SU1363185A1 - Функциональный преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано в широкодиапазонных автоматических устройствах дл  преобразовани  и измерени  тока. Цель изобретени  - пойьшение точности - достигаетс  за счет исключени  вли ни  напр жений дрейфа на пороги срабатывани  аппроксимирующих  чеек (АЯ). Дл  этого в функциональный преобразователь (ФП) введены формирователь компенсирующего напр жени , выходом включенный между входом ФП и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилител , входом подключенный к выходу преобразовател  -код-аналог, группа из п преобразователей 18 код-аналог (ПКА), формирователь импульсов и триггер,-служащие дл  управлени  работой всех ПКА и ключа. Вход компаратора напр жени  подключен к выходу инвертора,  вл ющемус  выходом ФП. ПКА вьшолнены с функцией запоминани  входной информации . В каждую из п АЯ введены компаратор напр жени  и коммутирующий элемент на ключах, что позвол ет использовать их как в режиме коррекции порога срабатывани  АЯ, так и при работе . 4 ил. (Л со о со 00 сд

Description

Изобретение относитс  к аналоговой техргике и может быть использовано при создании широкодиапазонных автоматических устройств дл  преоб- разовани  и измерени  посто нного тока.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности.

На фиг. 1 приведена структурна  схема функционального преобразовател ; на фиг. 2 - принципиальна  схема аппроксимирующей  чейки; на фиг. 3 - эпюры напр жений, по сн ющие работу преобразовател ; на фиг. 4 - вариант выполнени  формировател  компенсирующего напр жени .

Предлагаемый функциональный преоб разователь содержит (фиг, I) дифференциальный операционньй усилитель 1 инвертор 2, п аппроксимирующих  чеек 3.1 - З.п, n+I входных масштабных резисторов 4.-1 - 4.(п+1), ключ 5, блок 6 индикации, компаратор 7 напр  лсени , генератор 8 импульсов, с-4ет- чик 9, триггер 10,,формирователь 11 импульсЪв,. преобразователь 12 код - аналог, формирователь 13 компенсирующего напр жени , содержащий вход 14, выход 15 и управл ющий вход. 16, группу 17 из п преобразователей IS. I - 18.П код - аналог.

Кажда  из п аппроксимирующих  чеек 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 напр жени , коммутирующий элемент 28, содержащий двунаправленный и однонаправленный ключи 29 и 30, повторитель 31, первьш и второй выходы 32 и 33 аппроксимирующей  чейки.

Формирователь 13 компенсирующего напр жени  по фиг, 4 может быть выполнен .на двух оптопарах 34, 35 и резисторе 36. Основным требованием к формирователю 13  вл етс  то, что он должен быть изолированным по выходу от шины нулевого потенциала. Все преобразователи код - аналог выполнены с функцией запоминани  входной информации.

Рассмотрим работу отдельно вз той аппроксимирующей  чейки.

На первый вход 19 аппроксимирующей  чейки (фиг. 2) подаетс  напр жение с выхода дифференциального операционного усилител  I, пропорциональное току исследуемого сигнала. На второй ее вход 20 подаетс  опорное напр же- ние, пол рность которого выбираетс  противоположной пол рности выходного напр жени  усилител  I,

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

будет меньше тока через второй масштабный резистор 24, пол рность выходного напр жени  операционного усилител  22 будет определ тьс  пол рностью опорного напр жени  Uo. Компара-

тор 27 напр жени  в данном случае

отключает первый выход 32 аппроксимирующей  чейки от выхода усилител  22 воздейству  на коммутирующий элемент 28. Аппроксимирующа   чейка в данном

состо нии считаетс  выключенной. Обратна  св зь операционного усилител  22 при этом осуществл етс  через верхний по схеме выход двунаправленного ключа 29, повторитель 31 и тре-

тий масштабный резистор 25, Выключенное состо ние аппроксимирующей  чейки определ етс  по состо ний компаратора 27 напр жени , которое передаетс  в виде определенного уровн  напр жени  на второй выход 33 аппроксимирующей  чейки.

В течение времени, когда ток через масштабный резистор 23 больше по величине тока через масштабный

рез.истор 24, пол рность выходного напр жени  операционного усилител  определ етс  пол рностью напр жени  на выходе дифференциального операционного усилител  I. Компаратор 27

напр жени  измен ет свое состо ние и, воздейству  на ключи 29 и 30, подключает выход 32 аппроксимирующей  чейки к выходу усилител  22 через ключ 29 и к входу повторител  31

через ключ 30, Аппроксимирующа   чей- . ка при этом находитс  во включенном состо нии. Обратна  св зь усилител  22 осуществл етс  через нижний по- схеме выход двунаправленного ключа 29, ключ 30, повторитель 31 и масштабный резистор 25, Включенное состо ние аппроксимирующей  чейки определ етс  противоположным по сравнению с предьщущим состо нием

компаратора 27 напр жени .

