Функциональный преобразователь

СРЕ СОбС 7/ ЕН ТВУ СУДАРСТВЕКНЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТ(56) Авторское свидетельство СССР В 1111181, кл. С 06 С 7/26, 1982.Авторское свидетельство СССР Кф 1322326, кл. С 06 С 7/26, 1985. (54) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение может быть использовано в широкодиапазонных автоматических устройствах для преобразования и измерения тока. Цель изобретения - повьппение точности - достигается за счет исключения влияния напряжений дрейфа на пороги срабатывания аппроксимирующих ячеек (АЯ). Для этого в функциональный преобразова 8013631 тель (ФП) введены формирователь компенсирующего напряжения, выходомвключенный между входом ФП и неинвертирующим входом дифференциальногооперационного усилителя, входом подключенный к выходу преобразователякод-аналог, группа из и преобразователей 18 код-аналог (ПКА), формирователь импульсов и триггер,. служащиедля управления работой всех ПКА иключа. Вход компаратора напряженияподключен к выходу инвертора, являющемуся выходом ФП, ПКА выполнены сфункцией запоминания входной информации. В каждую из и АЯ введены компаратор напряжения и коммутирующийэлемент на ключах, что позволяет использовать их как в режиме коррекциипорога срабатывания АЯ, так и при работе, 4 ил, 1363185Изобретение относится к аналоговой технике и может быть использовано при создании широкодиапазонныхавтоматических устройств для преоб 5разования и измерения постоянноготока.Целью изобретения является повышение точности.На фиг, 1 приведена структурная 10схема функционального преобразователя; на Фиг, 2 - принципиальная схемааппроксимирующей ячейки; на фиг. 3 -эпюры напряжений, поясняющие работупреобразователя; на фиг. 4 - вариант 1 гвыполнения формирователя компенсирующего напряжения,Предлагаемый функциональный преоб разователь содержит (фиг, 1) дифференциальный операционный усилитель 1, 20инвертор 2, и аппроксимирующих ячеек 3.1 - З.и, и+1 входных масштабныхрезисторов 4.1 - 4,(и+1), ключ 5,блок 6 индикации, компаратор 7 напряжения, генератор 8 импульсов, с 1 ет-чик 9, триггер 1 О, формирователь 11импульсов, преобразователь 12 код -аналог, формирователь 13 компенсирующего напряжения, содержащий вход 14,выход 15 и управляющий вход 16, группу 17 из и преобразователей 18.118.и код " аналог.Каждая из и аппроксимирующих ячеек 3,1 - З,и содержит (фиг, 2),первый, второй и третий входы 19 -21, инвертирующий операционный усилитель 22, первый, второй, третийи четвертый масштабные резисторы23 " 26, компаратор 27 напряжениякоммутирующий элемент 28, содержащий двунаправленный и однонаправленный ключи 29 и 30, повторитель 31,первый и второй выходы 32 и 33 аппроксимирующей ячейки,формирователь 13 компенсирующего 45напряжения по фиг. 4 может быть выполнен на двух оптопарах 34, 35 ирезисторе Зб, Основным требованиемк формирователю 13 является то, чтоон должен быть изолированным по выходу от шины нулевого потенциала.Все преобразователи код - аналог выполнены с функцией запоминания входной информации.Рассмотрим работу отдельно взятой аппроксимирующей ячейки.На первый вход 19 аппроксимирующейячейки (Фиг, 2) подается напряжениес выхода дифференциального операционного усилителя 1 пропорциональное току исследуемого сигнала. На второй ее вход 20 подается опорное напряже- ние, полярность которого выбирается противоположной полярности выходного напряжения усилителя 1.До тех пор, пока ток через первый масштабный резистор 23 по величине будет меньше тока через второй масштабный резистор 24, полярность выходного напряжения операционного усилителя 22 будет определяться полярностью опорного напряжения Бо, Компара-. тор 27 напряжения в данном случае отключает первый выход 32 аппроксимирующей ячейки от выхода усилителя 22 воздействуя на коммутирующий элемент 28. Аппроксимирующая ячейка в данном состоянии считается выключенной. Обратная связь операционного усилителя 22 при этом осуществляется через верхний по схеме выход двунаправленного ключа 29, повторитель 31 и третий масштабный резистор 25, Выключенное состояние аппроксимирующей ячейки определяется по состояниЮ компаратора 27 напряжения, которое передается в виде определенного уровня напряжения на второй выход 33 аппроксимирующей ячейки.