Усилитель с оптической связью

(19) 3 Е 3/38, 17/ ОБРЕТЕНИЯ ПИС Е Я Дг ИО,. ИДЕТЕЛЬС 2 вано для масштабн образования сигна пряжения (тока развязкой. Цель иэо точности передачи ли обеспечивается раничителей 2 и 10 расширителя 8 соо щей и приемной ча ключению фотодио е объедин н и Ф.Ф. КоганСССР9 87.КОЙ СВЯЗЬЮэлектроиэмеыть использоГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ(57) Изобретение относится крительной технике и может б о измерительного прев электрического на) с гальванической бретения - повышение сигнала. Достижение цеблагодаря введению ог. формирователей 3, 4 и тветственно на передаюстях, а также иному поддов 12 и 13. 2 ил.5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано .для масштабного измерительного преобразования сигналов электрического напряжения (тока) с гальванической развязкой.Известно устройство с оптической передачей сигналов, содержащее последовательно соединенные преобразователь напряжения в частоту, узел гальванической развязки, состоящий из Н фотодатчиков и фотоприемников, кольцевого делителя частот и сумматора, расширителя импульсов, формирователя прямоугольного импульса, элемента выделения и оеднего фронта импульса и преобразователя частоты в напряжение.В известном устройстве входной сигнал напряжения преобразовывается в частоту; частотный сигнал по каналуиз Й фотодатчиков-фотоприемников, осуществляющему .гальваническую, развязку, передается к формирователям, элементам выделения переднего фронта, сумматору и преобразователю частота-напряжение, в котором происходит восстановление исходного сигнала.Недостатком известного преобразователя является его сложность, а также трудности обеспечения малой. погрешности передачи, связанные с необходимостью применения высокостабильных элементов- конденсаторов, кварцевых резонаторов в преобразователях напряжение - частота и частота - напряжение, .Известно также устройство с оптической передачей сигналов, содержащее входной усилитель, выход которого подключен ко входу ограничителя напряжения, а выход ограничителя напряжения подключен ко входу время-импульсного модулятора, к выходу время-импульсного модулятора подключеныусилитель-формирователь и делитель частоты. К выходу усилителя-формирователя подключен фотодатчик, освещающий фотоприемник, который соединен с другим усилителем-формирователем, подключенным к время-импульсному демодулятору, выход которого является выходом устройства, Выход делителя частоты подключен к входу время-импульсного демодулятора, содержащего два интегрирующих звена, сумматор, фильтр нижних частот, выход которого подключен к делителю обратной связи, выход которого соединен со вторым входом входного усилителя, Недостатками указанного устройства являются его сложность, а также зависимость коэффициента усиления устройства от коэффициентов передачи время-импульсного демодулятора в цепи обратной связи и на выходе устройства, так как нестабильности емкостей демодуляторов оказывают влияние на величину коэффициента усиления.Наиболее близким к изобретению является устройство для оптической передачи сигналов, которое содержит два блока питания, гальванически развязанных друг от друга, питающих передающую и приемную части устройства, ключевой модулятор, двавхода которого являются входом устройства, генератор прямоугольных и треугольных импульсов, выход прямоугольных импульсов которого подключен к третьему входу ключевого модулятора и к опорному свето- излучателю (опорному фотодатчику), а выход треугольных импульсов соединен свходом переключаемого делителя, выход которого соединен с одним из входов компаратора, ко второму входу которого подключен выход усилителя, у которого входсоединен с выходом ключевого модулятора, а выход компаратора соединен с информационным светоизлучателем (информационным фотодатчиком).Информационный и опорный фотоприемники воспринимают сигналы информационного и опорного светоизлучателей соответственно, К выходам опорного и информационного светоприемников подключены усилители фотоимпульсов, выходы которых подключены к управляющим входам опорного и информационного умножителей знака, Ко второму входу опорного умножителя знака подключен источник опорного напряжения, а выход опорного умножителя знака подключен ко второму входу информационного умножителя знака, к выходу которого подключен фильтр нижних частот.