Так как входной ток повторител  31 практически можно считать равным нулю, то падением -напр жени  на ключах 29 и 30 за счет входного

31

тока повторител  31 можно пренебречь

Дальнейша  работа аппроксимирующей  чейки будет рассмотрена в совокупности с другими узлами преобразова- тел .

Принцип работы функционального преобразовател  в целом

Режим работы преобразовател  определ етс  состо нием формировател  11 импульсов. На врем  паузы между импульсами формировател  11 функци- овальный преобразователь устанавли ваетс  в режим Коррекци .

С момента наступлени  начала |Паузы цосле очередного импульса .формировател  1 импульсов запуска- бтс  генератор 8 импульсов. Счетчик 9 начинает подсчет импульсов, поступающих ,на его .счетный вход с выхода генератора 8. После первого заполнени  емкости счетчика он автоматически устанавливаетс  в нулевое состо ние , а на его выходе возникает импульс переполнени , включающий триг- гер 10. Счетчик 9 продолжает считать поступающие на его вход импульсы с выхода генератора 8 до момента возникновени  второго импульса переполнени , возвращающего триггер 10 в исходное состо ние.- Задним фронтом импульса с выхода триггера 10 запуск-аетс  формирователь 11 импульсов, который начинает формирование импульса с требуемой длительностью. На все врем  формировани  импульса на выходе формировател  11 импульсов генератор 8 импульсов находитс  в выключенном состо нии, а сам функциональный преобразователь в режиме Измерение, По окончании импульса формировател  11 импульсов генератор 8 импульсов снова запускаетс , и наступает новый цикл работы функци онального преобразовател  в режиме Коррекци ,

В режиме Коррекци  ток исследуемого сигнала на вход функционального преобразовател  не поступает. Ключ 5 открыт на все врем , в тече- ние которого триггер 10 находитс  в исходном (выключенном) состо нии. Поэтому с момента наступлени  паузы между импульсами формировател  11 до первого импульса с выхода переполне- ни  счетчика .9 на вторые входы аппроксимирующих  чеек 3.1-3,П через ключ 5 поступает опорное напр жение DO, которое устанавливает их в выклю

854

чанное состо ние. Напр жение с выхода дифференциального операционного усилител  1, определ емое напр жени ми дрейфа усилител  1 и инвертора 2 и поступающее на первые входы аппроксимирующих  чеек 3,1-3.п, обычно меньше их порогов срабатывани  и поэтому на состо ни  аппроксимирующих  чеек вли ни  не окажет. -В случае, если пороги срабатывани  отдельных аппроксимирующих  чеек соизмеримы с начальной величиной напр жени  на выходе усилител  1, возникающем вследствие вли ни  указанных напр жений дрейфа, что может привести к их включению, то на такие аппроксимирующие  чейки на дополнительные управл ющие входы их коммутирующих элементов 28 следует подать сигнал с выхода формировател  11 импульсов, блокирующий вли ние компараторов 27 напр жени  на кЪммутирующие элементы 28. Дп  остальных аппроксимирующи  чеек, пороги срабатывани  которых заведомо выше начального напр жени  |На выходе усилител  1 , подача сигнал блокировки не об зательна.

Задним фронтом импульса формировател  11 импульсов (в начале режима Коррекци ) преобразователь 12 код- аналог устанавливаетс  в состо ние, при котором разрешаетс  прохождение текущего значени  кода с информационных выходов счетчика 9 на внутрен- ние элементы пам ти преобразовател  12 код - аналог. При этом вход запрета по внутренним цеп м преобразовател  12 код - аналог импульсом разрешени  блокируетс .

Преобразователь 12 код - аналог следует выполнить так, чтобы при изменении кода на его информационных входах от нул  до максимального значени  на его выходе напр жение измен лось бы в диапазоне ±U, достаточном дл  компенсации напр жени  .дрейфа обоих пол рностей. При этом нулевому коду на входе преобразовател  12 код - аналог должно соответствов-ать его выходное напр жение с пол рностью,, при которой компаратор 7 напр жени  устанавливаетс  в выключенное состо ние, снимающее.запрет на поступление информации с выходов счетчика 9 на внутренние элементы пам ти преобразовател  12 код - аналог. Поэтому по окончании импульса разрешени  с выхода формиS

ровател  I 1 импульсов запрета на прохождение информации не будет. Выходное напр жение преобразовател  12 код - аналог поступает на вход усилител  1 и далее на выход инвертора 2 и вход компаратора 7 напр жени  через формирователь 13 компенсирующего напр жени .