В течение времени, когда ток через масштабный резистор 23 больше по величине тока через масштабный . резистор 24, полярность выходного напряжения операционного усилителя определяется полярностью напряжения на выходе дифференциального операционного усилителя 1. Компаратор 27 напряжения изменяет свое состояние и, воздействуя на ключи 29 и 30, подключает выход 32 аппроксимирующей ячейки к выходу усилителя 22 через ключ 29 и к входу повторителя 31 через ключ 30. Аппроксимирующая ячейка при этом находится во включенном состоянии. Обратная связь усилителя 22 осуществляется через нижний по схеме выход двунаправленного ключа 29, ключ 30, повторитель 31 и масштабный резистор 25. Включенное состояние аппроксимирующей ячейки определяется противоположным по сравнению с предыдущим состоянием компаратора 27 напряжения.Так как входной ток повторителя 31 практически можно считать равным нулю, то падением напряжения на ключах 29 и 30 за счет входногоДальнейшая работа аппроксимирующей ячейки будет рассмотрена в совокупности с другими узлами преобразова" теля.Принцип работы функционального преобразователя в целом.Режим работы преобразователя определяется состоянием Формирователя 11 импульсов. На время паузы между импульсами формирователя 11 функциональный преобразователь устанавливается в режим Коррекция".С момента наступления начала паузы после очередного импульса ;формирователя 11 импульсов запускается генератор 8 импульсов, Счетчик 9 начинает подсчет импульсов, поступающих на его .счетный вход с выхода генератора 8, После первого заполнения емкости счетчика он автоматически устанавливается в нулевое состояние, а на его выходе возникает импульс переполнения, включающий триггер 10, Счетчик 9 продолжает считатьпоступающие на его вход импульсы свыхода генератора 8 до момента возникновения второго импульса переполнения, возвращающего триггер 10 висходное состояние, Задним фронтомимпульса с выхода триггера 10 запуска-ется формирователь 11 импульсов,который начинает Формирование импульса с требуемой длительностью,На все время Формирования импульсана выходе формирователя 11 импульсов генератор 8 импульсов находитсяв выключенном состоянии, а сам функциональный преобразователь в режимеИзмерение, По окончании импульсаформирователя 11 импульсов генератор 8 импульсов снова запускается, инаступает новый цикл работы Функци-,4онального преобразователя в режимеКоррекция",В режиме пКоррекция" ток исследуемого сигнала на вход функционального преобразователя не поступает.Ключ 5 открыт на все время, в течение которого триггер 10 находитсяв исходном (выключенном) состоянии.Поэтому с момента наступления паузымежду импульсами Формирователя 11 допервого импульса с выхода переполнения счетчика 9 на вторые входы аппроксимирующих ячеек 3.1-3,п черезключ 5 поступает опорное напряжениеБ, которое устанавливает их в выклюЬ 10 15 20 25 ченное состояние, Напряжение с выхода дифференциального операционногоусилителя 1, определяемое напряжениями дрейфа усилителя 1 и инвертора 2и поступающее на первые входы аппроксимирующих ячеек 3,1-3,п, обычнаменьше их порогов срабатывания и поэтому на состояния аппроксимируюшихячеек влияния не окажет., В случае,если пороги срабатывания отдельныхаппроксимирующих ячеек соизмеримы сначальной величиной напряжения навыходе усилителя 1, возникающемвследствие влияния указанных напряжений дрейфа, что может привести ких включению, то на такие аппроксимирующие ячейки на дополнительные управляющие входы их коммутирующихэлементов 28 следует подать сигнал свыхода Формирователяимпульсов,блокирующий влияние компараторов 27напряжения на коммутирующие элементы 28, Для остальных аппроксимирующихячеек, пороги срабатывания которыхзаведомо выше начального напряженияна выходе усилителя 1, подача