Преобразователь сигнала Советский патент 1981 года по МПК H03K5/24 

1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям постоянных напряжений и токов с преобразованием сигнала.

Известны устройства, выполненные по схеме усилителей постоянного тока с преобразовавшем, т.е. усилителей типа модулятор-демодулятор l .

Основным недостатком этих устройств является малое быстродействие и дрейф. Малое быстродействие обусловлено применением в этих устройствах фильтра, а дрейф - выбросами и нестабильностью ключей и усилителя переменного тока. Для более быстродействующего слежения за изменением измеряемого сигнала больших уровней применяют, другие схемы, которые называются детекторами перехода через нулевое значение и детекторами напряжений низкого уровня. Большинство этих схем выполнены на транзисторах и облсщают невысокими характеристиками, поэтому применяются в основном при изменении сигналов постоянного тока больших уровней.

Наиболее близким по своей сущности техническим решением к данному изобретению является преобразователь сигнала, который содержит последовательно соединенные источник опорного сигнала ключа, дифференциальный усилитель постоянного тока, измерительный преобразователь, состоящий из аналого-цифрового преобразователя и устройство цифровой индикации, а также последовательно соединенные компаратор напряжения, усилитель и схему индикации состояний, которая сигнализирует больше или меньше входной сигнсШ, чем установленный опорный. В зависимости от величины входного сигнала относительно установленного опорного компаратор переключает ключи на входе дифференциального усилителя, задавая таким образом два различных режима с различным усилителем. Эти два состояния различаются с помощью схемы индикации состояний 2 .