Как уже указывалось, в процессе изменени  кода счетчика 9 на выходе преобразовател  12 код - аналог на- пр же ие измен етс  в диапазоне iU, В зависимости от знака данного напр жени  (дл  случа  выполнени  формировател  13 компенсирующего напр жени  на фиг, 4) ток будет протекать либо через светодиод оптопа- ры 34, либо через светодиод оптопары 35 формировател  13 компенсирующего напр жени . 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 напр жение на выходе формировател  13 станет равным по величине и против оположным по знаку напр жению дрейфа усилите- л  I, напр жение на выходе инвертора 2 станет равным нулю, компаратор 7 напр жени  изменит свое состо ние и подаст команду запрета на преобразователь 12 код - аналог, который с этого момента на все оставшеес  вре м  режима Коррекци  и все врем  режима Измерение не изменит своего состо ни  и будет хранить код, пропорциональный полученному напр же нию компенсации.. .

Напр жение на выходе усилител  1 в данном случае не будет равно нулю , а будет зависеть от напр жени  дрейфа инвертора 2, а именно

тт - тт .t АР.1 ,

(О

где UK К - напр жение дрейфа и модуль коэффициента усилени  инвертора 2 соответственно,

С приходом первого импульса переполнени  счетчика 9 триггер-10 включаетс  и выключает ключ 5, Поступление опорного напр жени  на вторые входы аппроксимирующих  чеек 3,1-3,п- прекращаетс . 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 состо ние, при котором разрешаетс  прохождение информации с выходов счетчика 9.на внутренние элементы пам ти 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 напр жени  с пол рностью, при которой компараторы 27 напр жени  аппроксимирующих  чеек 3,1-3,п наход тс  в выключенном состо нии. При этом снимаетс  запрет на поступление информации на внутренние элементы пам ти преобразователей 18,1-18,п код- аналог. Текущее значение кода с информационных выходов счетчика 9 будет поступать на информационные входы внутренних элементов пам ти отдельно вз  тьгх преобразователей 18, 1-18,п код - аналог до тех пор, пока не наступит .нулевое значение напр жени  на выходе операционного усилител  22 соответствующей аппроксимирующей  чейки, что будет соответствовать полной компенсации напр жений, смещающих ее порог срабатывани . Компенсирующее напр жение поступает на третий вход 21 каждой аппроксимирующей  чейки. Компаратор 27 напр жени  аппроксимирующей  чейки,. в которой наступило состо ние полной компенсации , ВКЛЮЧИТСЯ и запретит прохождение информации с выходов счетчика 9 на соответствующий преобразователь код - аналог группы 17, Так как значение компенсирующего напр жени  дл  каждой аппроксимирующей  чейки индивидуально , то моменты времени, когда преобразователи 18,1-18,п код - аналог переход т в режим хранени  информации , будут различны дл - каждого из них,

На смещение порога срабатывани  отдельно вз той аппроксимирующей  чейки оказывают вли ние напр жение 1 и напр жени  дрейфа операционного усилител  22 и повторител  31, Компенсирующее напр жение на третьем входе отдельно вз той аппроксимирующей  чейки в момент полной компенсации определ ешьс  из выражени 

+

и

Bbll

ElL + и . -- , no-ai -

R

29

R,

где Uftpii Напр жение дрейфа операционного усилител  22;

R ЧКЭ 13

, i- . i. ,

к .

1

25

- сумма проводимостеи резисторов 23 - 26. Из рассмотренного процесса компенсации напр жений, смещающих порог срабатывани  отдельно вз той аппроксимирующей  чейки, видно, что до момента наступлени  полной компенсации компараторы 27 напр жени  наход тс  в выключенном состо нии, при котором нижн   ветвь ключа 29 и ключ

30разомкнуты. Следовательно , св зей между аппроксимирующими  чейками 3.1-3.и через разомкнутые их вторые выходы 33 и входные масштабные резисторы 4,1-4.п не будет. В момент наступлени  полной компенсации напр жение на выходе операционного усилител  22 равно нулю, а состо ние компаратора 27 напр жени  не оказывает вли ни  на процесс компенсации других аппроксимирующих  чеек, так как ток через включенный входной масштабный резистор протекать не будет ввиду равенства нулю напр жений на обоих его выводах.

После коррекции всех аппроксимирующих  чеек счетчик 9 будет продолжать подсчет импульсов до возникновени  второго импульса переполнени , который вернет триггер 10 в исходное состо ние . Ключ 5 откроетс  и подаст опорное напр жение U на вторые входы аппроксимирующих  чеек 3.1-3.п. Начнетс  режим Измерение при котором на вход преобразовател  поступит ток исследуемого сигнала.

Так как напр жение и„,„ . (1) бу- .

