером транзистора и первым выводом второго резистора, второй вывод которого

подключен через первый конденсатор к инвертирующему входу операционного дифференциального усилителя и ко второму выводу первого резистора, первый вывод которого через второй конденсатор подклю- чен ко входу формирователя сообщений, причем инвертирующий вход операционного дифференциального усилителя соединен с первым выводом третьего резистора и через третий конденсатор - с коллектором транзистора, который через четвертый резистор подключен к второму проводу двухпроводной линии, причем выход операционного дифференциального усилителя подключен ко второму вы воду третьего резистора.

На фиг. 1 представлена обобщенная электрическая принципиальная схема устройства передачи и приема данных по двухпроводной линии; на фиг.2 представлена электрическая принципиальная схема устройства на p-n-p-транзисторе; на фиг.З - амплитудно-частотная характеристика устройства; на фиг.4 - эквивалентная электрическая схема цепи обратной связи операционного дифференциального усилителя; на фиг.5 - характеристика намагничивания дросселя в зависимости от величины проходящего постоянного тока устройства.

Устройство содержит два общих проводника 1 и 2 питания, передатчик и приемник. Приемник образуют последовательно соединенные формирователь 3 сообщения, операционный 4 дифференциальный усили- тель с элементами включения, стабилитронами 5 и б, резисторами, конденсаторами и транзистор 7, включенные в качестве нагрузки генератора 8 стабильного тока, кото- рый включен между двумя общими проводами 1 и 2 питания. Приемник образуют источник 9 постоянного тока и преобразователь 10 сигналов постоянного тока, выполненный в виде дросселя. На фиг.1 показан пример подключения электропотре-

бителей 112k-1, где к 7,8,. ., в качестве

которых использованы электроклапаны, за- питываемых от источника 9 постоянного тока. Так же представлена эквивалентная схема электроклапана, включающая после- довательно соединенные индуктивность L величиной 0,75-1,5 Гн и резистор R величиной 16-24 Ом, и параллельно подключенную к ним емкость С величиной 60 пФ. Электрические номиналы на электроклапан взяты их технических условий на эти изделия. Электроклапаны подключаются к проводу 1 через ключи 2k, где к 7На фиг.1

не показано, каким образом осуществляется их управление через эти ключи.

Схема включения операционного 4 дифференциального усилителя выполнена управляемой по переменному току с целью обеспечения высокого входного сопротивления по постоянному току Стабилитроны 5 являются делителем напряжения, формирующим уровни питания для операционного усилителя, а так же стабилизатором напряжения для блоков схемы, включенных в качестве нагрузки генератора 8 стабильного тока. Так как вход и выход усилителя находятся под определенным напряжением относительно второго провода 2, то для передачи сигналов на входе и выходе усилителя используются блокировочные элементы, а именно на входе конденсатор С1, на выходе транзистор 7, которой введен в область отсечки за счет соединения эмиттера со средней Точкой последовательно включенных стабилитронов 5,6. Конденсатор С1 на низких частотах определяет передаточную функцию операционного усилителя. Падение напряжения на низких частотах определяется постоянной времени C1R2, причем снижение усиления на 3 дБ наблюдается на нижней частоте равной

