Устройство для преобразования напряжения переменного тока в код Советский патент 1993 года по МПК H03M1/12 G01R19/22 

XJ

О СЛ О1 Јь 00

Изобретение относится к технике электрических измерений и может найти применение о системах сбора данных для преобразования напряжения переменного тока в цифровой код.

Повышение точности выполнения ана- лого-цифровых операций является важнейшим условием повышения качества систем сбора данных. Качество мобильных (бортовых) систем сбора данных определяется также их габаритно-весовым и энергетическими характеристиками. В связи с этим разработка устройства для преобразования напряжения переменного тока в код должна быть нацелена на достижение оптимального сочетания высокой точности и малых аппаратурных затрат на его реализацию.

Известно устройство, предназначенное для определения среднего значения переменного напряжения для последующего представления в цифровой форме, содержащее операционный усилитель ОУ, два резистора, два диода, активный сумматор, причем инвертирующий вход ОУ через первый резистор соединен с входом устройства, а неинвертирующий вход подключен к общей шине; первый и второй диоды подключены одноименными первыми электродами к выходу и инвертирующему входу ОУ соответственно, а одноименными вторыми электродами подключены к инвертирующему входу ОУ через второй резистор и к выходу ОУ соответственно; первый вход .активного сумматора подключен к входу устройства, второй вход- к второму электроду первого диода, а выход соединен с выходом устройства. Для указанной выше полярности включения диодов при входном напряжении UBX 0 выходное напряжение ОУ Ui 0, выходное напряжение первого диода U2 0, а второй диод закрыт. При этом на первый вход активного сумматора поступает положительная полуволна входного напряжения, а на второй вход - инвертированная положительная полуволна. Так как коэффициент передачи по второму входу сумматора в 2 раза больше коэффициента передачи по первому входу, а коэффициенты передачи по обоим входам сумматора отрицательны, то на выходе устройства Цвых б. При входном напряжении UBX 0 открывается второй диод и выходное напряжение ОУ Ui 0. Так как первый диод закрыт, второй вход активного сумматора через второй резистор подключен к инвер- : тирующему входу ОУ. На первый вход активного сумматора поступает отрицательная полуволна входного напряжения и на выходе устройства Увых 0.

Это устройство имеет недостаточную точность преобразования при понижении уровня входного напряжения переменного тока,обусловленную относительным увеличением шумов квантования аналого-цифро- вого преобразования.

Известно устройство, предназначенное для преобразования напряжения переменного тока в код, содержащее блок коммута0 ции, состоящий из коммутатора, усилителя, регистра, транслятора кода, однополупери- одный выпрямитель, состоящий из ОУ, двух резисторов и двух диодов, суммирующий интегратор, состоящий из резистивного

5 сумматора, трех ключей, ОУ, конденсатора, блок импульсной стабилизации, АЦП, блок управления. Входы коммутатора являются входами устрбйства и служат для подключения к датчикам сигналов переменного тока,

0 выход коммутатора подключен к входу усилителя, а управляющий вход коммутатора и усилителя подключены к соответствующим выходам регистра, причем вход коммутатора подключен через транслятор кода. Ин5 формационные входы регистра являются входами устройства и служат для подключения к стандартной информационной шине. Выход усилителя подключен к входу одно- полупериодного выпрямителя и входу сум0 мирующего интегратора, а выход выпрямителя соединен с вторым входом суммирующего интегратора. Блок импульсной стабилизации подключен к однополупе- риодному выпрямителю и предназначен для

5 линеаризации передаточной характеристики выпрямителя, привязки начального уров- ня преобразования к постоянной составляющей выходной сигнала усилителя и выравнивания коэффициентов передачи

0 суммирующего интегратора для положительной и отрицательной полуволны входного сигнала. Выход суммирующего интегратора подключен к входу АЦП, выход которого является выходом устройства.