Входной сигнал напряжения поступает на вход ключевого модулятора, промодулированный сигнал с выхода модулятора усиливается усилителем и поступает на вход компаратора, на другой вход которого черезделитель поступает сигнал треугольного напряжения. Сигнал с выхода компаратора, имеющий фазу, величина которой пропорциональна входному сигналу устройства, поступает на информационный светоизлучатель, в то время как на опорный светоизлучатель от генератора поступает последовательность прямоугольных опорных импульсов, Сигналы на выходе информационного и опорного фотоприемников усиливаются усилителями фотоприемников и подаются на входы информационного иопорного умножителей знака,Широтно-модулированный сигнал, амплитуда которого определяется напряжением опорного источника, с выхода информационного умножителя подается на вход фильтра, выделяющего постоянную составляющую и полосу частот, соответствующую переменной составляющей входного сигнала (предполагается, что частота опорных прямоугольников намного выше частоты входного преобразуемого сигнала).Сигнал на выходе фильтра устройства пропорционален входному сигналу,Укаэанное устройство имеет низкую точность п реобразования, обусловленную погрешностью компаратора, а также нестабильностью источника опорносо напряжения. Кроме того, глубина модуляции сигнала на входе фильтра, обусловленная принципом преобразования не может превысить величины 0,5, что обуславливает необходимость соответствующего усиления сигнала и вносит погрешность в процесс преобразования. Фактором, обуславливающим погрешность преобразования данного устройства являются также неидеальность фронтов - "спады" при передаче прямоугольных сигналов по каналам опорного и информацйонного светоизлучателей, опорного и информэционого фотоприемников.Принцип работы устройства обуславливает необходимость передачи без спада как переднего, так и заднего фронтов передаваемых импульсов, что структурно устройством не обеспечивается и обуславливает соответствующую погрешность преобразования.Цель изобретения - повышение точности передачи сигналов напряжения (тока),Укаэанная цель достигается тем, что в усилитель с оптической связью, передающая часть которого выполнена на входном широтно;импульсом модуляторе, светодио, дах первого и второго оптрона, первом источнике питания, э приемная часть - на фотодиодах первого и второгооптрона, втором источнике питания и выходном фильтре низких частот, при этом один вывод фотодиода первого оптрона подключен к входу импульсного усилителя, введены на передающей части ограничитель сигнала, первый и второй формирователи коротких импульсов, а на приемной части - ограничи-.тель сигнала и расширитель импульсов. При этом к выходу широтно-импульсного модулятора подключен ограничитель сигнала передающей части., между выходом которого и соответствующими выводами светодиодов первого и второго оптронов включены первый и второй формирователи коротких импульсов соответственно, а между выводом источника питания приемной части и соответствующим выводом фотодиода первого40 45 4 формирователи, первый светодиод 5 первого оптрона, второй светодиод 6 второго 50 5 10 15 20 25 30 35 оптрона включен фотодиод второго оптрона;Между выходом импульсного усилителя и входом фильтра низких частот включены последовательно соединенные расширитель импульсов и ограничитель сигнала.Указанные отличительные признаки, т.е, наличие дополнительно введенных блоков и их подключение обеспечивают повышение точности. Так, введение дополнительного ограничителя сигнала в передающую часть, идентичного по своим характеристикамс ограничителем сйгнала в приемной части, компенсирует погрешности, связанные с нестабильностью источника опорного напряжения в прототипе. Исключение из устройства компараторэ устраняет составляющую погрешности компаратора;Глубина модуляции не ограничивается величиной 0,5, как это имеет место по принципу действия известного устройства и в зависимости от типа"примейяемого широтно-импульсного модулятора 4,5 может быть близка к 100;4, благодаря чему не требуется дополнительное усиление сигнала, вносящее погрешность в процесс "передачи, В заявляемом устройстве широтно-модулированный сигнал на приемной стороне фоомируется только за счет срабатывания фотодиодов первого и второго оптронов по переднему фронту, что исключает погрешность, связанную с пологостью-спадом заднего фронта передаваемого сигнала, как это имеет место в устройстве - прототипе и дает возможность использовать фотодиоды как в фотодиодном, так и в вентильном режимах.