Устройство для преобразования напряжения переменного тока в код

(51) 5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ овая схеис. 25.10. СССР й нике элековышения снижения игналов и , в устрой- напряже(21) 4884447 И 4(71) Ульяновское конструкторское бюрприборостроения(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКВ КОД(57) Изобретение относится к техтрических измерений, С целью иточности преобразования за счетпогрешности масштабирования суменьшения аппаратурных затрат. ство введены преобразователь ние-ток 1 (ПНТ 1), преобразователь ток-напряжение 3 (ПТН 3), блок задания коэффициента усиления 5, демультиплексор 10,причем ПНТ 1 включен на входе устройства,вход ПТН 3 соединен с выходом коммутатора 2, а выход - с входом выпрямителя 4 ипервым входом блока 5, второй вход последнего соединен с выходом выпрямителя 4одноименные входы всех сумматоров 11 соединены между собой, входы сумматоров 11являются информационными входами блока5, а выходы подключены к входам коммутатора 12, вь 1 ход которого является выходомблока 5 и соединен с входом интегратора 6;управляющие входы коммутатора 12 являются входами блока 5 и подключены к выхо- Ядам демультиплексора 10, вход которогосоединен с выходом блока управления 8, аадресный вход - с выходом регистра 9, 1 з.п.ф-лы, 3 ил.5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 Изобретение относится к технике электрических измерений и может найти применение о системах сбора данных для преобразования напряжения переменного тока в цифровой код.Повышение точности выполнения аналого-цифровых операций является важнейшим условием. повышения качества систем сбора данных, Качество мобильных (бортовых) систем сбора данных определяется также их габаритно-весовым и энергетическими характеристиками. В связи с этим разработка устройства для преобразования напряжения переменного тока в код должна быть нацелена на достижение оптимального сочетания высокой точности и малых аппаратурных затрат на его реализацию.Известно устройство, предназначенное для определения среднего значения переменного напряжения для последующего представления в цифровой форме, содержащее операционный усилитель ОУ, доа резистора, доа диода, активный сумматор, причем иноертирующий вход ОУ через первый резистор соединен с входом устройства, а неинвертирующий вхо) подключен к общей шине; первый и второй диоды подключены одноименными первыми электродами к выходу и инвертирующему входу ОУ соответственно, а одноименными вторыми электродами подключены к инвертирующему входу ОУ через второй резистор и к выходу ОУ соответственно; первый вход активного сумматора подключен к входу устройства, второй вход - к второму электроду первого диода, а выход соединен с выходом устройства. Для указанной выше полярности включения диодов при входном напряжении Овх0 выходное напряжение ОУ 01О, выходное напряжение первого диода ОгО, а второй диод закрыт. При этом на первый вход активного сумматора поступает положительная полуволна входного напрякения, а на второй вход - инвертированная положительная полуоолна. Так как коэффициент передачи по второму входу сумматора в 2 раза больше коэффициента передачи по первому входу, а коэффициенты передачи по обоим оходам сумматора отрицательны, то на выходе устройства ОвыхО. При входном напряжении Овх О открывается второй диод и выходное напряжение ОУ 0О. Так как первый диод закрыт, второй вход активного сумматора через второй резистор подключен к инвертирующелу входу ОУ. На первый вход активного сумматора поступает отрицательная полуоолна входного напряжения и на выходе устройства живыхО. Это устройство имеет недостаточную точность преобразования при понижении уровня входного напряжения переменного тока, обусловленную относительным увеличением шумов квантования аналого-цифрового преобразования,Известно устройство, предназначенное для преобразования напряжения переменного тока в код, содержащее блок коммутации, состоящий из коммутатора, усилителя, регистра, транслятора кода, однополупериодный оыпрямитель, состоящий из ОУ, двух резисторов и двух диодов, суммирующий интегратор, состоящий из резистивного сумматора, трех