Opis patentowy opublikowano: 1990 02 28 CZYTELNIA Urzedu Pnicf.?o**«yo Twórcawynalazku: Stefan Kosztowski Uprawniony z patentu: Przemyslowy Instytut Automatyki i Pomiarów „MERA-PIAP", Warszawa (Polska) Przetwornik napiecia na prad Przedmiotwm wynalazku jest przetwornik napiecia na prad, przeznaczony zwlaszcza do zmiany napiecia na prad w urzadzeniach systemów automatyki wymagajacych stosowania wyjs¬ ciowego sygnalu pradowego.Znany jest, miedzy innymi z ksiazki: M. Herpy — Analog Integrated Circuits, 1980 oraz Z.Kulka, M. Nadachowski — Liniowe uklady scalone, 1974, sposób przetwarzania napiecia na prad wykorzystujacy wzmacniacz operacyjny, w którym napiecie wytworzone przez prad wyjsciowy na rezystorze pomiarowym dolaczonym do jego wyjscia, podawanejest przez rezystory sprzezenia na wejscie dodatnie i ujemne wzmacniacza. Napiecie wejsciowe podawane jest przez rezystory wejs¬ ciowe, dolaczone do wejscia dodatniego i ujemnego wzmacniacza, a prad wyjsciowy plynie przez uziemiony rezystor obciazenia polaczony szeregowo z rezystorem pomiarowym. Zapewnienie liniowego przetwarzacza napiecia na prad tym sposobem oraz osiagniecie odpowiedniej rezystancji wyjsciowej ukladu wymaga spelnienia okreslonej zaleznosci miedzy rezystorami wejsciowymi i sprzezenia oraz rezystorem pomiarowym. Osiagniecie w tym ukladzie wysokiego tlumienia zakóca- jacego sygnalu wspólnego, naklada dodatkowy warunek na wspomiane rezystory. W tej sytuacji nastawienie takich parametrów ukladu jak: nachylenie charakterystyki, przesuniecie zera charak¬ terystyki, rezystancja wyjsciowa, tlumienie zaklócajacego sygnalu wspólnego przy jednoczesnym spelnieniu warunku liniowej pracy, wymaga bardzo zmudnych zabiegów strojeniowych, gdyz kazdy z nastawianych parametrów jest zalezny od wielu elementów strojeniowych. Zastosowanie zasilania jednobiegunowego w ukladzie stwarza dodatkowe problemy, poniewaz wejscia i wyjscia wzmacniacza musza miec zapewniona minimalna polaryzacje napieciowa dla prawidlowej pracy.Zgodnie z wynalazkiem przetwornik sygnalu napieciowego na prad, charakteryzuje sie tym, ze ma wzmacniacz wejsciowy do którego wejsc dodatniego i ujemnego dolaczone sa odpowiednio przez rezystory, wejscia dodatnie i ujemne przetwornika, przy czym do wejsc wzmacniacza dola- zone sa rezystory polaryzacji, drugimi koncami dolaczone do zródla napiecia odniesienia, które to zródlo drugim koncem dolaczone jest do jednego z biegunów napiecia zasilania, a wyjscie tego2 148 712 wzmacniacza polaczone jest z wejsciowym sterowanym zródlem pradu, którego jeden koniec dolaczony jest do rezystora posredniczacego polaczonego z drugim z biegunów napiecia zasilania, a drugi koniec polaczony jest wejsciowym rezystorem pomiarowym polaczonym ze zródlem napieca odniesienia i z wejsciowym rezystorem sprzezenia polaczonym z wejsciem ujemnym wzmacniacza wejsciowego, a rezystor posredniczacy dolaczony jest równiez do wejscia ukladu kszaltownia charkterystyki dynamicznej, którego wyjscie polaczone jest z wejsciem dodatnim wzmacniacza wyjsciowego, którego wyjscie polaczone jest wyjsciowym sterowanym zródlem pradu, którego jeden koniec dolaczonyjest do wyjsciowego rezystora pomiarowego polaczonego z jednym z biegunów napiecia zasilania i do wyjsciowego rezystora sprzezenia polaczonego z wejsciem ujemnym wzmacniacza wyjsciowego, a drugi koniec zródla pradu dolaczony jest do rezystora obciazenia polaczonego z drugim biegunem napiecia zasilania.Do rezystora posredniczacego dolaczony jest jeden koniec sterowanego zródla pradu odnie¬ sienia polaczonego z wyjsciem wzmacniacza odniesienia, a drugi koniec tego zródla dolaczonyjest do rezystora pomiarowego ukladu odniesienia, polaczonego z jednym z biegunów napiecia zasila¬ nia i z rezystorem sprzezenia ukladu odniesienia polaczonym z wejsciem ujemnym wzmacniacza, a do wejscia dodatniego tego wzmacniacza poprzez rezystor szeregowy i dzielnik napiecia dolaczone jest zródlo napiecia odniesienia polaczone drugim koncem z drugim biegunem napiecia zasilania.Dzieki przetwornikowi wedlug wynalazku wyeliminowano klopotliwy warunek uzalezniajacy liniowa prace ukladu od odpowiedniego doboru rezystorów ukladu. Ponadto zapewniona jest niezaleznosc nastaw strojeniowych takich parametrów jak nachylenie charakterystyki, przesunie¬ cia zera charakterystyki, rezystancja wyjsciowa, tlumienie sygnalu wspólnego. Uzyskane takze mozliwosci ksztaltowania charakterystyki dynamicznej ukladu oraz naturalna prace wzmacniaczy przy zasilaniu jednobiegunowym napieciem zasilania. Uklad pracuje prawidlowo w obecnosci zaklócajacego napiecia wspólnego 220 V, 50 Hz, co nadaje mu wlasciwosci zblizone do ukladów z separacja galwaniczna i w wielu przypadkach pozwala je zastepowac.Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat przetwarzania w przetworniku wedlug wynalazku, a fig. 2 — schemat przetwornika wedlug wynalazku.Napiecie wejsciowe Uwe podane na przetwornik wejsciowy 2 zamieniane jest na posredni sygnal pradowy Ji wytwarzajacy na rezystorze posrednim R dolaczonym drugim koncem do jednego z biegunów +Uz napiecia zasilania posredni sygnal napieciowy podawany na uklad 1 ksztaltowania charakterystyki dynamicznej, którego napieciowy sygnal wyjsciowyjest podawany z kolei na wejscie przetwornika wyjsciowego 3 dajacego prad wyjsciowy Jwy na rezystorze obiazenia Robc dolaczonym drugim koncem do drugiego z biegunów -Uz napiecia zasilania. Niezerowy prad wyjsciowy zapewnia przetwornik napiecia odniesienia 4 zamieniajacy napiecie odniesienia Uo na prad odniesienia Jo.Przetwornik sygnalu napieciowego na prad ma wzmacniacz wejsciowy Wi do którego wejsc dodatniego i ujemnego poprzez rezystory Ri i R2 polaczone sa zaciski wejsciowe przetwornika. Do wejsc wzmacniacza Wi poprzez rezystory polaryzacji R3 i R4 dolaczone jest zródlo napiecia odniesienia Uo, którego drugi koniec dolaczony jest do drugiego bieguna -Uz napiecia zasilania.Wyjscie wzmacniacza Wi polaczone jest z wejsciowym sterowanym zródlem pradu J1, którego jeden koniec dolaczony jest do rezystora posredniego R, a drugi do wejsciowego rezystora pomia¬ rowego R5 i wejsciowego rezystora sprezenia R6 o drugim koncu dolaczonym do wejscia ujemnego wzmacniacza Wi. Pozostale konce rezystora posredniego R i wejsciowego rezystora pomiarowego R5 dolaczone sa odpowiednio do biegunów +Uz i -Uz napiecia zasilania. Rezystor posredni R polaczony jest z wejsciem ukladu 1 ksztaltowania charakterystyki dynamicznej, a wyjscie tego ukladu polaczone jest z dodatnim wejsciem wyjsciowego wzmacniacza operacyjnego W2. Wyjscie wzmacniacza W2 polaczone jest z wyjsciem sterowanym zródlem pradu Jwy, którego jeden koniec dolaczony jest do wyjsciowego rezystora pomiarowego R7 polaczonego z jednym z biegunów +Uz napiecia zasilania oraz do wyjsciowego rezystora sprzezenia Rs polaczonego z wejsciem ujemnym wzmacniacza wyjsciowego W2, a drugi koniec do rezystora obciazenia Robc polaczonego z drugim biegunem -Uz napiecia zasilania. Do rezystora posredniego R dolaczone jest sterowane zródlo pradu odniesienia Jo polaczone z wyjsciem wzmacniacza W3, natomiast drugi koniec tego zródla dolaczony jest do rezystora pomiarowego R10 ukladu odniesienia polaczonego z drugim biegunem148712 3 -Uz napiecia zasilania i do rezystora sprzezenia Rg ukladu odniesienia polaczonego z wejsciem ujemnego wzmacniacza W3, natomiast do wejscia dodatniego tego wzmacniacza poprzez rezyster szeregowy Rn i dzielnik napiecia R12 i R13 dolaczone jest zródlo napiecia odniesienia Uo.Dzialanie przetwornika polega na tym, ze na rezystorze posrednim R wytwarzane jest napiecie posrednie bedace suma napiec pochodzacych od pradu J1 z wejsciowego sterowanego zródla pradu wprost proporcjonalnego do napicia wejsciowego Uwe i od pradu ze sterowanego zródla pradu odniesienia Jo wprost proporcjonalnego do zdzielnikowanego na rezystorach R12 i R13 napiecia odniesienia Uo oraz odwrotnie proporcjonalnego do wartosci rezystora pomiarowego R10 ukladu odniesienia. Napiecie posrednie podawane jest na uklad 1 ksztaltowania charakterystyki dynami¬ cznej, który w przypadku pelnienia funkcji filtru ogranicza pasmo sygnalu uzytecznego oraz tlumi harmoniczne sygnalu zaklócajacego. Sygnal wyjsciowy tego ukladu 1 zmieniany jest na wprost proporcjonalny sygnal pradowy Jwy. W ten sposób wyjsciowy sygnal pradowy Jwy jest wprost proporcjonalny do wejsciowego sygnalu napieciowego Uwe i przesuniety wzgledem zera o wyjs¬ ciowy prad polaryzacji wprost proporcjonalny do pradu odniesienia Jo. Sterowane zródla pradu: wejsciowego, wyjsciowego i odniesienia stosowane w ukladzie sa to malo dokladne, nieliniowe, sterowane uklady tranzystorwe o róznej konfiguracji charakteryzujace sie duza rezystancja wyjsciowa.W przetworniku wedlug wynalazku nachylenie charakterystyki moze byc ustalane za pomoca rezystora posredniego R, przysuniecie charakterystyki za pomoca rezystora pomiarowego R10 ukladu odniesienia i/lub za pomoca dzielnika napiecia R12, R13, tlumienie zaklócajacego sygnalu wspólnego za pomoca rezystorów polaryzacji R3, R4 oraz poprzez dobór parametrów ukladu 1 ksztaltowania charakterystyki dynamicznej. PLThe patent description was published: 1990 02 28 READING ROOM of Pnicf.?o**yo Author of the invention: Stefan Costowski The holder of the patent: Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarw "MERA-PIAP", Warsaw (Poland) Voltage to current converter The subject of the invention is the current, intended especially to change the voltage to current in devices of automation systems requiring the use of an output current signal. It is known, among others, from the book: M. Herpy - Analog Integrated Circuits, 1980 and Z. Kulka, M. Nadachowski - Linear Integrated Circuits , 1974, a method of converting a voltage into a current using an operational amplifier, in which the voltage generated by the output current on a measuring resistor connected to its output is fed through the coupling resistors to the positive and negative input of the amplifier. The input voltage is given by the input resistors connected to the amplifier. positive and negative inputs of the amplifier, and the output current flows through the grounded resistor o Current connected in series with the measuring resistor. Providing a linear voltage-to-current converter in this way and achieving the appropriate output resistance of the system requires the fulfillment of a specific relationship between the input and feedback resistors and the measuring resistor. The achievement of a high suppression of the interfering common signal in this system imposes an additional condition on the mentioned resistors. In this situation, setting such system parameters as: characteristic slope, characteristic zero shift, output resistance, suppression of the interfering common signal with simultaneous fulfillment of the linear operation condition, requires very tedious tuning operations, because each of the parameters set depends on many tuning elements. The use of a single-pole power supply in the system creates additional problems, because the inputs and outputs of the amplifier must have a minimum voltage polarization for correct operation. According to the invention, a voltage-to-current converter is characterized by the fact that it has an input amplifier to which the positive and negative inputs are connected accordingly through resistors, positive and negative inputs of the converter, with polarization resistors added to the amplifier inputs, with the other ends connected to the reference voltage source, which source is connected to one of the supply voltage poles at the other end, and the output of this amplifier is connected is with an input controlled source of current, one end of which is connected to an intermediary resistor connected to the other of the supply voltage poles, and the other end is connected to an input measuring resistor connected to the reference voltage source and the input connection resistor to the negative input of the input amplifier, and the intermediate resistor is also connected to the input of the dynamic characteristics shaping circuit, the output of which is connected to the positive input of the output amplifier, whose output is connected to the output controlled source of current, one end of which is connected to the output resistor from the supply voltage poles and to the output coupling resistor connected to the negative input of the output amplifier, and the other end of the current source is connected to a load resistor connected to the other pole of the supply voltage. and the other end of this source is connected to the measuring resistor of the reference circuit, connected to one of the poles of the supply voltage, and to the connection resistor of the reference circuit, connected to the negative input of the amplifier , and to the positive input of this amplifier, through a series resistor and a voltage divider, a reference voltage source is connected with the other end to the other pole of the supply voltage. Thanks to the converter, according to the invention, the troublesome condition dependent on the linear operation of the system on the appropriate selection of the system resistors was eliminated. Moreover, the independence of the tuning settings of such parameters as characteristic slope, characteristic zero shift, output resistance, common signal suppression is ensured. Also obtained the possibility of shaping the dynamic characteristics of the system and the natural work of amplifiers when supplied with a unipolar supply voltage. The system works properly in the presence of a common interference voltage of 220 V, 50 Hz, which gives it properties similar to those of systems with galvanic separation and in many cases allows them to be replaced. The subject of the invention is shown in the