Ха фиг, 1 представлена структурная схема предлэгэембго "усйлителя; на фиг. 2 -диаграммы, иллюстрирующие работу усилителя,Передающая часть усилителя содержит входной широтно-импульсный модулятор 1, ограничитель 2 сигнала, первый 3 и второй оптрона, блок 1 питания передающей части,Приемная часть содержит расширитель 8 импульсный усилитель 9 сигналов, ограничитель 10 сигнала, фильтр 11 низких частот,. перовый фотодиод 12, второй фотодиод 13, первый резистор 14, второй резистор 15, блок 16 питания приемной части. При этом выход входного широтно-импульсного модулятора 1, который выполнен на операционных усилителях А 1, А 2, транзисторах Ч 1,Ч 2, конденсаторе С 1, резисторах В 1, В 2, ВЗ, В 4, В 5, В 6, соединен с входом ограничителя 2 сигнала передающей части, который выполнен на стабилитронах ЧЗ и Ч 4, причем резистор В 6 является одновременно необходимой частью ограничителя 2 сигнала. Выход последнего соединен с входами первого 3 и второго 4 формирователей коротких импульсов, которые выполнены на транзисторе Ч 6, диоде Ч 5, емкости С 2, резисторе В 7 и транзисторе Ч 8, диоде Ч 7, емкости СЗ, резисторе Р 8 соответственно. Выход первого формирователя 3 соединен с одним из выводов светодиода 5, второй вывод которого подключен к блоку 7 питания, Выход второго формирователя 4 соединен с одним из выводов светодиода 6, второй вывод которого подключен к блоку питания 7, причем, вход входного широтно-импульсного модулятора 1 является входом устройства. Передающая часть устройства запитывается от отдельного блока 7 питания,Приемная часть устройства снабжена расширителем 8 импульсов, который выполнен на операционном усилителе А 4, транзисторах Ч 9 и Ч 10, резисторах В 11, В 12, В 13. Вход расширителя 8 импульсов соединен с выходом импульсного усилителя 9 сигналов фотодиодов 12 и 13, который выполнен на операционном усилителе АЗ, резисторах В 9 и В 10, а выход расширителя импульсов 8 подключен ко входу ограничителя 10 сигналов, который собран на стабилитронах Ч 11 и Ч 12, при этом резистор В 11 является одновременно и необходимой частью ограничителя 10 сигнала, Выход ограничителя 10 сигнала соединен с входом фильтра 11 низ- ких частот, выход которого является выходом устройства. Вход импульсного усилителя 9 сигналов фотодиодов 12 и 13 соединен с одним иэ выводов первого фото- диода 12, второй вывод первого фотодиода 12 соединен с одним из выводов второго фотодиода 13. Второй вывод второго фото- диода 13 соединен с выводом источника питания, например с общей шиной. Параллельно первому фотодиоду 12 подключен первый резистор 14, а параллельно второму фотодиоду 13 подключен второй резистор 15. Приемная часть устройства запитывается от отдельного блока 16 питания, не имеющего гальванической связи с блоком 7 питания передающей части,Усилитель работает следующим образом.Сигнал напряжения (тока) (фиг. 2 а) поступает на вход входного широтно-импульсного модулятора 1, на эмиттерах транзисторов Ч 1, Ч 2 которого сигнал имеет форму, изображенную на фиг. 2 б. С выхода входного широтно-импульсного модулятора 1 сигнал поступает на ограничитель сигнала 2, где он ограничивается по амплитуде до уровня Оо 1 напряжения пробоя стабилитронов ЧЗ, Ч 4(фиг, 2 в).Широтно-модулированный сигнал с глубиной модуляции, равной5 т 1-тг Овх. В 301+12 Оо 1 В 1(1)где Овх - величина входного сигнала напряжения, поступает на входы формирователей3 и 4, При этом сигнал на базе транзистора10 Ч 6 формирователя 3 (фиг, 2 г) формируетсяпо переднему фронту импульсной последовательности (фиг. 2 в), а сигнал на базе транзистора Ч 8 (фиг. 2 д) формируется позаднему фронту широтно-модулированной15 последовательности (фиг. 2 в), Сигналы наколлекторах транзисторов Ч 6 и Ч 8 формирователей 3 и 4 показаны на фиг. 2 е и ж соответственно, Сигналы на фотодиодах 12 и 13приведены на фиг, Зз и и соответственно,20 Сигнал на выходе импульсного усилителя 9сигналов фотодиодов 12 и 13 приведен нафиг. 