Оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСЙ 1 ИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 1)4 0 06 0 9/00 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт полупроводников АН УССР(56) Авторское свидетельство СССРВ 424187, кл. 0 06 О 9/00, 1972.Авторское свидетельство СССРУ 920777, кл, 006 С 9/00,кл. 0 06 С 7/26, 1979.(54) ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ(57) Изобретение относится к областианалоговой обработки информации ипозволяет упростить конструкцию и расширить функциональные возможностиустройства. Для этого входной блокпреобразования сигналов выполняется.ЯО 12924 в виде излучателя, т.е, преобразова-. теля электрического сигнала в световой поток, связанного оптически с фотодиодом 5, который включен между входами дифференциального усилителя. Блок формирования функциональной характеристики, состоящий нв двух соединенных последовательно токовых формирователей - мультиплитивной и аддитивной функций, включен между неинвертирующим входом дифференциального усилителя и общей шиной, Выход ди 4- ференциального усилителя и его инвертирующий вход соединены между собой, Устройство реализует преобразование в виде произведения входного сигнала йф на мультипликативную функцию, которое суммируется с аддитнвной составляющей функцией, Приведены несколько вариантов выполнения токовых формиро- Са вателей мультипликативной и аддитнвной функций, 4 ил.айИзобретение относится к областианалоговой обработки информации.Цель изобретения - упрощение конструкции, повышение помехоэащищенности и расширение класса реализуемыхфункций,На фиг. 1. приведена блок-схемапредлагаемого устройства; на фиг.2,3 и 4 приведены примеры техническойреализации блока формирования функциональной характеристики.Предлагаемое устройство имеетвходной блок 1 преобразования сигналов, дифференциальный усилитель 2,блок 3 формирования функциональной, характеристики, причем входной блок1 выполнен в виде фотодиодного оптрона, состоящего иэ излучателя 4 и фотодиода 5, выводы которого подключе Оны соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя 2, один из входов которого подключен к шине нулевого потенциала 6через блок 3 формирования функциональной характеристики, который выполнен в виде последовательно соединенных токового формирователя 7мультилликативной составпяющей функции и токового формирователя 8 аддитивной составляющей Функции.Устройство позволяет осуществитьфункциональное преобразование видау = а(х,с )х + Ь(с ); (1)35где х, у - входная и выходная переменные соответственно;аа(х,с 1)- мультипликативная составляющая Функции 1реализуемая токовым формиОрователем 7;Ь=Чс 1) - аддитивная сОставляющаяФункции 1 , реализуемаятоковым формирователем 8;с 1 с 1. управляемые параметры 45мультипликативной и аддитивной составляющих функций соответственно.Устройство работает следующим образом. Входной электрический сигналпоступает на клеммы 9 и 1 О входногоблока 1 преобразования сигналов иподводится к излучателю 4 - преобразователю электрического сигнала всветовой поток, Излучатель 4 создает световой поток, пропорциональныйвходному электрическому сигналу.Благодаря наличию оптической связимежду излучателем 4 и фотодиодом 5 на клеммах последнего появляется Фото-ЭДС, Возникшая разность потенциалов прикладывается между входами дифференциального усилителя 2. Этотусилитель имеет большой коэффициент усиления по напряжению. Дифференциальное входное напряжение усилителя 2 вызывает появление выходного напряжения, которое возрастает до техпор, пока полностью не скомпенсирует вызвавшее его входное напряжение. Компенсация происходит вследствие возникновения тока в цепи: выход усилителя 2 - Фотодиод 5 - формирователь 7 - формирователь 8 - общая шина 6, Ввйду большого коэффициента усиления дифференциального усилителя 2 его дифференциальное входное напряжение и равное ему напряжение между клеммами фотоднода 5 стремится к нулю, т,е. последний работает в режиме короткого замыкания. При работе Фотодиода 5 в этом режимедостигается высокая точность и линейность преобразования оптического сигнала в электрический. Ток короткого замыкания Фотодиода 5.