f 2лгС1 R2

Сдвиг напряжения усилителя, вызываемый входным током, может быть минимизирован, если на входы усилителя включить резисторы одинаковой величины, т.е. резисторы R1, R3 должны быть примерно одинаковой величины. R1 - представляет входное сопротивление операционного усилителя, С1 - разделительная емкость для передачи переменной составляющей напряжения от формирователя 3 сообщения к усилителю 4. Резистор R3 включен в цепь обратной связи операционного усилителя и в соотношении с резистором R2 определяет величину петлевого коэффициента усиления по низкочастотному каналу передачи. Конденсатор СЗ, включенный в цепь обратной связи операционного усилителя между его инвертирующим входом и коллектором транзистора 7, вместе с дифференциальным сопротивлением Гк транзистора образует цепь, предназначенную для компенсации фазового сдвига, вносимого в цепь обратной связи дросселем и реактивным составляющим нагрузок источника 9 постоянного тока, тем самым обеспечивая высокочастотный канал передачи сигнала в цепи обратной связи. Транзистор 7 преобразует усиленное переменное напряжение, подаваемое на вход операционного усилителя, в сигналы постоянного тока, протекакЯцйе по проводам двухпроводной линии. Резистор R4, включенный в цепь коллектора транзистора, задает величину сигналов постоянного тока, передаваемых по проводам двухпроводной линии. В схеме включения операционного усилителя 4 элементы частотной коррекции не показаны, т.к. являются стандартными решениями и зависят от типа и исполнения операционного усилителя. В качестве формирователя 3 сообщения может быть использован известный формирователь сообщения. Плюсовые и минусовые клеммы источника постоянного тока на обобщенной электрической схеме устройства, представленной на фиг.1, не обозначены, так как при подключении плюсовой клеммы источника 9 к проводу 1, а минусовой - к дросселю 10, в качестве транзистора 7 используется транзистор p-n-p-типа, плюсовой вывод операционного 4 усилителя и катод стабилитрона 5 подключаются к проводу 1, причем анод стабилитрона б, последовательно включен- ного со стабилитроном 5, подключается к минусовому выводу усилителя 4. При подключении минусовой клеммы источника 9 к проводу 1, а плюсовой - к дросселю 10, в качестве транзистора 7 используется тран- зистор n-p-n-типа, минусовой вывод операционного 4 усилителя и анод стабилитрона 5 подключаются к проводу 1, причем катод стабилитрона 6, последовательно включенного со стабилитроном 5, подключается к плюсовой клемме операционного 4 усилителя.

Изобретение иллюстрируется на примере конкретного исполнения устройства, представленного на фиг.2.

Источник 9 постоянного тока обеспечивает запитку передатчика и электропотребителей 11 2k-1 напряжением порядка

30 В соответствующее бортовому питанию летательного аппарата. Стабилитроны VD1, VD2 к примеру 2 С512 А, формируют стабилизированное напряжение питания для операционного усилителя соответствующее +24 В и +12 В относительно анода стабилитрона VD2, транзистор VT p-n-p-типа нахо- дится в области отсечки.

Электропотребители 11 2к-1, подключаясь к источнику постоянного тока через ключи 12 2К в соответствие с

циклограммой работы двигательной уста- новки летательного аппарата, потребляют постоянный ток 1о, который протекает через дроссель 7 без выделения на нем тепловых потерь, так как активная составляющая сопротивления обмоточного провода дроссе- ля мала.

На вход формирователя 3 сообщения подается последовательный код, в котором формируется сообщение. Это сформированное сообщение, а именно синхронизированный последовательный код, поступает на вход операционного 4 дифференциального усилителя. Усилитель усиливает разность напряжений в соответствии с коэффициентом усиления, на который настраивается усилитель и подает на базу выходного транзистора VT. Транзистор при отрицательных значениях выходного напряжения усилителя 4 относительно потенциала средней точки последовательно включенных стабилитронов VD1, VD2 переходит в активную область и преобразует напряжение в сигналы постоянного тока по цепи: плюс источника 9 постоянного тока - провод 1 - стабилитрон VD1 - эмиттер - коллектор транзистора VT - резистор R4 - провод 2 - дроссель 10 - минус источника постоянного тока (на фиг. 2 этот ток обозна чен через И). Для сигналов постоянного тока, протекающих по вышеописанной цепи с соответствующей частотой, дроссель будет представлять индуктивное сопротивление, на котором сигналы постоянного тока будут преобразовываться в напряжение. Величина этого напряжения будет зависеть от индуктивности дросселя, которая имеет довольно малое значение порядка Гн и величины коммутируемых сигналов постоянного тока. Уровень сигналов напряжения, снимаемых с дросселя 10, должен соответствовать величине 20-50 мВ, с тем чтобы не создавать помех другим электропотребителям. К точке а в схеме согласно фиг.2 мож- нЬ подключить приемную часть, которая обеспечит прием, усиление и преобразование полученного кода.