сигналаблокировки не обязательна,Задним Фронтом импульса формирователя 11 импульсов (в начале режима "Коррекция" ) преобразователь 12 коданалог устанавливается в состояние, при котором разрешается прохождение текущего значения кода с информационных выходов счетчика 9 на внутренние элементы памяти преобразователя 12 код - аналог. При этом вход запрета по внутренним цепям преобразователя 12 код - аналог импульсом разрешения блокируется,Преобразователь 12 код - аналог следует выполнить так, чтобы при изменении кода на его информационных входах от нуля до максимального значения на его выходе напряжение изменялось бы в диапазоне + Б, достаточном для компенсации напряжениядрейфа обоих полярностей, При этомнулевому коду на входе преобразователя 12 код - аналог должно соответствовать его выходное напряжение сполярностью,. при которой компаратор7 напряжения устанавливается в выключенное состояние, снимающее.запрет на поступление информации с выходов счетчика 9 на внутренние элементы памяти преобразователя 12код - аналог, Поэтому по окончанииимпульса разрешения с выхода форми= БВых 1 М 7 Кг где У ги1 КР. 2 55 рователя 11 импульсов запрета напрохождение информации не будет. Выходное напряжение преобразователя12 код - аналог поступает на входусилителя 1 и далее на выход инвертора 2 и вход компаратора 7 напряжения через формирователь 13 компенсирующего напряжения.Как уже указывалось, в процессеизменения кода счетчика 9 на выходепреобразователя 2 код - аналог напряжение изменяется в диапазоне+У. В зависимости от знака данногонапряжения (для случая выполненияформирователя 13 компенсирующего напряжения на фиг. 4) ток будет протекать либо через светодиод оптопары 34, либо через светодиод оптопары35 формирователя 13 компенсирующегонапряжения. От величины протекающего через светодиод тока будет зависеть величина его светового потокаи, следовательно, величина фото-ЭДСфотодиодов оптопар 34 и 35, которыеработают в генераторном режиме,Когда компенсирующее напряжениена выходе формирователя 13 станетравным по величине и противоположнымпо знаку напряжению дрейфа усилителя 1, напряжение на выходе инвертора 2 станет равным нулю, компаратор7 напряжения изменит свое состояниеи подаст команду запрета на преобразователь 12 код - аналог, который сэтого момента на все оставшееся время режима Коррекция" и все времярежима Измерение" не изменит своего состояния и будет хранить код,пропорциональный полученному напряжению компенсации,Напряжение на выходе усилителяв данном случае не будет равно нулю, а будет зависеть от напряжениядрейфа инвертора 2, а именно Кг - напряжение дрейфа и модуль коэффициента усиления инвертора 2 соответственноС прихоцом первого импульса переполнения счетчика 9 триггер 10 включается и выключает ключ 5. Поступление опорного напряжения на вторые входы аппроксимирующих ячеек 3.1-3,п прекращается. Одновременно с этимпередний фронт импульса с выхода триггера 10 устанавливает преобразователи 18,1-8.п код - аналог группы 17 в состояние, при котором разрешается прохождение информации с выходов счетчика 9.на внутренние элементы памяти данных преобразователейкод - аналог, которые выполнены аналогично преобразователю 12 код -аналог. Нулевому коду на информационных входах преобразователей 18,1-18,п код - аналог должны соответствовать их выходные напряжения с полярностью, прикоторой компараторы 27 напряженияаппроксимирующих ячеек 3,1-3,п находятся в выключенном состоянии. При этом снимается запрет на поступление информации на внутренние элемен, ты памяти преобразователей 18.1-18.п20 код - аналог. Текущее значение кода с информационных выходов счетчика 9 будет поступать на информационные входы внутренних элементов памяти отдельно взятых преобразователей 18,1-18.