протекает по рассмотренной выше цепи: выход усилителя 2 - общая шина 6 и подвергается функциональной обработке в блоке Формирования Функциональной характеристики 3 последовательно токовыми формирователями 7 и 8. Мультипликативная составляющая в выходной функции, согласно (1), определяется полным сопротивлением между первой и второй клеммами Формирователя 7, Аддитивная составляющая в выходной функции равна напряжению между первой и второй клеммами токовогоформирователя 8. Сопротивление переменному току между этими клеммами значительно меньше сопротивления между первой и второй клеммами токового формирователя 7, Выходным сигналом устройства является напряжение 1181 х между первым входом дифференциального усилителя 2 и общей шиной 6. где 1 - ток короткого замыкания фоктодиода 5;2(1 с ) - полное сопротивление форКЗ 1мирователя 7, являющеесяФункцией тока короткого замыкания Фотодиода 5 и управляемого параметра с 1,, 3У (с)- аддитивная составляющая,образуемая формирователем 8и являющаяся функцией управляем 0 то параметра с.Преимущественными вариантами технической реализации формирователя 7 являются следующие.Выполнение формирователя в форме одного или нескольких параллельно- последовательно соединенных фотодиодов, включенных между первой и второй клеммами формирователя 7 и связанных оптически с соответствующими светоди-одами, обеспечивает формирование ло гарифмической либо другой нелинейной управляемой мультипликативной составляющей в выходной .функции, функциональная зависимость оперативно изменяется с помощью токов возбуждения 20 светодиодов, полное сопротивление формирователя 7 представляется в видеЕ = Е(, с 1). Выполнение формирователя в форме 25 резисторной оптопары, фотоприемник которой включен между первой и второй клеммами формирователя 7, обеспечивает формирование линейной управляемой мультипликативной составляющей в вы- р 0 ходной функции, параметры функциональной зависимости оперативно изменяются с помощью тока возбуждения источника света оптопары, полное сопротивление формирователя 7 представляется в виде Выполнение Формирователя в форме одного или нескольких параллельно последовательно соединенных полупроводниковых диодов, включенных между первой и второй клеммами Формирователя 7, обеспечивает формирование составляющей в выходной Функции, пол ное сопротивление формирователя 7 представляется в видеЕ = Е(х, ) Выполнение формирователя в форме 50 В 1 С - двухполюсника, включенного между первой и второй клеммами Формирователя 7, обеспечивает формирование линейной мультипликативной составляющей в выходной функции, полное со противление формирователя 7 представляется в виде Лругой Формирователь 8 является источником напряжения, Преимущественными вариантами технической реализации этого узла являются следующие.Выполнение формирователя в форме источника напряжения с оптоэлектронным управлением преобразователь световой поток - напряжение , в Форме источника напряжения, управляемого напряжением, в форме преобразователя "сопротивление - напряжение , в форме источника постоянного напряжения.Выбор варианта технической реализации формирователей 7 и 8 блока формирования функциональной характеристики 3 определяется числом и формой предсталения сигналов управления параметрами функционального преобразованияя.П р и м е р 1, Разработанное оптоэлектронное устройство для Функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом, Входной блок 1 преобразования сигналов (Фиг,1) выполнен на основе светодиода 4 и фотодиода 5, обеспечивающих полосу пропускания блока не менее 10 Гц, Оптическая связь между све 6тодиодом 4 и Фотодиодом 5 осуществляется волоконно-оптическим жгутом длиной 1400 мм и диаметром 1 мм, В качестве дифференциального усилителя 2 используют операционный усилитель общего применения, с частотой единичного усиления не менее 10 Гц. Блок 3 формирования Функциональной характеристики (фиг.2) содержит формирователи 7 и 8, Первая клемма 11 блока 3 подключена к второму входу дифференциального усилителя 2, а вторая клемма 12 - к общей шине 6, Формирователь 7 выполнен с использованием полупроводникового диода 13, обеспечивающего динамический диапазон логарифмического преобразования не менее 60 дБ и резисторной оптопары 14 .