5 Вход блока управления является входом устройства и служит для приема сигнала синхронизации. Выходы блока управления соединены с входом блока коммутации, с управляющими входами блока импульсной

0 стабилизации, с управляющими входами ключей суммирующего интегратора, с входом запуска АЦП. Аналоговые сигналы поступают на входы коммутатора, который в соответствии с кодом адреса и номера кана5 ла, записанным в регистре, подключает выход соответствующего датчика к входу усилителя. Коэффициент усиления последнего устанавливается в соответствии с кодом коэффициентомусиления, записанным в регистр. После масштабирования, сигналы

поступают на вход выпрямителя и вход суммирующего интегратора. Цикл преобразования начинается с установки интегратора в исходное состояние, т.е. с разряда конденсатора интегратора до нуля. Для этого блок управления вырабатывает строб сброса, который поступает на вход управления первого ключа интегратора. Одновременно с этим из блока управления на управляющий вход транслятора кода поступает строб установки нуля. При этом на выходе транслятора кода устанавливается код, соответствующий номеру первого канала, подключенного к общей шине устройства. По переднему фронту этого способа в регистр осуществляется запись кода управления, Во время действия строба установки нуля транслятор кода заперт, код адреса и номера канала, записанный в регистр, на управляющий вход коммутатора не поступает. Через заданный промежуток времени блок управления вырабатывает сигнал выборки, который поступает на управляющий вход блока импульсной стабилизации, и переводит последний в режим запоминания уровня начальной составляющей усилителя и выпрямителя. По окончании сигнала выборки блок импульсной стабилизации переходит в режим стабилизации. Одновременно с этим заканчивается строб установки нуля и на управляющий вход коммутатора через транслятор кода поступает код адреса и номера канала, хранящийся в регистре. С выхода усилителя сигнал поступает на входы выпрямителя и интегратора. Последний по сигналу с блока управления производит интегрирование этого сигнала в течение времени равного или кратного периоду повторения сигнала переменного тока. Синхронизация работы интегратора частотой входного сигнала осу- а1ествляется с помощью блока управления, С помощью АЦП накопленный сигнал преобразуется в цифровой код в течение времени хранения интегратора.

Описанное устройство имеет недостаточную точность преобразования напряжения переменного тока из-за погрешности масштабирования, обусловленной относительно низким коэффициентом усиления в петле отрицательной обратной связи ОУ буферного усилителя на переменном токе, избыточные аппаратурные затраты.

Цель изобретения - повышение точности преобразования за счет снижения погрешности масштабирования сигналов и уменьшение аппаратурных затрат.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемое устройство введен преобразователь напряжение-ток (ПНТ), блок задания коэффициента усиления, демультиплек- сор, преобразователь ток-напряжение (ПТН), причем сигнальные входы коммутатора через резисторы ПТН соединены с сиг- 5 нальными входами устройства. Выход коммутатора подключен к входу введенного ПТН, выход которого соединен с входом выпрямителя и с первым информационным входом блока задания коэффициента усиле0 ния. Выход выпрямителя подключен к второму информационному входу блока задания коэффициента усиления, выход которого соединен с информационным входом интегратора, выход которого

5 подключен к входу АЦП, выход которого является выходом устройства. Управляющие входы введенного блока задания коэффициента усиления подключены к выходам введенного демультиплексора. адресный вход

0 которого соединен с дополнительным выходом регистра, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора. Вход регистра является входом устройства, вход блока управления является входом синхро5 низации устройства. Первый выход блока управления подключен к входу демультиплексора, второй выход к входу записи регистра, третий выход -к управляющему входу интегратора, четвертый выход - к управля0 ющему входу АЦП.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для преобразования напряжения переменного тока в код; на фиг.2 - временные диаграммы работы; на фиг.З 5 АЧХ ОУ и интегратора.