ключей. ОУ, конденсатора, блок импульсной стабилизации, АЦП, блок управления, Входы коммутатора являются входами устройства и служат для подключения к датчикам сигналов переменного тока, выход коммутатора подключен к входу усилителя, а управляющий вход коммутатора и усилителя подключены к соответствующим выходам регистра, причем вход коммутатора подключен через транслятор кода, Информационные входы регистра являются входами устройства и служат для подключения к стандартной информационной шине, Выход усилителя подключен к входу однополупериодного выпрямителя и входу суммирующего интегратора, а выход выпрямителя соединен с оторым входом суммирующего интегратора. Блок импульсной стабилизации подключен к однополупериодному выпрямителю и предназначен для линеаризации передаточной характеристики оыпрямителя, привязки начального уровня преобразования к постоянной составляющей выходной сигнала усилителя и выравнивания коэффициентов передачи суммирующего интегратора для положительной и отрицательной полуоолны входного сигнала. Выход суммирующего интегратора подключен к входу АЦП, выход которого является выходом устройства,Вход блока управления является входом устройства и служит для приема сигнала синхронизации, Выходы блока управления соединены с входом блока коммутации, с управляющими входами блока импульсной стабилизации, с управляющими входами ключей суммирующего интегратора, с входом запуска АЦП. Аналоговые сигналы поступают на входы коммутатора, который в соответствии с кодам адреса и номера канала, записанным в регистре, подключает выход соответствующего датчика к входу усилителя, Коэффициент усиления последнего устанавливается о соответствии с кодом коэффициентомусиления, записанным в регистр, После масштабирования сигналы510 15 20 25 30 ющему входу АЦП АЧХ ОУ и интегратора 40 45 50 55 поступают на вход выпрямителя и вход суммирующего интегратора, Цикл преобразования начинается с установки интегратора в исходное состояние, т,е. с разряда конденсатора интегратора до "нуля", Для этого блок управления вырабатывает строб сброса, который поступает на вход управления первого ключа интегратора. Одновременно с этим иэ блока управления на управляющйй вход транслятора кода поступает строб установки "нуля". При этом на выходе транслятора кода устанавливается код, соответствующий номеру первого канала. подключенного к общей шине устройства, По переднему фронту этого способа в регистр осуществляется запись кода управления. Во время действия строба установки "нуля" транслятор кода заперт, код адреса и номера канала, записанный в регистр, на управляющий вход коммутатора не поступает. Через заданный промежуток времени блок управления вырабатывает сигнал выборки, который поступает на управляющий вход блока импульсной стабилизации, и переводит последний в режим запоминания уровня начальной составляющей усилителя и выпрямителя. По окончании сигнала выборки блок импульсной стабилизации переходит в режим стабилизации, Одновременно с этим заканчивается строб установки "нуля" и на управляющий вход коммутатора через транслятор кода поступает код адреса и номера канала, хранящийся в регистре. С выхода усилителя сигнал поступает на входы выпрямителя и интегратора. Последний по сигналу с блока управления производит интегрирование этого сигнала в течение времени равного или кратного периоду повторения сигнала переменного тока. Синхронизация работы интегратора частотой входного сигнала осуществляется с помощью блока управления, С помощью АЦП накопленный сигнал преобразуется в цифровой код в течение времени хранения интегратора,Описанное устройство имеет недостаточную точность преобразования напряжения переменного тока иэ-эа погрешности масштабирования, обусловленной относительно низким коэффициентом усиления. в петле отрицательной обратной связи ОУ буферного усилителя на переменном токе, избыточные аппаратурные затраты,Цель изобретения - повышение точности преобразования за счет снижения погрешности масштабирования сигналов и уменьшение ап паратурн ых затрат.Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемое устройство введен преобразователь напряжение-ток (ПНТ), блок задания коэффициента усиления, демультиплексор. преобразователь ток-напряжение (ПТН), причем сигнальные входы коммутатора через резисторы ПТН соединены с сигнальными входами устройства, Выход коммутатора подключен к входу введенного ПТН, выход которого соединен с входом выпрямителя и с первым информационным входом блока задания коэффициента усиления. Выход выпрямителя подключен к второму информационному входу блока задания коэффициента усиления, выход которого соединен с информационным входом интегратора, выход которого подключен к входу АЦП, выход которого является выходом устройства. Управляющие входы введенного блока задания коэффициента усиления подключены к выходам введенного демультиплексора, адресный вход которого соединен с дополнительным выходом регистра, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора. Вход регистра является входом устройства, вход блока управления является входом синхронизации устройства. Первый выход блока управления подключен к входу демультиплексора, второй выход к входу записи регистра, третий выход -к управляющему входу интегратора, четвертый выход - к управляНа фиг.1 представлена структурная схема устройства для преобразования напряжения переменного тока в код; на фиг.2 - временные диаграммы работы; на фиг.3 -Как показано на фиг.1, сигнальные входы преобразователя напряжение-ток 1(ПНТ 1) являются входами устройства и служат для подключения к датчикам сигналов "пз" резисторов ПНТ 1 выполняют функцию преобразования входного напряжения в ток, масштабирования и защиты входов коммутатора 2 по току. Коммутатор 2 выполнен по известной схеме токовой коммутации и предназначен для осуществления опроса датчиков, подключенных к сигнальным входам устройства. Преобразователь ток-напряжение 3 (ПТН 3) выполнен на ОУ с весовым резистором в цепи отрицательной обратной связи (на фиг,1 не показаны), и предназначен для осуществления преобразования тока с выхода коммутатора 2 в напряжение с заданным коэффициентом передачи. Выпрямитель 4 состоит из двух резисторов, двух диодов, ОУ на фиг.1 не показаны) и предназначен для выделения положительных полупериодов входного напряжения. Блок задания коэффициента усиления 5 состоит из "п" сумматоров 11, коммутатора 12 и предназначен для масш 1795543табирования сигналов с выхода ПТН 3 и выпрямителя 4, Сумматоры 11 представляют собой цепь весовых резисторов, задающих ряд значений коэффициентов усиления интегратора 6, Коммутатор 12 обеспечивает выбор необходимого коэффициента усиления последнего. Интегратор 6 выполнен на ОУ, с конденсатором и ключом в цепи отрицательной обратной связи (на фиг,1 не показаны). ОУ является активным элементом интегратора 6 и обеспечивает заряд конденсатора в режиме накопления сигналов, а ключ - разряд последнего в режиме сброса.АЦП 7 предназначен для преобразования накопленного интегратором 6 сигнала в цифровой код. Блок управления 8 служит для формирования сигналов управления согласно диаграммы работы устройства. Он вырабатывает сигналы управления для ин. тегратора 6, АЦП 7, регистра 9, демультиплексора 10. Блок 8 состоит из кварцевого генератора с делителем частоты, формирователь стробов накопления и сброса, Формирователя импульсов записи, формирователя импульса запуска АЦП 7.Выходы указанных формирователей являются выходами блока 8, а вход"1 с" предназначен для приема синхросигнала от сети питания, от которой запитаны датчики сигналов, или непосредственно от датчика сигнала, Регистр 9 предназначен для хранения кодов управления, Коды управления поступают из внешнего устройства, Роль внешнего устройства заключается в обеспечении автоматического переключения каналов коммутатора 2 и установки коэффициента усиления интегратора 6 с помощью блока 5, Если в системе сбора данных используется принцип последовательного опроса каналов, то в качестве внешнего устройства можно использовать счетчик; Выход последнего подключается к входу регистра 9, а вход - к выходу блока 8. Если в системе сбора данных используется принцип программного опроса, то в качестве внешнего устройства может быть использовано запоминающее устройство. Выход последнего подключается