В цепь обратной связи операционного усилителя через транзистор входят емкость двухпроводной линии, индуктивность дросселя и реактивные составляющие электропотребителей, которые вносят заметный фазовый сдвиг, тем самым уменьшая запас устойчивости усилителя. Один из методов борьбы влияния реактивных составляющих сопротивления нагрузки - подбор операционного усилителя с очень низким выходным сопротивлением или же получение такого сопротивления включением мощного каскада, в конкретном случае транзистора VT, между выходом операционного усилителя и нагрузкой. Чем ниже выходное сопротивление операционного усилителя, тем на большую емкость нагрузки он может работать без потери устойчивости. Мощный выходной каскад должен обеспечить в нагрузке ток, значение которого определяется по формуле

„ 2 Л ШвыхУ Сн2 + ( -гЦ2

LH

Кроме того, с целью компенсации фазового сдвига, вносимого дросселями и линией с нагрузкой, в цепь обратной связи операционного усилителя включен компенсирующий конденсатор СЗ малой емкости между его инвертирующим входом и выходом, причем подключен к выходу операционного усилителя через дифференциальное сопротивление коллектора транзистора VT. Дифференциальное сопротивление коллектора обратно пропорционально зависит от тока эмиттера (см. И.П.Степаненко Основы теории транзисторов и транзисторных схем, стр.182, Москва 1973 г). Качественное изменение АЧХ петлевого усиления КоВ, представленной на фиг.З, можно понять, рассматривая два параллельных канала передачи сигнала в цепи обратной связи, а именно каналы низкочастотной и высокочастотной передачи. Для этого рассмотрим эквивалентную схему цепи обратной связи, представленную на фиг,4, где сопротивление дросселя линии и электропотребителей обозначены LH, Сн и RH. На низких частотах сопротивления конденсаторов велики, и передачу цепи обратной связи ВНч определяют только резистивные элементы. Для высокочастотных сигналов сопротивление емкости Сн равно нулю, вследствие чего, резисторы гк и R3 объединяются общим проводом и низкочастотный канал выключается, Внч уменьшается, начиная с частоты fpH (фиг.З). На очень высоких частотах сопротивление конденсатора СЗ становится близким к нулю, и дифференциальное

R 3 R 2

сопротивление г« соединяется с R А;Ь л

Коэффициент передачи высокочастотного канала цепи обратной связи принимает постоянное значение, начиная с частоты fpB

(см. фиг.З). В интервале частот fpH fpe

имеет место переход от одной асимптоты на другую. Элементы гк и СЗ приводят к тому, что в области верхних частот передача цепи обратной связи увеличивается и асимптота КоВ с наклоном -20 дБ/дек, изображенная на фиг.З, проходит ближе к асимптоте АЧХ полностью скорректированного усилителя. Таким образом, устойчивость обеспечена.

При изменении глубины обратной связи асимптота ВНч пойдет ниже или выше, но частота fpH сохранится неизменной. В области высоких частот положение асимптоты ВВч определяется гк, которое зависит от величины протекающего тока, а частота fpe уменьшается с увеличением резисторов R2 и R3. Аналитических удобных формул для расчета корректирующих элементов авторы не имеют, их выбор в конкретном примере

проводится экспериментально при лабораторных исследованиях устройства.

Дифференциальное сопротивление г« обратно пропорционально зависит от эмит- 5 терного тока, т.е. положение асимптоты ВВч изменяется в рамках заштрихованной области. Соответственно меняется положение наклонной КоВ согласно фиг.З. Но при этом устойчивость операционного усилителя бу0 дет обеспечена, наклон линии КДВ в заштрихованной области будет соответствовать -20 дБ/дек.