пкод - аналог до тех пор, пока не наступит, нулевое значение напряженияна выходе операционного усилителя22 соответствующей аппроксимирующейячейки, что будет соответствоватьполной компенсации напряжений, смещающих ее порог срабатывания. Компенсирующее напряжение поступает натретий вход 21 каждой аппроксимирующей ячейки. Компаратор 27 напряженияаппроксимирующей ячейки, в которойнаступило состояние полной компенсации, включится и запретит прохождениеинформации с выходов счетчика 9 насоответствующий преобразователь код -аналог группы 17, Так как значениекомпенсирующего напряжения для каждой аппроксимирующей ячейки индивидуально, то моменты времени, когдапреобразователи 18,1-18,п код - аналог переходят в режим хранения информации, будут различны для. каждогоиз них,На смещение порога срабатыванияотдельно взятой аппроксимирующейячейки оказывают влияние напряжениеУ ы, и напряжения дрейфа операционного усилителя 22 и повторителя 31,Компенсирующее напряжение на третьем 25 30 35 40 45 50 входе отдельно взятой аппроксимирующей ячейки в момент полной компенсации определяе:ся из выражения26 76 . КгьЦ -П + 11 +КОМ р 77Вью 12 1 РзЭКЬ 73 7 Ггдегь напряжение дрейфа операционного усилителя 22;1 1+ сумма проводимостей регьзисторов 23 - 26.Из рассмотренного процесса компенсации напряжений, смещающих порогсрабатывания отдельно взятой аппроксимирующей ячейки, видно, что до момента наступления полной компенсации компараторы 27 напряжения находятся в выключенном состоянии, прикотором нижняя ветвь ключа 29 и ключ30 разомкнуты, Следовательно, связеймежду аппроксимирующими ячейками3.1-3,п через разомкнутые их вторыевыходы 33 и входные масштабные резисторы 4.1-4.п не будет, В моментнаступления полной компенсации напряжение на выходе операционногоусилителя 22 равно нулю, а состояниекомпаратора 27 напряжения не оказывает влияния на процесс компенсациидругих аппроксимирующих ячеек, таккак ток через включенный входноймасштабный резистор протекать не будет ввиду равенства нулю напряженийна обоих его выводах,После коррекции всех аппроксимирующих ячеек счетчик 9 будет продолжать подсчет импульсов до возникновения второго импульса переполнения, который вернет триггер 10 в исходное состояние, Ключ 5 откроется и подаст опорное напряжение Б на вторые входы аппроксимирующих ячеек 3.1-3.п. Начнется режим "Измерение", при котором на вход преобразователя поступит ток исследуемого сигнала.Так как напряжение Б , (1) бу- . дет скомпенсировано на этапе режима Коррекция, то в режиме Измерение" влиянием его можно пренебречь, как и влиянием напряжений дрейфа операционных усилителей 22 и повторителей 31 аппроксимирующих ячеек 3.1-3.п.В зависимости от величины входного тока преобразователь будет работать на том или ином участке аппроксимации. При работе на щ-м участке аппроксимации будут включены аппроксимирующие ячейки 3.1-3(щ), и напряжение на выходе инвертора 2 определится из выражения(2.) 5 где Б напряжение порогасрабатывания аппроксимирующей ячейки3.(щ) после коррек.ции его напряжения 10 смещениявеличина входиого товх ка, иахоцящегося впределах щ-го участка аппроксимацииг вх(х.1-вхвхъи г. - входные токи в точкахизменения крутизны вконце (щ)-го ищ-го участков аппрок 15 20 симации;К - коэффициент пропорциональности для щ - го участка аппраксимации,Коэффициент пропорциональности ввыражении (2) определяется из выраже- ния 30 Г -+1: Кг 411 где К =- коэффициент передачиКыК,аппроксимирующей ячейки 3.1. по ее первому35входу.19К - номинал резистора41 и+)4,(п+1);К . - номинал резистора 4,г1,40 Информация о включенном, участкеаппроксимации с вторых выходов аппроксимирующих ячеек 3.1-3,п поступает на входы блока 6 индикации,Из описания работы преобразовате 45 ля видно, что в процессе пеРвой коррекции устраняется влияние напряжений дрейфа дифференциального операционного усилителя 1 на смещениеучастков аппроксимации. В процессе50 дальнейших коррекций устраняетсявлияние напряжений дрейфа инвертора2 и операционного усилителя 22 совместно с повторителем 31 каждой входящей в преобразователь аппроксимирующей ячейки как на смещение каждогоучастка аппроксимации, так и на пороги срабатывания аппроксим 1 Рующих ячеек, так как одновременно с компенсацией напряжения смещения порога сра35 40 45 50 55 9 13 батывания на первом выходе 32 аппроксимирующей ячейки устанавливается нулевое напряжение.