к входу регистра 9, а вход к нише процессора. Код управления состоит из двух частей. Первая часть представляет собой код адреса и номера канала коммутатора 2, вторая - код коэффициента усиления интегратора 6, Демультиплексор 10 предназначен для управления коммутатором 12 блока 5. Предлагаемое устройство для преобразования напряжения переменного тока в код может быть реализовано на микросхемах 590, 140, 564, 572 серий,, Устройство работает следующим образом,5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 Аналоговые сигналы через ПХТ 1 поступают на входы коммутатора 2. Последний, в соответствии с кодом адреса и номера канала, записанным в регистр 9, подключает выход соответствующего датчика через резистор ПНТ 1 к входу ПТН 3, коэффициент передачи которого выбирается таким, чтобы обеспечить совместно с блоком 5 и интегратором 6 необходимые диапазоны измерения аналоговых сигналов. С выхода ПТН 3 сигналы поступают на вход выпрямителя 4 и на вхо блока 5. С помощью последнего коэффициент усиления интегратора 6 устанавливается,в соответствии с кодом коэффициента усиления; записанным в регистр 9. После масштабирования сигналы поступают на вход АЦП 7. Цикл преобразования устройства начинается с установки интегратора 6 в исходное состояние, т.е. с разряда конденсатора интегратора 6 до "нуля". Для этого блок управления 8 вырабатывает строб сброса (фиг.2, диаграмма 3), который поступает на вход управления ключа интегратора 6, Одновременно с этим из блока 8 на вход записи регистра 9 поступает импульс записи, по которому осуществляется запись кода управления (фиг.2, диаграмма 4), Код адреса и номера канала, записанный в регистр 9, поступает на управляющие входы коммутатора 2, Под воздействием указанного кода последний подключает соответствующий выход ПНТ 1 к входу ПТН 3. На выходе ПТН 3 устанавливается напряжение, пропорциональное входному сигналу, поступающему на вход включенного канала коммутатора 2, Это напряжение переменного тока поступает на вход выпрямителя 4 и первый вход блока 5. Если на первый вход блока 5 поступает положительная полуволна входного напряжения, то на второй вход будет поступать инвертированная положительная полуволна, Так как коэффициент передачи по второму входу блока 5 в раза больше коэФфициента передачи по первому входу, а коэффициент передачи интегратора 6 отрицательный, то на его выходе ОоО, При отрицательной полуволне входного напряжения на выходе выпрямителя 4 04 = О, На первый вход блока 5 поступает отрицательная полуволна входного напряжения и на выходе интегратора 6 Ов 0.Код коэффициента усиления, записанный в регистр 9, поступает на адресный вход демультиплексора 10. Под воздействием указанного кода последний подключает выход блока 8 к соответствующим управляющим входам коммутатора 12. При этом строб накопления (фиг.2, диаграмма 2), вырабатываемый блоком 8, с выходов демультиплек(3) 15 сора 10 поступает на управляющие входы коммутатора 12. Коммутатор 12, подключая соответствующие входы сумматоров 11 к инвертирующему входу ОУ интегратора б, изменяет коэффициент усиления интегратора б в заданных пределах таким образом, чтобы обеспечить согласование по уровню между входными сигналами, поступающими с различных типов датчиков, и динамическим диапазоном АЦП 7. При поступлении строба накопления на управляющие входы коммутатора 12 интегратор 6 осуществляет накопление сигнала за время, равное или кратное целому числу периодов напряжения сети питания (фиг.2, диаграмма 1), В течение этого времени происходит зарядконденсатора интегратора 6 до определенной величины напряжения. После окончания строба накопления эта величина хранится интегратором 6 в течение времени преобразования АЦП 7 до конца цикла преобразования, т,е, до начала следующего строба сброса (фиг.2, диаграмма 5). АЦП 7 преобразует накопленный сигнал в цифровой код по сигналу запуска, поступающего с выхода блока 8. (Фиг.2, диаграмма 6), Очевидно, что наличие "и" сумматоров 11 позво.