Особенностью работы предлагаемого устройства является обеспечение дросселю

5 ненасыщенного состояния. Как известно, при насыщенном магнитопроводе из-за резкого падения индуктивности возрастает намагничивающий ток, что приводит к плохой передаче информации. Из характери0 стики намагничивания, представленной на фиг.5, видно, что передачу информации целесообразно проводить, когда магнитная цепь линейна, т.е. на ненасыщенном участке. Величина магнитного потока задается

5 величиной постоянного тока, протекающего через дроссель для запитки электроклапанов.Диапазон изменения тока Д| через дроссель соответствует изменению магнитного потока ДФ. Характеристика намагни0 чивания дросселя зависит также от его геометрических размеров. Поэтому исходя из среднего тока потребления, протекающего через дроссель, определяют его геометрические размеры, чтобы он не вошел в

5 насыщение.

При проведении лабораторных исследований были использованы ферритовые кольцевые сердечники типа М 2000 AM 1-17, К 40x25x11.

0

Формула изобретения Устройство для передачи и приема данных по двухпроводной линии, содержащее в передатчике операционный дифференци5 альный усилитель, первый вывод питания которого подключен к первому проводнику двухпроводной линии, второй вывод питания через генератор тока - к второму проводу двухпроводной линии, выход

0 операционного дифференциального усилителя соединен с базой транзистора, а неин- вертирующий вход операционного дифференциального усилителя - с первым выводом первого резистора, кроме того,

5 формирователь сообщений одним выводом подключен к первому проводу двухпроводной линии, а вторым выводом - к второму выводу питания операционного дифференциального усилителя, а в приемнике первый

вывод источника постоянного тока подключен к первому проводу двухпроводной ли-- нии, отличающееся тем , что, с целью сокращения энергозатрат путем исключения потерь на преобразователе сигналов постоянного тока в напряжение при одновременном обеспечении компенсации фазового сдвига, в приемник введен преобразователь сигналов постоянного тока в напряжение, выполненный в виде дрос- селя, который подключен к второму выводу источника постоянного тока и второму проводу двухпроводной линии, а в передатчике введены второй, третий и четвертый резисторы, первый, второй и третий конденсато-1 ры, первый и второй стабилитроны, причем катод первого стабилитрона подключен к первому выводу питания операционного дифференциального усилителя, а анод к катоду второго стабилитрона, причем анод второго стабилитрона подключен к второму

выводу питания операционного дифференциального усилителя, кроме того, анод первого стабилитрона соединен с эмиттером транзистора и первым выводом второго резистора, второй вывод которого подключен через первый конденсатор к инвертирующему входу операционного дифференциального усилителя и второму выводу первого резистора, первый вывод которого через второй конденсатор подключен к входу формирователя сообщений, причем инвертирующий вход операционного дифференциального усилителя соединен с первым выводом третьего резистора и через третий конденсатор - с коллектором транзистора, который через четвертый резистор подключен к второму проводу двух- проводной линии, причем выход операционного дифференциального усилителя подключен к второму выводу третьего резистора.

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано для передачи информации по двухпроводной линии связи, в которой проводники питания постоянным током используются в качестве информационного канала передачи. Цель изобретения - сокращение энергозатрат за счет исключения потерь на преобразователе сигналов постоянного тока в напряжение при одновременном обеспечении компен сации фазового сдвига. Устройство содержит приемную и передающую части, включенные в первый и второй провода. Передающая часть содержит формирователь сообщений, операционный дифференциальный усилитель, стабилитроны, транзистор, генератор стабильного тока, сопротивления, конденсаторы. Приемная часть содержит источник постоянного тока, преобразователь сигналов постоянного тока в напряжение (дроссель), ключи, электропотребители. Сформированное из последовательного кода сообщение усиливается операционным дифференциальным усилителем, с выхода которого разность напряжений преобразуется транзистором в сигналы постоянного тока, поступающие в линию. В приемнике сигналы, преобразовываясь дросселем в напряжение, управляют работой электропотребителей. 5 ил. С

Шш

г-Н с/ Хгт

Шnil,

8

ФигЛ

Ф

#&/0Cb/ty&Wff

зона

лФ

4()

0.50

Фаг 5

CJ

30Н0

хась/щем

Таг