с быстродействием не менее 0,5 10 с. Первой клеммой Формирователя 7 служит анбдный вывод диода 13, а второй клеммой - вывод Фоторезистора 15 оптопары 14. Светодиод 16 оптопары 14 подключается через клеммы 17 к источнику сигналов управления параметрами функционального преобразования, Формирователь 8 выполнен на основе диодной оптопары 8 с быстродействиями не хуже97 .61 кГц при выходном напряжении неболее 3 В 0,57., Устройство питаетсяот двухполярного источника напряжением -+12 В, Отношение сигнал/шум навыходе устройства при работе на расстоянии 1,5 м от высоковольтной линии 12 кВ 50 Гц составляет 72 дБ.П р и м е р 2. Оптоэлектронноеустройство для Функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом.Блок 1 первичного преобразованиясигналов фиг,1 и дифференциальныйусилитель 2 выполнены, как описановыше в примере 1, Блок 3 Формирования Функциональной характеристикифиг,З содержит формирователи 7 и 8Первая клемма 11 блока 3 подключенак второму входу дифференциальногоусилителя 2, а вторая клемма 22к общей шине 6, Формирователь 7 выполнен в виде резистивного двухполюсника с положительным температурным коэффициентом сопротивления иимеет термистор 24 и резисторы 25 и26. Первой клеммой Формирователя 7служат объединенные выводы термистора 24 и резистора 25, а второй клеммой - вывод резистора 26. ВторойФормирователь 8 содержит резистор 27,подстроечный резистор 28, конденсатор 29 и источник 30 питания, Первойклеммой Формирователя 8 служат объединенные выводы резисторов 27, 28 иконденсатора 29, а второй клеммой -объединенные выводы резистора 28,конденсатора .29 и источника питания 30,Устройство реализует Функциональное преобразование вида К 1 Рэ+ -+ К 1К 3163 11пРичем с,11, с 1 ,где, - токи возбуждения свето Одиодов 16 и 22, подводимые через клеммы управляющих сигналов 17 и23 соответственно,КХ 2,КЗ - постоянные, определяемые параметрами полупроводникового диода 13,оптопары 14 и 18 соответственно.Оперативное управление мультипли- ЗОкативной составляющей функциональнойзависимости осуществляется световымпотоком, попадающим на фоторезистор15 оптопары 14, Этот световой потокгенерирует светодиод 16 той же. оптопары. Ток возбуждения светодиода 16подводится через клеммы 17 от внешнего источника, Оперативное управление аддитивной составляющей функциональной зависимости осуществляется 40световым потоком, попадающим на Фотодиод 21 оптопары 18, Этот световойпоток создает светодиод 22 той жеоптопары. Ток возбуждения светодиода22 подводится через клети 23 от 45внешнего программирующего источника,5 1292410с, операционного усилителя 19общего применения и Резистора 20,Первой клеммой формирователя 8 служит общая точка соединения инверти 5рующего входа и выхода усилителя 19и анода Фотодиода 21 оптопары 18, авторой клеммой - вывод резистора 20.Светодиод 22 оптопары 18 подключаетсячерез клеммы 23 к источнику сигналов управления параметрами Функционального преобразования,Устройство реализует Функциональное преобразование сигнала вида15"вьх -.к." 1" кэ"1 сНа указанной элементной базе оптоэлектронное устройство для Функционального преобразования сигналов имеет полосу пропускания 100 кГц по уровню 0,7 для входной переменной, быстродействие канала управления мультипликативной составляющей Функциональной зависимости 10 с, быстро.действие канала управления аддитив-, ной составляющей функциональной зависимости 10 . с, Точность преобразования входного сигнала в полосек 3 + 1 РпцтлВ1 + оУо фК 2К-, +КЯР 9В"2 ю К 1 - сопротивление резисторов 25, 26, 27, 28соответственно;К - начальное сопротивление термистора 24;температурный коэффициент сопротивлениятермистора 24; О , = 11 рт - напряжение источника30,- текущая температура, 7 12924Этот вариант выполнения устройства имеет полосу пропускания 100 кГц по уровню 0,7 для входной переменной, Точность преобразования входного сиг 5 нала в полосе 1 кГц при выходном напряжении не более 3 В 0,57., Устройство питается от двухполярного источника напряжением +12 В, Оно используется для,согласования с исполнительными устройствами на цифровых к-ХОП интегральных схемах при работе в диапазоне температур от (-)1 О до (+)60 С при питании от автономных источников, 15П р и м е р 3, Оптоэлектронное устройство для .функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом.Блок 1 первичного преобразования сигналов (фиг.1) и дифференциальный усилитель 2 выполнены, как описано выше в примере 1, Блок 3 формирования функциональной характеристики (фиг.4 ) содержит формирователи 7 и 8. 25 Первая клемма 11 блока 3 подключена к второму входу диФференциального усилителя 2, а вторая клемма 12 - к общей шине 6, Формирователь 7 выполнен в виде режекторного фильтра 31. 30 Формирователь 8 имеет два магнитопровода 32, 33, подстроечный резистор 34; стабилизатор 35 тока и источник 36 питания. Первой клеммой формирователя 8 служит вывод резистора 34, а второй клеммой в .точка соединения магнитодиода 32, резистора 34 и источника питания ЗЬ. Иагнитодиоды 32 и 33 имеют противоположную ориентацию областей с высокой скоростью реком- . 4 О бинации, что обеспечивает независимость напряжения на диоде 32 от температуры.Устройство реализует функциональное преобразование вида45мх)кЗ КЬФ 11 И(В) ф 97 8устройства максимальное отношение сигнал/помеха в выходном напряжении получают с помощью подстроечного элемента 34, Рассмотренные в примерах 1-3 варианты технической реализации формирователей 7 и 8 могут быть использованы в произвольной комбинациидля получения требуемой в конкретной разработке функциональной зависимости.Разработанное техническое решение . по сравнению с прототипом имеет более простую реализацию входного блока 1 преобразования сигналов. Блок не требует вспомогательных узлов для обеспечения режимов работы, Предложенная взаимосвязь с другими блоками устройства и форма выполнения блока формирования функциональной характеристики позволяет простыми средствами осуществить быстродействующее оперативное управление параметрами функционального преобразования,Разработанное устройство, сохраняя технико-экономические преимущества прототипа, обладает рядом новых технико-экономических преимуществ: повышенной надежностью в условиях значительных вибрационных и ударных воздействий, так как устройство выполнено исключительно на твердотельных элементах; высокой помехоустойчивостью и достоверностью результатов функционального преобразования благодаря тому, ч",о ЭДС помехи, наведенные на наиболее протяженные сигнальные шины устройства, подавляются и осуществлена гальваническая развязка источника сигналов, цепей управления функциональным преобразованием и схемы, которая его реализует; более широким классом решаемых задач, поскольку в устройстве имеется возможность простой реализации оперативного управления параметрамн функционального преобразования.где Е (Р) - частотная характеристикаполного сопротивления режекторного фильтра 31,П (В) - напряжение на магнитодиоде как функция напряженности магнитного поля В,К - коэффициент передачи ре 31эистивного подстроечногоэлемента 34,Этот вариант устройства используется при работе в условиях электромагнитных помех, Для каждого образца Формула изобретения Оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов, содержащее входноЙ блок преобразования сигналов, дифференциальный усилитель, выход которого является выходом устройства, и блок формирования функционяльной характеристики, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения конструкций, повышения помехозащищенности и рас9 1292497 о ширения класса реализуемых Функций, устройства, а второй вход - через в нем входной блок преобразования блок формирования функциональной хасигналов выполнен в виде фотодиодно- рактеристики связан с шиной нулевого го оптрона, выводы излучателя которо- потенциала, причем блок формирования5 го являются входом устройства, а функциональной характеристики выполвыводы фотодиода оптрона подключены нен в виде последовательно включен- между первым и вторым входами диф- ных токового формирователя мультиференциального усилителя, первый пликативной составляющей функции и вход которого сОединен с дыкодой 10 токового формирователя адцитивной составляющей функции.И1292497 Составитель Ю. КозловТехред Л.Олийнык КорректорЭ. Лончакова Шаго акт Заказ 38 ВЕЕ 13035,лиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектоектная4 твенн з Тираж 704 ПИ Государственного о делам изобретений Москва, Ж, Рауш Подписноекомитета СССи открытийкая наб., д.