RU2084017C1 - Device for information input - Google Patents

Abstract

FIELD: automation and computer engineering. SUBSTANCE: device has commutator of input analog signals, analog-to-digital converter and control unit. commutator has channels each of which has input converter of voltage to current, transformer and gates in both windings of transformer. In addition device has current-to-voltage converter which is shared by all channels. Voltage-to-current converter has transistor, diode and power supply. EFFECT: increased stability to noise, increased speed, increased precision. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и предназначено для коммутации и преобразования аналоговых сигналов. The invention relates to automation and measurement technology and is intended for switching and converting analog signals.

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. The existing multichannel measuring systems are subject to the requirements of high measurement accuracy, speed, noise immunity and reliability. It is difficult to fulfill all these requirements in one device, because they are often mutually exclusive. So, with an increase in the measurement accuracy, the system performance decreases, and with an increase in the performance, the noise immunity worsens, which, under the conditions of an industrial facility, sharply worsens the measurement accuracy. To increase the noise immunity and reliability of measuring systems, galvanic isolation of analog circuits is used, which leads to an increase in hardware costs per channel and to a decrease in speed. The desire to reduce hardware costs leads to the need to use an analog switch that connects several input channels from sensors to one measuring channel. The use of analog signals of semiconductor switches in a microcircuit design as switches can significantly increase the number of measured channels without increasing the amount of equipment.

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/. However, this is achieved at the cost of insufficient voltage of galvanic isolation between the channels of such a switch, which leads to an increase in the error, and sometimes to malfunctions of the measuring system in the presence of interference from an industrial facility. To increase the voltage of galvanic isolation, voltage to frequency converters (VFDs) are used, followed by frequency transmission through an optocoupler. This leads to an increase in hardware costs per channel and to a decrease in performance. The use of transformers for the same purposes in the mode of signal transmission through a modulator-demodulator (MDM) leads to a decrease in the measurement accuracy, since the keys of the modulator and demodulator introduce switching distortions into the transmitted signal. The use of the so-called "floating capacitor" also reduces the accuracy of measurements due to switching noise from the keys, or by reducing the influence of these noise to reduce performance. The foregoing is illustrated by descriptions of inventions discovered by the author during a patent search process. High measurement accuracy and high noise immunity is achieved by reducing speed, increasing overall dimensions and complicating the device / 1,2 /. High performance reduces noise immunity / 3 /. The use of galvanic isolation of input and output circuits leads to an increase in overall dimensions and a decrease in the accuracy of measurements. Insufficient voltage of galvanic isolation leads to a decrease in the reliability of the device / 3,4 /.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является /2/. The closest in technical essence to the proposed device is / 2 /.

Целью изобретения является улучшение помехозащищенности при сохранении высокого быстродействия и точности преобразования. The aim of the invention is to improve noise immunity while maintaining high speed and conversion accuracy.

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. This goal is achieved by the fact that the switch contains in each channel a voltage to current converter, a transformer, a first key in the primary and a second key in the secondary windings of the transformer. The analog inputs of each channel of the switch are the inputs of the voltage-to-current converter, the outputs of which are connected through the first switch to the primary winding of the transformer. The secondary winding of the transformer through a second switch is connected to the input of the current to voltage converter. The second output of the control unit is connected to the key control terminals. The voltage-to-current converter comprises first and second resistors, an operational amplifier, a voltage source, a p-n-p type transistor, and a diode. The first output of the first resistor is connected to the input of the device and to the non-inverting input of the operational amplifier. The first output of the second resistor is connected to the inverting input of the operational amplifier, the cathode of the diode and the output of the converter. The output of the operational amplifier is connected to the emitter of the transistor, the base of which is connected to the positive terminal of the voltage source. The transistor collector is connected to the anode of the diode and to the output of the converter. The negative terminal of the voltage source and the second terminals of the resistor are connected to the common potential of the converter. The current to voltage converter comprises an operational amplifier and a scaling resistor. The inverting input of the operational amplifier is connected to the first output of the scaling resistor. The non-inverting input of the operational amplifier is connected to the device common bus. The output of the operational amplifier is connected to the output of the switch and to the second output of the scaling resistor.

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. The introduction of an operational amplifier into a voltage-to-current converter circuit allows the input voltage to be converted to current with high accuracy, eliminating the influence of residual voltage on the closed key 3. The transistor in the voltage-to-current converter increases the speed of the converter to the speed of operation of the keys. Introduction to the switch circuit of the transformer allows you to increase the voltage of galvanic isolation up to hundreds of times compared with that of the switch with semiconductor switches (for example, in the prototype). The introduction of an operational amplifier (without a resistor in its input circuit) in the current to voltage converter allows shorting the transformer winding when transmitting a signal through it. The transformer is in short circuit mode. With this mode, the errors in signal transmission through the transformer are reduced, because firstly, it operates in the initial portion of its magnetic characteristic, therefore, its own magnetization current is small, the difference between this portion of the characteristic and linear is also small, which allows taking these factors into account when setting the transfer coefficient of the switch. The transfer coefficient of the switch is determined by the ratio of resistors in the circuits of the operational amplifiers of both converters and the ratio of the number of turns in the transformer windings. Secondly, the influence of scattering inductances and inter-turn capacities of the transformer is reduced, which increases its speed.