Как показано на фиг.1, сигнальные входы преобразователя напряжение-ток 1 (ПНТ 1) являются входами устройства и служат для подключения к датчикам сигналов т

0 резисторов ПНТ 1 выполняют функцию преобразования входного напряжения в ток, масштабирования и защиты входов коммутатора 2 по току. Коммутатор 2 выполнен по известной схеме токовой коммутации и

5 предназначен для осуществления опроса датчиков, подключенных к сигнальным входам устройства. Преобразователь ток-напряжение 3 (ПТН 3) выполнен на ОУ с весовым резистором в цепи отрицательной

0 обратной связи (на фиг.1 не показаны), и предназначен для осуществления преобразования тока с выхода коммутатора 2 в напряжение с заданным коэффициентом передачи. Выпрямитель 4 состоит из двух

5 резисторов, двух диодов, ОУ (на фиг.1 не показаны) и предназначен для выделения положительных полупериодов входного напряжения. Блок задания коэффициента уси- .ления 5 состоит из п сумматоров 11, коммутатора 12 и предназначен для масштабирования сигналов с выхода ПТН 3 и выпрямителя 4. Сумматоры 11 представляют собой цепь весовых резисторов, задающих ряд значений коэффициентов усиления интегратора 6. Коммутатор 12 обеспечивает выбор необходимого коэффициента усиления последнего. Интегратор 6 выполнен на ОУ, с конденсатором и ключом в цепи отрицательной обратной связи (на фиг.1 не показаны). ОУ является активным элементом интегратора 6 и обеспечивает заряд конденсатора в режиме накопления сигналов, а ключ - разряд последнего в режиме сброса. АЦП 7 предназначен для преобразования накопленного интегратором 6 сигнала в цифровой код. Блок управления 8 служит для формирования сигналов управления согласно диаграммы работы устройства. Он вырабатывает сигналы управления для интегратора б, АЦП 7, регистра 9, демультип- лексора 10. Блок 8 состоит из кварцевого генератора с делителем частоты, формирователь стробов накопления и сброса, формирователя импульсов записи, формирователя импульса запуска АЦП 7. Выходы указанных формирователей являются выходами блока 8, а вход тс предназначен для приема синхросигнала от сети питания, от которой запитаны датчики сигналов, или непосредственно отдатчика сиг- нала. Регистр 9 предназначен для хранения кодов управления. Коды управления поступают из внешнего устройства. Роль внешнего устройства заключается в обеспечении автоматического переключения каналов коммутатора 2 и установки коэффициента усиления интегратора б с помощью блока 5. Если в системе сбора данных используется принцип последовательного опроса каналов, то в качестве внешнего устройства мож- но использовать счетчик. Выход последнего подключается к входу регистра 9, а вход- к выходу блока 8. Если в системе сбора данных используется принцип программного опроса, то в качестве внешнего устройства мо- жет быть использовано запоминающее устройство. Выход последнего подключается к входу регистра 9, а вход к нише процессора. Код управления состоит из двух частей. Первая часть представляет собой код адреса и номера канала коммутатора 2, вторая - код коэффициента усиления интегратора 6. Демультиплексор 10 предназначен для управления коммутатором 12 блока 5. Предлагаемое устройство для преобрззо- вания напряжения переменного тока в код может быть реализовано на микросхемах 590, 140, 564, 572 серий.