К недостаткам данного преобразователя относится наличие зоны неопределенности компаратора и его дрейф, дрейф дифференциального усилителя постоянного тока. Кроме того схема. индикации состояний не показывает состояния, когда входной сигнал равен опорному,это состояние отображается с помощью аналого-цифрового преобра.зователя и.устройства цифровой индикации, очень сложного и дорогого. Ко паратор напряжения на входе не позво ляет обработать сигнал меньше 100 мВ из-за его низкой помехоустойчивости, Все это обуславливает малую разрешаю щую способность и точность устройства. Целью изобретения является повышение разрешающей способности и точности, необходимых для обработки медленно изменяющихся сигналов постоянного тока малых уровней более простым средствами, т.е. не применяя специально для.этого отдельного Ънало.го-цифрового преобразователя и цифрового устройства индикации. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь сигнала, содержаи ий два ключа, одни входы которых подключены к устройству управления, другие входы соответственно к источнику опорного напряжения и квходной шине, а выходы ко входам дифференциального усилителя с раздел 1тельным конденсатором на выходе, и устройство индикации состояний, входы которого подключены к выходаг-i компараторов напряжения, введены третий ключ, один вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, другой вход с соответствующим выходом устройства управления, а выход одключен к инвертирующему входу первого и неинвертирующему входу второго компараторов, и эле мент совпадения, два входа которого подсоединены к выходам компараторов третий вход связан с устройством управления, а выход под слючен к дополнительному входу устройства индикации состояний. На фиг. 1 изображена основная функционш ьная схема устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма устройства, поясняющая его работу. В соответствии со схемой фиг. 1, выход источника стабилизированного опорного напряжения 1 подключен ко входу ключа 2, выход которого подключен к одному из входов ключа 2,вы ход которого подключен к одному из входов суг/мирующего дифференциального усилителя 3, а выход суммирующего дифференциального усилителя 3 через разделительный конденсатор 4 подклю чен ко входу ключа 5, выход которого в свою очередь подключен к объедине ным неинвертирующему -входу компаратора напряжения б и инвертирующему входу компаратора напряжения 7, а вы ходы компараторов 6 и 7 подключены ко входу устройства индикации состояний 8 и одновременно к двум отдельным входам элемента совпадений 9, выход которого также подключен к входу устройства индикации состояни 8. Входной сигнал подается на вход 9 ключа 10, выход которого подключе ко входу суммирующего дифференциаль ного усилителя 3. Выходы устройства управления ключей 11 подключены к соответствующим входам ключей 2, 10 и 5 и к 3-ему входу злемента совпадений 9, Устройство работает следующим образом. На вход ключа 2 подается стабилкзированный сигнал постоянного тока (см. фиг. 2(5), а на вход 9 ключа 10 медленно изменяющийся сигнал .постоянного тока (см. фиг. 2 С5 ) , который в общем случае может быть любой полярности и амплитуды. Одновременно от устройства управления ключами 11 подаются сигналы возбуждения для открывания ключей 2, 5 и 10 (сигнал опроса см, фиг. 2 л, м и н), причем скважность и частота этих импульсов может быть любой (на фиг. 2м и ц скважность равна 2). Ключи 2 и 10 открываются одновременно, при этом к суммирующим резисторам суммирующего дифференциального усилителя 3 прикладываются сигналы входно1о и опорного источников таким образом, что они вычитаются друг из друга (см. фиг. 20) . Полученная разность усиливается суммирующим дифференцр альным усилителем 3 (им. фиг. 2г ) и через разделительный конденсатор 4 поступает на вход ключа 5 (см. фиг. 2д), который открывается с небольшим запаздыванием относительно открывания ключей 2 и 10 (см. фиг. 2и ), необходимого для подавления выбросов в выходном напряжении усилителя 3. Сигналы с выхода ключа 5 подаются на объединенные входы компараторов напряжения 6 и 7 (см. фиг. 2 е). В зависимости от разности входного и опорного источников на выходе компараторов 6 и 7 появляется сигнал, соответству ащий логическому уровню О или 1.Когда входной сигнал больше опорного, на выходе компаратора 6 будет высокий уровень, соответствующий логической 1 (см. фиг. 2% ), когда входной сигнал меньше опорного - на выходе компаратора 7 будет, высокий уровень соответствующий логической 1.Когда входной сигнал равен опорному на выходе компараторов 6 и 7 будут низкие уровни, соответствугацие уровню логического О (см. фиг. 2 )с ), а на выходе схемы совпадений при стробировании ее входа сигналом возбуждения от устройства управления ключаг ш 11 будет высокий уровень соответствующий логической 1 (см. фиг. 2 и ). Все эти три состояния будут индицироваться устройством индикации состояний 8. Устройство управления ключами 11 может работать какв автоколебательном, так и в режиме синхронизации внешним переменным сигналом. Ключи 2, 5 и 10 могут быть как последовательного, так и параллельного или комбинированного типов Для более эффективной компенсацмн выбросов и дрейфа ключей, ключи 2 и 10 лучше применить различного типа приводимости однако, применяя специальные схемы компенсации выбросои и дрейфа ключей, в устройстве управления ключами 11 можно достигнуть та же очень высокой компенсации их выбросов и дрейфа. Без компенсации выбросов и дрейфа ключей невозможно измерять сигнсшы малых уровней с доста точной точностью и стабильностью. В предлагаемом устройстве дополнительная индикация осуществляется введением в схему второго компаратора, схемы совпадений и одного транзистора .СО светодиодной нагрузкой в схеме индикации состояний. Если в предлагаемом устройстве перед сигналом возбуждения ключей 2 и 10 установить уровень опорного напряжения равнш- нулю, и, если входной сигнал .равен нулю, то это однозначно будет отображено устройством индикации сос тояний, т.е. предлагаемое устройство является высокочувствительным нуль-органом, которое реагирует не только на переходящие .через нулевое значение сигналы, но и на значение, когда этот сигнал равен нулю. Это яв ляется большим преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известными, так как расширяет его функциональные возможности. В известной схеме ключи открыты длительное время, поэтому дифференциальный усилитель работает в режиме усилителя постоянного тока с непосредственной связью, с дрейфом, пропорциональ ным его Коэффициенту усиления, а в предлагаемом устройстве этот усилитель включен по схеме усилителя переменного тока и его дрейф пренебрежимо мал. Дальнейшее ослабление дрей фа усилителя осуществляется с помощью ключа 5, который открывается с небольшим запаздыванием, что.необходимо для подавления выбросов в выходном напряжении усилителя, работающего в режиме усиления малого сиг нала. Эти выбросы проникают на вход усилителя при насыщенных ключах 2 и 10 в виде помех от работы посторонних элементов и устройств. Подавление этих выбросов позволяет повысить разрешакяцую способность в 10-15 раз. Таким образом, предлагаемое устройство обладает более высокой стабильностью, точностью и разрешакячей способностью измерения входного сигнала по сравЕ{ению с известными схемами, что позволяет применить его во многих измерительных устройствах и приборах для измерения и контроля параметров всевозможных полупроводниковых элементов и интегральных схем. Формула изобретения Преобразователь сигнала, содержащий два ключа, одни входы которых подключены к устройствууправления, другие входы соответственно к источнику опорного напряжения и к входной шине, а выходы - ко входам дифференциального усилителя с разделительным конденсатором на выходе, и устройство индикации состояний, входы которого подключены к выходам компараторов напряжения, отличающийся тем, что, с целью повьсиения разрешаю1дей способности и точности, в него введены третий ключ, один вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя,другой вход с соответствующим выходом устройства управления, а выход подключен к инвертирующему входу первого и неинвертирующему входу второго компараторов, и элемент совпадения, два входа которого подсоединены к выходам компараторов, третий вход связан с устройством управления, а выход подключен к дополнительному входу устройства индикации состояний. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Корн Г.. и Корн Т. Электронные аьзалоговые и аналого-цифровые вычислительные машины. М., 1967, с.184. 2.Патент США № 4068138, кл. 307-262, 1976.

VJU