- ляет получить в устройстве от "и" до "2 - 1" коэффициентов усиления в зависимости от структуры демул ьтиплексора 10. Например, демультиплексор 10 с полной дешифрацией кода номера канала позволяет получить в данном устройстве "и" коэффициентов усиления интегратора 6, Возможен также вариант использования дешифратора 10 с неполной дешифрацией кода номера канала. В последнем случае количество возможных коэффициентов усиления интеграторов 6 будет равно промежуточному значению в пределах от "и" до "2 - 1". Как показано на фиг.,З, коэффициент усиления ОУ можно представить в виде где 1 - частота входного сигнала;ту - эквивалентная постоянная времени усилителя;К 0 - коэффициент усиления ОУ при 1 = О. Коэффициент усиления интегратора б с учетом Б 11гк Формула изобретения 1. Устройство для преобразования напряжения переменного тока в код, содержащее коммутатор. выпрямитель, последовательно соединенные интегратор и аналого-цифровой преобразователь, выход которого является выходной шиной устройТ, КоХ 811 С Ко +1 (2), где С - емкость конденсатора интегратора 6;Т - время накопления сигнала;Я 11 - сопротивление резистора сумматора 11;г, - сопротивление открытого канала коммутатора 12.Погрешность интегратора 6, обусловленная конечной величиной коэффициента усиления ОУ Аналогичная погрешность для усилителя переменного токадд -(4),К Р+1где К - коэффициент усиления ОУ на 1 с см.фиг,З);Р - коэффициент обратной связи.Используя ОУ 14 ОУД 17 А с К 0 = 200000 имеем25д = -0.0008% при К =-3.Для 1 с = 400 Гц, К = 1000 Ка = +3 имеем дд = -0,3, (где К - коэффициент усиления буферного усилителя в прототипе), С учетом других составляющих погрешности, суммарная погрешность предлагаемого устройства равна +0,3 0. Погрешность преобразования прототипа при использовании аналогичных ОУ будет равна +0,44;.Таким образом, положительный эффект заключается в повышении точности преобразования в 1,5 раза по сравнению с прототипом.Как видно из приведенных выше описания и графических материалов, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет более высокую точность преобразования напряжения переменного тока в код за счет того. что масштабирующий интегратор имеет большее петлавое усиление по сравнению с буферным усилителем в прототипе. а реализация функции масштабирования в интеграторе снижает аппаратурные затраты, так как позволяет исключить ОУ буферного усилителя. Дополнительным преимуществом устройства является более широкий частотный диапазон. ства, а тактирующий вход соединен с управляющим входом интегратора, регистр, информационные входы которого являются шиной задания кода управления, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности преобразования за счет снижения погрешности масштабирования сигналов иуменьшения аппаратурных затрат, в устройство введены преобразователь напряжения-ток, преобразователь ток-напряжение, демультиплексор и блок задания коэффициента усиления, выход которого соединен с информационным входом интегратора, первый вход соединен с выходом выпрямителя, а второй вход обьединен с входом выпрямителя и подключен к выходу преобразователя ток-напряжение, вход которого соединен с выходом коммутатора, управляющие входы которого соединены с соответствующими выходами первой группы выходов регистра, а информационные входы - с соответствующими выходами преобразователя напряжение-ток, входы которого являются входной шиной, причем адресные входы демультиплексора соединены с соответствующими выходами второй группы выходов регистра,сигнальный вход - с третьим выходом блока управления, а выходы - с соответствующими управляющими входами блока задания коэффициента усиления, четвертый выход блока управления соединен с входом синхронизации регистра, а вход является шиной синхронизации устройства. 2.Устройство поп,1,отличаю щееса тем, что блок задания коэффициента усиленив выполнен на и-сумматорах и коммутаторе, выход которого является выходом блока, уъ равляющие входы являются управляющими входами блока, а информационные входь соединены с выходами соответствующим сумматоров, первые и вторые входы которых соответственно объединены и являютсв первым и вторым входами блока соответственно.1795543Составитель В.Ковалев Редактор В.Трубченко Техред М,Моргентал Корректор И,Муск Заказ 435 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1