. Устройство работает следующим образом,

Аналоговые сигналы через ПНТ 1 поступают на входы коммутатора 2. Последний, в соответствии с кодом адреса и номера канала, записанным в регистр 9, подключает выход соответствующего датчика через резистор ПНТ 1 к входу ПТН 3, коэффициент передачи которого выбирается таким, чтобы обеспечить совместно с блоком 5 и интегратором 6 необходимые диапазоны измерения аналоговых сигналов. С выхода ПТН 3 сигналы поступают на вход выпрямителя 4 и на вхом блока 5. С помощью последнего коэффициент усиления интегратора 6 устанавливается .в соответствии с кодом коэффициента усиления; записанным в регистр 9. После масштабирования сигналы, поступают на вход АЦП 7. Цикл преобразования устройства начинается с установки интегратора 6 в исходное состояние, т.е. с разряда конденсатора интегратора 6 до нуля. Для этого блок управления 8 вырабатывает строб сброса (фиг.2, диаграмма 3), который поступает на вход управления ключа интегратора 6. Одновременно с этим из блока 8 на вход записи регистра 9 поступает импульс записи, по которому осуществляется запись кода управления (фиг.2, диаграмма 4). Код адреса и номера канала, записанный в регистр 9, поступает на управляющие входы коммутатора 2. Под воздействием указанного кода последний подключает соответствующий выход ПНТ 1 к входу ПТН 3. На выходе ПТН 3 устанавливается напряжение, пропорциональное входному сигналу, поступающему на вход включенного канала коммутатора 2. Это напряжение переменного тока поступает на вход выпрямителя 4 и первый вход блока 5. Если на первый вход блока 5 поступает положительная полуволна входного напряжения, то на второй вход будет поступать инвертированная положительная полуволна. Так как коэффициент передачи по второму входу блока 5 в раза больше коэффициента передачи по первому входу, а коэффициент передачи интегратора 6 отрицательный, то на его выходе UG 0. При отрицательной полуволне входного напряжения на выходе выпрямителя 4 LJ4 0. На первый вход блока 5 поступает отрицательная полуволна входного напряжения и на выходе интегратора б .

Код коэффициента усиления, записанный в регистр 9, поступает на адресный вход демультиплексора 10. Под воздействием указанного кода последний подключает выход блока 8 к соответствующим управляющим входам коммутатора 12. При этом строб накопления (фиг.2, диаграмма 2), вырабатываемый блоком 8, с выходов демультиплексора 10 поступает на управляющие входы коммутатора 12. Коммутатор 12, подключая соответствующие входы сумматоров 11 к инвертирующему входу ОУ интегратора 6, изменяет коэффициент усиления интёграто- ра б в заданных пределах таким образом, чтобы обеспечить согласование по уровню между входными сигналами, поступающими с различных типов датчиков, и динамическим диапазоном АЦП 7. При поступлении строба накопления на управляющие входы коммутатора 12 интегратор 6 осуществляет накопление сигнала за время, равное или кратное целому числу периодов напряжения сети питания (фиг.2, диаграмма 1). В течение этого времени происходит заряд конденсатора интегратора 6 до определенной величины напряжения. После окончания строба накопления эта величина хранится интегратором б в течение времени преобразования АЦП 7 до конца цикла преобразования, т.е. до начала следующего строба сброса (фиг.2, диаграмма 5). АЦП 7 преобразует накопленный сигнал в цифровой код по сигналу запуска, поступающего с выхода блока 8. (Фиг.2, диаграмма 6). Очевидно, что наличие п сумматоров 11 позволяет получить в устройстве от п до 2 - 1 коэффициентов усиления в зависимости от структуры демультиплексора 10. Например, демультиплексор 10с полной дешифрацией кода номера канала позволяет получить в данном устройстве п коэффициентов усиления интегратора 6. Возможен также вариант использования дешифратора 10 с неполной дешифрацией кода номера канала. В последнем случае количество возможных коэффициентов усиления интеграторов 6 будет равно промежуточному значению в пределах от п до 2 : 1. Как показано на

фиг.З, коэффициент усиления ОУ можно представить в виде

К-, , Ко . (1), V1 + (2wf Гу)

где f - частота входного сигнала;

Ту - эквивалентная постоянная времени усилителя;

К0- коэффициент усиления ОУ при f 0. Коэффициент усиления интегратора 6 с учетом Rn гк

К/

К0

(2),

RII С Ко +1 где С - емкость конденсатора интегратора 6;

Т - время накопления сигнала;

Rn - сопротивление резистора сумматора 11;

гк - сопротивление открытого канала коммутатора 12.