2 к, С выхода усилителя 9 сигнал поступает на вход расширителя импульсов 8, сигнал на эмиттерах транзисторов Ч 9 и Н 1025 которого имеет вид, приведенный на фиг.2 л, Сигнал с выхода расширителя 8 импульсов поступает на вход ограничителя 10 сигнала, на выходе которого сигнал имеет вид,показанный на фиг, 2 м,30 Сигнал выхода ограничителя 10 сигнала поступает на вход фильтра 11 низкихчастот, выходной сигнал Овцх которого изображен на фиг. 2 н и с учетом масштаба преобразования соответствует входному35 сигналут 1 - 12Овых. = - Оог К 11 (2)11+12где 002-уровень напряжения пробоя стабилитронов Ч 11 и Ч 12;40 К 11 - коэффициент преобразования попостоянному току фильтра 11 низких частот.С учетом (1) выражение (2) можно записать в виде45 002 . В 3 .Овых.=Овх,0В 1К 11 (3)Оо 1Из (3) следует, что при применении впередающей и приемной части устройства однотипных стабилитронов их температур ная нестабильность и временной дрейф взначительной степени компенсируются и не вносят погрешности в процесс преобразования, что является преимуществом заявляемого изобретения. Указанное 55 положительное свойство отсутствует в известном устройстве, в котором точность преобразования полностью зависит от стабильности источника опорного напряжения,Преимуществом предлагаемого технического решения является и то, что в отличие от известного фотодиоды в предлагаемом устройстве благодаря оригинальному соединению элементов могут ра ботать в фотЪгенераторном режиме без снижения точности преобразования, что в силу принципа действия известного устройства-прототипа в нем принципиально не-" возможно. 10Как известно в вентильном режиме релаксации спадания (длительность заднего фронта) заметно медленней, чем релаксация нарастания (длительность переднего фронта), поэтмому в предлагаемом устрой стве благодаря наличию двух светодиодов й двух фотодиодов, а также их оринигальному подключению при передаче широтно-модулированного сигнала информацию о моменте изменения знака 20 широтно-модулированной последовательности несет только передний фронт импульсов с фотодиодов 12 и 13, При этом в момент освещения фотодиода 13, импульс тока от последнего поступает на вход импульсного 25 усилителя 9 через резистор 14. А в момент освещения фотодиода 12 токовый сигнал на входе усилителя 9 замыкается поцепи - фотодиод 12 - резистор 15. Укаэанная особенность позволяет также упростить усили тель - сигналы с выходов обоих фотодиодов усиливаются одним усилителем, ане двумя как это имеет место в известном устройстве.Одним из преимуществ является также то, что при изменении частоты модуляции от 35 1 до 20 кГц погрешность преобразования по постоянному току не превышает 0,01 в то время как у известного при изменении частоты модуляции от 3 до 6 кГц погрешность преобразования возрастает на 1. 40 Дополнительная погрешность в предлагаемом усилителе при изменении температуры окружающей среды от -30 до+70 С не превышает 0,01/10 С.Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит повысить точность передачи сигналов без усложнения схемы устройства. формул а изобретения Усилитель с оптической связью, передающая часть которого выполнена на входном широтно-импульсном модуляторе, светодиодах первого и второго оптронов, первом источнике питания, а приемная часть - на фотодиодах первого и второгооптронов, втором источнике питания и вйходном фильтре низких частот, при этом один вывод фотодиода первого оптрона подключен к входу импульсного усилителя, о т л й ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности передачи сигнала, введены на передающей части ограничитель сигнала, первый и второй формирователи коротких импульсов, а на приемной части - ограничитель сигнала и расширитель импульсов; при этом к выходу широтно-импульсного модулятора подключен ограййчйтель" сигнала, между выходом которого и соответствующимивыводами светодиодов первого и второго оптронов включены первый и второй формирователи коротких импульсов соответственно, а между выводом питания приемной части и соответствующим выводом фотодиода первого оптрона включен фото- диод второго оптрона, между выходом импульсного усилителя и входом -фильтра нижних частот включеныпоследовательно соединенные расширитель импульсов и ограничитель сигнала.1753582 к) оставитель Т.Тимченкоехред М.Моргентал Корректор Л,Фил Редактор М,Блана оиэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 Заказ 2774 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5