RU2084017C1 - Устройство для ввода информации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и предназначено для коммутации и преобразования аналоговых сигналов. Цель изобретения - улучшение помехозащищенности при сохранении высокого быстродействия и точности преобразования. Устройство содержит коммутатор входных аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь и блок управления. Коммутатор имеет каналы, в каждом из которых имеется входной преобразователь напряжения в ток, трансформатор и ключи в обоих обмотках трансформатора. Устройство также содержит общий для всех каналов коммутатора преобразователь тока в напряжение. Устройство имеет высокую помехозащищенность за счет увеличения напряжения гальванической развязки и высокое быстродействие за счет того, что в преобразователь напряжения в ток введены транзистор, диод, источник напряжения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и предназначено для коммутации и преобразования аналоговых сигналов.

К существующим многоканальным измерительным системам предъявляются требования высокой точности измерений, быстродействия, помехозащищенности и надежности. Все эти требования в одном устройстве выполнить сложно, т.к. они часто являются взаимоисключающими. Так, при повышении точности измерений понижается быстродействие системы, а при увеличении быстродействия ухудшается помехозащищенность, что в условиях помех промышленного объекта резко ухудшает точность измерений. Для повышения помехозащищенности и надежности измерительных систем применяется гальваническая развязка аналоговых цепей, что приводит к увеличению аппаратных затрат на один канал и к понижению быстродействия. Стремление уменьшить аппаратные затраты приводит к необходимости использования аналогового коммутатора, подключающего несколько входных каналов от датчиков к одному измерительному каналу. Применение в качестве коммутаторов аналоговых сигналов полупроводниковых ключей в микросхемном исполнении позволяет значительно увеличить количество измеряемых каналов без увеличения объема аппаратуры.

Однако это достигается ценой недостаточного напряжения гальванической развязки между каналами такого коммутатора, что приводит к увеличению погрешности, а иногда и к сбоям в работе измерительной системы в условиях помех промышленного объекта. Для повышения напряжения гальванической развязки применяются преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) с последующей передачей частоты через оптрон. Это приводит к увеличению аппаратных затрат на один канал и к снижению быстродействия. Применение для этих же целей трансформаторов в режиме передачи сигнала через модулятор-демодулятор (МДМ) приводит к снижению точности измерений, поскольку ключи модулятора и демодулятора вносят коммутационные искажения в передаваемый сигнал. Применение так называемого "плавающего конденсатора" также уменьшает точность измерений за счет коммутационных помех от ключей, или при уменьшении влияния этих помех к снижению быстродействия. Изложенное выше иллюстрируется описаниями изобретений, обнаруженных автором в процессе проведения патентного поиска. Высокая точность измерения и высокая помехозащищенность достигается за счет снижения быстродействия, увеличения габаритных размеров и усложнения устройства /1,2/. Высокое быстродействие снижает помехозащищенность /3/. Применение гальванической развязки входных и выходных цепей приводит к увеличению габаритных размеров и снижению точности измерений. Недостаточное напряжение гальванической развязки приводит к снижению надежности работы устройства /3,4/.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является /2/.

Целью изобретения является улучшение помехозащищенности при сохранении высокого быстродействия и точности преобразования.

Указанная цель достигается тем, что коммутатор содержит в каждом канале преобразователь напряжения в ток, трансформатор, первый ключ в первичной и второй ключ во вторичной обмотках трансформатора. Аналоговые входы каждого канала коммутатора являются входами преобразователя напряжения в ток, выходы которого через первый ключ соединены с первичной обмоткой трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора через второй ключ соединена с входом преобразователя тока в напряжение. Второй выход блока управления соединен с выводами управления ключей. Преобразователь напряжения в ток содержит первый и второй резисторы, операционный усилитель, источник напряжения, транзистор p-n-p типа и диод. Первый вывод первого резистора соединен с входом устройства и с неинвертирующим входом операционного усилителя. Первый вывод второго резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, катодом диода и с выходом преобразователя. Выход операционного усилителя соединен с эмиттером транзистора, база которого соединена с положительным выводом источника напряжения. Коллектор транзистора соединен с анодом диода и с выходом преобразователя. Отрицательный вывод источника напряжения и вторые выводы резистора соединены с общим потенциалом преобразователя. Преобразователь тока в напряжение содержит операционный усилитель и масштабирующий резистор. Инвертирующий вход операционного усилителя соединен с первым выводом масштабирующего резистора. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной устройства. Выход операционного усилителя соединен с выходом коммутатора и с вторым выводом масштабирующего резистора.