Погрешность интегратора 6, обусловленная конечной величиной коэффициента усиления ОУ

-C(K0 + 1)(3)

Аналогичная погрешность для усилителя переменного тока

5д 1

К1 /3 + 1

(4),

л

где К - коэффициент усиления ОУ на fc (см, фиг.З);

/ -коэффициент обратной связи. Используя ОУ 140УД17А с Ко 200000 имеем

4 -0.0008% при К -3. Для fc 400 Гц, К1 1000, Ка +3 имеем 5д -0,3%, (где К - коэффициент усиления буферного усилителя в прототипе), С учетом других составляющих погрешности, суммарная погрешность предлагаемого устройства равна +0,3%. Погрешность преобразования прототипа при использовании аналогичных ОУ будет равна +0,44%. Таким образом, положительный эффект заключается в повышении точности преобразования в 1,5 раза по сравнению с прототипом.

Как видно из приведенных выше описания и графических материалов, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет более высокую точность пре рбразо- вания напряжения переменного тока в код за счет того, что масштабирующий интегратор имеет большее петлевое усиление по сравнению с буферным усилителем в прототипе, а реализация функции масштабирования в интеграторе снижает аппаратурные затраты, так как позволяет исключить ОУ буферного усилителя. Дополнительным преимуществом устройства является более широкий частотный диапазон.

Изобретение относится к технике электрических измерений. С целью повышения точности преобразования за счет снижения погрешности масштабирования сигналов и уменьшения аппаратурных затрат, в устройство введены преобразователь напряжение-ток 1 (ПНТ 1), преобразователь ток-напряжение 3 (ПТН 3), блок задания коэффициента усиления 5, демультиплексор 10, причем ПНТ 1 включен на входе устройства, вход ПТН 3 соединен с выходом коммутатора 2, а выход - с входом выпрямителя 4 и первым входом блока 5, второй вход послед- v него соединен с выходом выпрямителя 4, , одноименные входы всех сумматоров 11 соединены между собой, входы сумматоров 11 являются информационными входами блока 5, а выходы подключены к входам коммутатора 12, выход которого является выходом блока 5 и соединен с входом интегратора 6; управляющие входы коммутатора 12 являются входами блока 5 и подключены к выходам демультиплексора 10, вход которого соединен с выходом блока управления 8, а адресный вход-с выходом регистра 9.1 з.п. ф-лы, 3 ил. (Л С

Формулаизобретения 1. Устройство для преобразования напряжения переменного тока в код, содержащее коммутатор. выпрямитель, последовательно соединенные интегратор и аиалого-цифровой преобразователь, выход которого является выходной шиной устройства, а тактирующий вход соединен с управляющим входом интегратора, регистр, информационные входы которого являются шиной задания кода управления, отличающееся тем, что. с целью повышения точности преобразования за счет снижения погрешности масштабирования сигналов и

уменьшения аппаратурных затрат, в устройство введены преобразователь напряже- ния-ток, преобразователь ток-напряжение, демультиплексор и блок задания коэффициента усиления, выход которого соединен с информационным входом интегратора, первый вход соединен с выходом выпрямителя, а второй вход объединен с входом выпрямителя и подключен к выходу преобразователя ток-напряжение, вход которого соединен с выходом коммутатора, управляющие входы которого соединены с соответствующими выходами первой группы выходов регистра, а информационные входы - с соответствующими выходами преобразователя напряжение-ток, входы которого являются входной шиной, причем адресные входы демультип- лексора соединены с соответствующими выходами второй группы выходов регистра,

сигнальный вход - с третьим выходом блока управления, а выходы - с соответствующими управляющими входами блока задания коэффициента усиления, четвертый выход блока управления соединен с входом синхронизации регистра, а вход является шиной синхронизации устройства.

физ.2