р I

дет скомпенсировано на этапе режима Коррекци , то в режиме Измерение вли нием его можно пренебречь, как и вли нием напр жений дрейфа операционных усилителей 22 и повторителей

31аппроксимирующих  чеек 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  чейки 3.1-3(т-1), и напр жение на выходе инвертора 2 определитс  из выражени 

31858

J6ыx .0 , -x(™-,i

,,

где и

ntm -;

10

15

(2.)

- напр жение порога срабатывани  аппроксимирующей  чейки 3.(т-1) после коррекции его напр жепи 

смещени : .т L.- величина входного тоoit

ка, наход щегос  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 изменени  крутизны в конце (m-l)-ro и га-го участков аппроксимации;

коэффициент пропорци- ональности дл  т-го участка аппроксимации .

Коэффициент пропорциональности в выражении (2) определ етс  из выражени 

П-11

,:-KV;

Кп,

к

RA.:

RS

5

R

Ain+O

R

4.,

0

где К. --- - коэффициент передачи

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

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

Из описани  работы преобразовате- 5 л  видно, что в процессе первой коррекции устран етс  вли ние напр жений дрейфа дифференциального операционного усилител  1 на смещение участков аппроксимации. В процессе 0 дальнейших коррекций устран етс  вли ние напр жений дрейфа инвертора 2 и операционного усилител  22 совместно с повторителем 31 каждой вход щей в преобразователь аппроксимиру- 5 ющей  чейки как на смещение каждого участка аппроксимации, так и на пороги срабатывани  аппроксимирующих  чеек , так как одновременно с компенсацией напр жени  смещени  порога ера91

батывани  на первом выходе 32 аппрок симиругощей  чейки устанавливаетс  нулевое напр жение.

Предложенный функциог альный пре образователь позвол ет повысить точность преобразовани  входного тО ка за счет исключени  вли ни  напр жений дрейфа операционных усилителей на пороги срабатывани  аппроксимирующих  чеек и не вносит погрешность за счет смещени  участков аппроксимации.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Функциональный преобра;зователь5, содержащий дифференциальный операционный усилитель, выход которого поД ключеп к входу инвертора, источник опорного напр жени , подключенный к информационному входу ключа, п аппроксимирующих  чеек, кажда  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  вл ютс  первым и вторым входами аппроксимирующей  чейки, и повторитель, подклю- ченный выходом к второму выводу третьего масщтабного резистора, первые входы п аппроксимирующих  чеек объединены и подключены к выходу дифференциального операционного усилител  первый выход каждой 1-й (,2,... о.., п) аппроксимирующей  чейки через i-й входной масштабный резистор и выход инвертора через (п+1)-й входной масштабный резистор подклю- чены к входу преобразовател , второй выход каждой i-й аппроксимирующей  чейки соединен с соответствующим i-M входом блока индикации, компаратор напр жени , 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, отличающийс  тем, что, с целью .повышени  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 напр же™ ни , вход триггера подключен к вы ходу переполнени  счетчика, выход триггера соединен с входом формировател  импульсов, второй вход компаратора напр жени  подключен к выходу инвертора,  вл ющемус  выходом преобразовател , входы разрешени  и запрета преобразовател  код - аналог подключены соответственно к выходу формировател  импульсов и выходу компаратора напр жени , выход преобразовател  код - аналог подключен к управл ющему входу формировател  компенсирующего напр жени , вход и.выход которого соединены с информационным входом преобразовател  и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилител , инвертирующий вход которого подключен- к шине нулевого потенциала, вторые входы п аппроксимирующих  чеек объединены и подключены к выходу ключа, вход управлени  которого подключен к выходу триггера, информационные вхо- ДБ1 п преобразователей код - аналог группы подключены к соответствующим информационным выходам счетчика, входы разрешени  п преобразователей код - аналог группы объединены и подключены к выходу триггера, вход запрета i-ro преобразовател  код аналог группы подключен к второму выходу i-й аппроксимирующей йчейки, в .каждую из п аппроксимирующих  чеек дополнительно введены компаратор напр жени  и четвертый масштабный резистор,, первьй вывод которого подключен к входу инвертирующего операционного усилител , а второй вывод  вл етс  третьим входом аппроксимирующей  чейки,- первый и второй входы компаратора напр жени  подключены соответственно к шине нулевого потенциала и выходу инвертирующего операционного усилител , и коммутирующий элемент, вход которого подключен к выходу инвертирующего операционного усилител ; пер.- вый выход соединен с входом повторител , второй выход  вл етс  первым выходом аппроксимирующей  чейки, -а управл ющий вход подключен к выходу компаратора напр жени -,  вл ющемус  вторым вьпйод-ом аппроксимирующей  чейки ,., третий вход которой подключен к выходу i-ro преобразовател  код - аналог о группы .

   Uo

   /

   15

   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, Раушска  наб,, д. 4/5

   Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4