example of the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows the processing scheme in the converter according to the invention, and Fig. 2 - a diagram of the converter according to the invention. Input voltage Uwe given to input converter 2 is converted into an intermediate current signal Ji producing on an intermediate resistor R connected with the other end to one of the poles + Uz of the supply voltage an intermediate voltage signal supplied to dynamic characteristic shaping system 1, the voltage output signal of which is in turn fed to the input of the output converter 3, which gives the output current Jwy on the load resistor Robc connected with the other end to the other pole -Uz of the supply voltage. The non-zero output current is provided by a reference voltage converter 4 which converts the reference voltage Uo into a reference current Jo. The voltage-to-current converter has an input amplifier Wi to which the positive and negative inputs are connected through the resistors Ri and R2, the input terminals of the converter are connected. To the inputs of the amplifier Wi through the polarization resistors R3 and R4, the reference voltage source Uo is connected, the other end of which is connected to the other pole - Uz of the supply voltage. The output of the amplifier Wi is connected to the input controlled current source J1, one end of which is connected to the intermediate resistor R, and the other to the input measuring resistor R5 and the input compression resistor R6 with the other end connected to the negative input of the amplifier Wi. The other ends of the intermediate resistor R and the input measuring resistor R5 are connected to the + Uz and -Uz poles of the supply voltage, respectively. The intermediate resistor R is connected to the input of the dynamic characteristics shaping circuit 1, and the output of this circuit is connected to the positive input of the output operational amplifier W2. The output of the amplifier W2 is connected to the output controlled by the current source Jwy, one end of which is connected to the output measuring resistor R7 connected to one of the poles + Uz of the supply voltage and to the output coupling resistor Rs connected to the negative input of the output amplifier W2, and the other end to the resistor load Robc connected to the other pole -Uz of the supply voltage. A controlled reference current source Jo connected to the output of the amplifier W3 is connected to the intermediate resistor R, while the other end of this source is connected to the measuring resistor R10 of the reference circuit connected to the other pole 148 712 3 -Uz of the supply voltage and to the connection resistor Rg of the reference circuit connected to the negative input of the amplifier W3, while the source of the reference voltage Uo is connected to the positive input of this amplifier through the series resistor Rn and the voltage divider R12 and R13. The converter operates based on the fact that an intermediate voltage is generated on the intermediate resistor R, being the sum of the voltages from the input current J1 of the controlled current source directly proportional to the input voltage Uwe and the current from the controlled reference current source Jo, directly proportional to the reference voltage Uo dissociated on the resistors R12 and R13 and inversely proportional to the value of the measuring resistor R10 of the reference system. The intermediate voltage is applied to the dynamic characteristic shaping circuit 1 which, when used as a filter, limits the useful signal bandwidth and suppresses the harmonics of the disturbing signal. The output signal of this circuit 1 is changed into a directly proportional current signal Jwy. Thus, the output current signal Jwy is directly proportional to the input voltage signal Uwe and is zero-shifted by the output bias current directly proportional to the reference current Jo. Controlled current sources: input, output and reference used in the system are not very accurate, nonlinear, controlled transistor systems of various configurations characterized by high output resistance. In the converter, according to the invention, the slope of the characteristic may be determined by means of the intermediate resistor R, characteristic shift by means of measuring resistor R10 of the reference system and / or using the voltage divider R12, R13, suppression of the interfering common signal with the help of polarization resistors R3, R4 and by selecting the parameters of the dynamic characteristic shaping system 1. PL