Предложенный функциональный преобразователь позволяет повысить точность преобразования входного тока за счет исключения влияния напряжений дрейфа операционных усилителей на пороги срабатывания аппроксимирующих ячеек и не вносит погрешность за счет смещения участков аппроксимации. Формула изобретенияФункциональный преобразователь, содержащий дифференциальный операционный усилитель, выход которого подключен к входу инвертора, источник опорного напряжения, подключенный к информационному входу ключа, п аппроксимирующих ячеек, каждая из которых содержит инвертирующий операционный усилителЬ, вход которого соеди нен с первыми выводами первого, второго и третьего масштабных резисторов, вторые выводы первого и второго масштабных резисторов являются первым и вторым входами аппроксимирующей ячейки, и повторитель, подключенный выходом к второму выводу третьего масштабного резистора, первые входы п аппроксимирующих ячеек объединены и подключены к выходу дифференциального операционного усилителя первый выход каждой .-й (.=1,2,и) аппроксимирующей ячейки через .-й входной масштабный резистор и выход инвертора через (и+1)-й входной масштабный резистор подключены к входу преобразователя, второй выход каждой .-й аппроксимирующей ячейки соединен с соответствующим .-м входом блока индикации, компаратор напряжения, первый вход которого подключен к шине нулевого потенциала, генератор импульсов, соединенный выходом со счетным входом счетчика, преобразователь код - аналог, информационные входы которого подключены к соответствующим информационным выходам счетчика, формирователь импульсов, соединенный выходом с входом блокировки генератора импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены группа из и преобразователей код - аналог, триггер и фор. 63185 1 О мирователь компенсирующего напряже"ния, вход триггера подключен к вы"ходу переполнения счетчика, выходтриггера соединен с входом формирователя импульсов, второй вход компаратора напряжения подключен к выходу инвертора, являющемуся выходомпреобразователя, входы разрешенияи запрета преобразователя код - ана"лог подключены соответственно к выходу формирователя импульсов и выходукомпаратора напряжения, выход преобразователя код - аналог подключен к управляющему входу формирователя компенсирующего напряжения,вход и выход которого соединены синформационным входом преобразователяи неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен.к шине нулевого потенциала, вторыевходы и аппроксимирующих ячеек объединены и подключены к выходу ключа,вход управления которого подключен квыходу триггера, информационные входы п преобразователей код - аналоггруппы подключены к соответствующиминформационным выходам счетчика, вхо"ды разрешения и преобразователейкод - аналог группы объединены и подклю 5 10 1 г 20 25 30.-го преобразователя код - аналог группы подключен к второму выходу .-й аппроксимирующей ячейки, в каждую изи аппроксимирующих ячеек дополнительно введены компаратор напряжения ичетвертый масштабный резистор, первыйвывод которого подключен к входу инвертирующего операционного усилителя, а второй вывод является третьимвходом аппроксимирующей ячейки первый и второй входы компаратора напряжения подключены соответственно кшине нулевого потенциала и выходуинвертирующего операционного усилителя, и коммутирующий элемент, входкоторого подключен к выходу инвертирующего операционного усилителя; первый выход соединен с входом повторителя, второй выход является первымвыходом аппроксимирующей ячейки, -ауправляющий вход подключенк выходукомпаратора напряжения; являющемусявторым выьодом аппроксимирующей ячей.ки третий вход которой подключен квыходу .-го преобразователя код -аналог, группы.1363185Составитель М. Зайцев едактор М, Келемеш Техред Л.Олийнык Корректор В. 1 ирняк каз 6362/39 Тираж 671 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб, 4/5ф де Производственно-пол ическое предприятиеРод Ул, Проектная, 4