Введение в схему преобразователя напряжения в ток операционного усилителя позволяет с высокой точностью преобразовать входное напряжение в ток, исключая влияние остаточного напряжения на замкнутом ключе 3. Транзистор в преобразователе напряжения в ток повышает быстродействие преобразователя до быстродействия срабатывания ключей. Введение в схему коммутатора трансформатора позволяет повысить напряжение гальванической развязки до сотни раз по сравнению с таким напряжением у коммутатора на полупроводниковых ключах (например, в прототипе). Введение операционного усилителя (без резистора в его входной цепи) в преобразователе тока в напряжение позволяет закоротить обмотку трансформатора при передаче сигнала через него. Трансформатор работает в режиме короткого замыкания. При таком режиме уменьшаются погрешности передачи сигнала через трансформатор, т.к. во-первых, он работает на начальном участке своей магнитной характеристики, поэтому его собственный ток намагничивания мал, мало также отличие этого участка характеристики от линейной, что позволяет учесть эти факторы при установке коэффициента передачи коммутатора. Коэффициент передачи коммутатора определяется отношением резисторов в цепях операционных усилителей обоих преобразователей и отношением числа витков в обмотках трансформатора. Во-вторых, уменьшается влияние индуктивностей рассеяния и межвитковых емкостей трансформатора, что повышает его быстродействие.

Применение предлагаемой схемы коммутатора позволяет полностью использовать быстродействие операционного усилителя в преобразователе тока в напряжение. Выходное сопротивление преобразователя напряжения в ток можно считать бесконечно большим, или, точнее, намного большим любого значения сопротивления масштабирующего резистора в преобразователе тока в напряжение. Поэтому можно считать, что операционный усилитель в преобразователе тока в напряжение работает с коэффициентом усиления по напряжению, стремящемуся к нулю. В таком режиме операционный усилитель обладает максимальным быстродействием, так как его амплитудно-частотная характеристика имеет максимальную полосу пропускания.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг.2 представлена схема преобразования напряжения в ток; на фиг.3 схема преобразования тока в напряжение.

Устройство (фиг. 1) содержит многоканальный коммутатор 1, который в каждом канале содержит преобразователь 2 напряжения в ток, ключи 3 и 4, трансформатор 5, общий для всех каналов преобразователь тока в напряжение 6, аналого-цифровой преобразователь 7 и блок управления 8. Преобразователь напряжения в ток (фиг.2) содержит резисторы 9 и 10, операционный усилитель 11, источник напряжения 12, трансформатор p-n-p типа 13 и диод 14. Преобразователь тока в напряжение (фиг.3) содержит резистор 15 и операционный усилитель 16.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал напряжения выделяется на резисторе 9. С выхода операционного усилителя 11 через транзистор 13, переключающий диод 14 и резистор 10 течет ток, создающий на резисторе 10 падение напряжения, равное напряжению на резисторе 9. Поэтому этот ток пропорционален входному напряжению с коэффициентом пропорциональности, определяемым сопротивлением резистора 10. Источник напряжения 12 создает необходимый режим работы для транзистора 13, включенного по схеме с общей базой. При замыкании ключа 3 к выводам диода 14 подключается первичная обмотка трансформатора 5. При этом одновременно замыкается ключ 4 и вторичная обмотка трансформатора 5 подключается ко входу операционного усилителя 16. Во входной цепи операционного усилителя 16 отсутствует резистор, вследствие этого вторичная обмотка трансформатора 5 оказывается как бы замкнутой накоротко операционным усилителем 16 (если предположить, что он идеален и его собственное напряжение становится равным нулю, диод 14 выключается, и весь ток, шедший через него, течет через ключ 3 и первичную обмотку трансформатора 5. Трансформатор 5 работает в режиме короткого замыкания трансформатора тока. Ток в его вторичной обмотке пропорционален току в первичной обмотке с коэффициентом пропорциональности, определяемым отношением числа витков обмоток. Ток вторичной обмотки трансформатора, протекая через резистор 15, создает на выходе операционного усилителя 16 напряжение, пропорциональное этому току. Коэффициент пропорциональности определяется сопротивлением резистора 15. Напряжение с выхода операционного усилителя 16 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 7, в котором преобразуется в цифровой эквивалент, который подается на выход устройства.

Claims (3)

1. Устройство для ввода информации, содержащее многоканальный коммутатор с двумя ключами и трансформатором в каждом канале, аналого-цифровой преобразователь и блок управления, при этом выходы вторых ключей всех каналов объединены, а выход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу устройства, отличающееся тем, что в коммутатор введен преобразователь тока в напряжение, а в каждый канал преобразователь напряжения в ток, входы преобразователей напряжения в ток соединены с соответствующими входами коммутатора, а выходы через соответствующие первые ключи подключены к первичным обмоткам соответствующих трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены с входами соответствующих вторых ключей, объединенные выходы которых подключены к входу преобразователя тока в напряжение, соединенного выходом с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления, причем входы управления первого и второго ключей в каждом канале объединены и подключены к соответствующим выходам блока управления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что преобразователь напряжения в ток содержит транзистор, диод, два резистора, источник постоянного напряжения и операционный усилитель, соединенный выходом с эмиттером транзистора, коллектор которого через диод подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а база к соответствующему выводу источника напряжения, неинвертирующий и инвертирующий входы операционного усилителя соответственно через первый и второй резисторы соединены с вторым выводом источника напряжения и общей точкой преобразователя напряжения в ток, входы которого подключены соответственно к первому и второму выводам первого резистора, а выходы к аноду и катоду диода.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что преобразователь тока в напряжение содержит операционный усилитель и резистор, включенный между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к общей точке устройства для ввода информации, при этом вход и выход преобразователя тока в напряжение подключены соответственно к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя.

Images