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. The application of the proposed switch circuit allows full use of the speed of the operational amplifier in the current to voltage converter. The output resistance of the voltage-to-current converter can be considered infinitely large, or more precisely, much larger than any resistance value of the scaling resistor in the current-to-voltage converter. Therefore, we can assume that the operational amplifier in the current-to-voltage converter operates with a voltage gain tending to zero. In this mode, the operational amplifier has maximum speed, since its amplitude-frequency characteristic has a maximum bandwidth.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг.2 представлена схема преобразования напряжения в ток; на фиг.3 схема преобразования тока в напряжение. In FIG. 1 shows a schematic diagram of a device; figure 2 presents a diagram of the conversion of voltage to current; figure 3 diagram of the conversion of current into voltage.

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. The device (Fig. 1) contains a multi-channel switch 1, which in each channel contains a voltage-to-current converter 2, switches 3 and 4, a transformer 5, a current-to-voltage converter 6 common to all channels, an analog-to-digital converter 7, and a control unit 8. The voltage-to-current converter (FIG. 2) contains resistors 9 and 10, an operational amplifier 11, a voltage source 12, a pnp type 13 transformer and a diode 14. The current to voltage converter (FIG. 3) contains a resistor 15 and an operational amplifier 16.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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. The input voltage signal is allocated to the resistor 9. From the output of the operational amplifier 11, a current flows through the transistor 13, the switching diode 14, and the resistor 10, creating a voltage drop across the resistor 10 equal to the voltage across the resistor 9. Therefore, this current is proportional to the input voltage with a proportionality coefficient determined by the resistance of the resistor 10. The voltage source 12 creates the necessary mode of operation for the transistor 13, included in the scheme with a common base. When the key 3 is closed, the primary winding of the transformer 5 is connected to the terminals of the diode 14. At the same time, the key 4 is closed and the secondary winding of the transformer 5 is connected to the input of the operational amplifier 16. There is no resistor in the input circuit of the operational amplifier 16, as a result, the secondary winding of the transformer 5 turns out to be short-circuited by operational amplifier 16 (assuming that it is ideal and its own voltage becomes equal to zero, diode 14 turns off, and all current flowing through it flows through With the key 3 and the primary winding of the transformer 5. The transformer 5 operates in the short circuit mode of the current transformer.The current in its secondary winding is proportional to the current in the primary winding with a proportionality coefficient determined by the ratio of the number of turns of the windings. The current of the secondary winding of the transformer, flowing through the resistor 15, creates the voltage proportional to this current is at the output of the operational amplifier 16. The proportionality coefficient is determined by the resistance of the resistor 15. The voltage from the output of the operational amplifier 16 is input to the analog-to-digital converter 7, which is converted into a digital equivalent which is fed to the output device.

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. 1. A device for entering information, comprising a multi-channel switch with two keys and a transformer in each channel, an analog-to-digital converter and a control unit, wherein the outputs of the second keys of all channels are combined, and the output of the analog-to-digital converter is connected to the output of the device, characterized in that a current to voltage converter is introduced into the switch, and a voltage to current converter is connected to each channel, the inputs of the voltage to current converters are connected to the corresponding inputs of the switch, and the outputs through The corresponding first switches are connected to the primary windings of the respective transformers, the secondary windings of which are connected to the inputs of the corresponding second switches, the combined outputs of which are connected to the input of the current-to-voltage converter, connected by the output to the information input of the analog-to-digital converter, the control input of which is connected to the first output of the control unit moreover, the control inputs of the first and second keys in each channel are combined and connected to the corresponding outputs of the control unit. 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. 2. The device according to p. 1, characterized in that the voltage-to-current converter comprises a transistor, a diode, two resistors, a constant voltage source and an operational amplifier connected by an output to a transistor emitter, the collector of which is connected through a diode to the inverting input of the operational amplifier, and the base to the corresponding output of the voltage source, non-inverting and inverting inputs of the operational amplifier, respectively, through the first and second resistors are connected to the second output of the voltage source and a common point n eobrazovatelya voltage into a current, whose inputs are respectively connected to first and second terminals of the first resistor, and outputs to the anode and cathode of the diode. 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. 3. The device according to claim 1, characterized in that the current-to-voltage converter comprises an operational amplifier and a resistor connected between the inverting input and the output of the operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to a common point of the device for inputting information, while the input and output of the current converter the voltage is connected respectively to the inverting input and output of the operational amplifier.

Images