Спосіб передачі уніполярних прямокутних імпульсів через гальванічно розв’язане коло та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах для передачи сигналов, представляющих последовательность униполярных прямоугольных импульсов произвольной частоты и скважности через гальванически развязанные цепи. Прототипом предлагаемого технического решения является изобретение, в котором описано осуществление способа, включающего логические преобразования передаваемого сигнала, трансформацию и восстановление исходного сигнала путем получения выходного сигнала в виде последовательности сигналов логической" 1" и логического "0". Известный способ позволяет осуществить передачу сигналов без ограничения на длительность импульсов. Для осуществления существующего способа используется устройство, включающее два импульсных трансформатора, одни выводы первичных и вторичных обмоток которых соединены, соответственно, с раздельными общими шинами питания, элемент ИЛИ, первый вход которого подключен к управляющему входу устройства, триггер, выход которого соединен с выходной шиной устройства, элемент И, первый вход которого подключен к входной шине устройства, второй вход - к выходу элемента НЕ, вход которого соединен с выходом элемента задержки, кроме того устройство содержит элемент ИЛИ-НЕ, причем первый вход элемента ИЛИ-НЕ соединен с входной шиной устройства и входом элемента задержки, второй вход - с вторым входом элемента И, выход которого соединен с вторым выводом первичной обмотки первого импульсного трансформатора, второй вывод вторичной обмотки которого подключен к Sвходу триггера, R-вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен ко второму выводу вторичной обмотки второго импульсного трансформатора, второй вывод первичной обмотки которого соединен с выходом элемента ИЛИ-НЕ. Однако такие способ и устройство не дают возможности передавать униполярные сигналы любой скважности, а также низкие частоты, так как требуют контроля за насыщением развязывающих импульсных трансформаторов. В основу изобретения поставлена задача создать такой способ передачи униполярных прямоугольных импульсов через гальванически развязанную цепь и устройство для его осуществления, в котором благодаря преобразованию сигнала по заданному алгоритму, появляется возможность повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала, передавать через гальванически развязанную цепь униполярные импульсы любой частоты и скважности, что в конечном итоге расширяет функциональные возможности способа передачи униполярных импульсов через гальванически развязанную цепь и упрощает устройство для его осуществления. Сущность изобретения заключается в том, что в способе передачи униполярных прямоугольных импульсов через гальванически развязанную цепь, включающем логические преобразования исходного сигнала, трансформацию и восстановление исходного сигнала путем получения выходного сигнала в виде последовательности сигналов логической "1" и логического "0" согласно изобретению передаваемый исходный сигнал сначала инвертируют, затем путем дифференцирования преобразуют в последовательность знакопеременных коротких импульсов, причем на переднем фронте каждого импульса исходного сигнала, формируют импульс отрицательной полярности, а на заднем фронте каждого импульса исходного сигнала формируют импульс положительной полярности, после чего полученный сигнал преобразуют в тождественный с сохранением частоты и длительности, а затем исходную форму сигнала восстанавливают таким образом, что. в момент времени появления отрицательного короткого импульса формируют сигнал логической "1", а в момент времени появления положительного короткого импульса формируют сигнал логического "0". Для осуществления способа используется устройство, содержащее генератор импульсов, к выходу которого подключен инвертор, дифференцирующую цепь, импульсный развязывающий трансформатор, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с отрицательной шиной питания устройства, схему формирования входных импульсов RS-триггера, ко входу которой подключен второй вывод вторичной обмотки трансформатора и положительная шина источника питания устройства, а - выход указанной схемы - к входу RS-триггера, выход которого соединен с выходной шиной устройства, в котором согласно изобретению к выходу инвертора устройства подключен вход дифференцирующей цепи, состоящей из конденсатора и резистора, выход которой соединен с первым выводом первичной обмотки импульсного развязывающего трансформатора, причем второй вывод резистора дифференцирующей цепи и второй вывод первичной обмотки соединены общей шиной питания, кроме того схема формирования входных импульсов RS-триггера устройства содержит первый диод, анодный выход которого подключен к S-входу триггера и через первый установочный резистор к положительной шине источника питания устройства, а катодный вывод соединен со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора и анодным выводом второго диода, катодный вывод которого соединен с первым выводом резистора смещения и с базой транзистора, коллектор которого подключен к Rвходу триггера и через второй установочный резистор к положительной шине источника питания устройства, к отрицательной шине которого подключен второй вывод резистора смещения и эмиттер транзистора. Такое выполнение способа и устройства позволяет повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала, т.к. устраняет влияние изменения напряжения питания на форму импульсов, переданных через гальванически развязанную цепь. Независимо от появления или отсутствия искажений в исходном импульсе передаваемый сигнал после дифференцирования будет преобразован в последовательность коротких импульсов, возникающих в момент передачи только фронтов (переднего и заднего) каждого импульса исходного сигнала. Причем длительность каждого короткого импульса является величиной постоянной, определяемой постоянной времени цепи, реализующей данный способ, и не зависит от частоты и скважности передаваемого сигнала. Предлагаемый способ и устройство для его осуществления наиболее эффективны при передаче сигнала от источника с нестабилизированными напряжением и частотой. В таком случае предлагаемые способ передачи униполярных прямоугольных импульсов и устройство для его осуществления обеспечивают инвариантность генерируемых импульсов от искажений в исходном сигнале. Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 приведены временные диаграммы, раскрывающие работу способа; на фиг.2 электрическая схема устройства, реализующего способ. Передаваемый через гальванически развязанную цепь сигнал (фиг.1,а) инвертируют с сохранением временных параметров исходного сигнала (фиг.1,б). При этом исходный сигнал может представлять собой как периодическую так и непериодическую последовательность импульсов и имеет два информационных уровня. Значения сигнала u(t), превышающие некоторый верхний пороговый уровень Uп1 считываются соответствующими логической "1". Значения сигнала, меньшие некоторого нижнего порогового уровня Uп2 полагают соответствующими логическому "0". Затем полученный после инвертирования сигнал дифференцируют таким образом, что при изменении исходного сигнала с низкого потенциала на высокий получают короткий импульс отрицательной полярности (фиг.1,а), а при изменении исходного сигнала с высокого потенциала на низкий получают короткий импульс положительной полярности. Одновременно формируют первый и второй вспомогательные сигналы логической "1" (фиг.1,г,д). В момент появления отрицательного короткого импульса второй вспомогательный сигнал устанавливают на уровень логического "0" на время, равное длительности короткого импульса. Из полученных вспомогательных сигналов формируют в данном случае передний фронт импульса выходного сигнала, соответствующий переднему фронту импульса исходного сигнала (фиг.1,е), В момент появления положительного короткого импульса, полученного путем логических преобразований и дифференцирования из заднего фронта импульса выходного сигнала, первый вспомогательный сигнал устанавливают на уровень логического "0" и из полученных вспомогательных сигналов формируют задний фронт импульса выходного сигнала. Таким образом исходный сигнал, представляющий собой последовательность униполярных прямоугольных импульсов произвольной частоты и (скважности) длительности путем логических преобразований и дифференцирования преобразуют в последовательность отрицательных и положительных коротких импульсов, появляющихся в моменты прохождения соответственно переднего и заднего фронтов каждого импульса входного сигнала. Причем формирование каждого короткого импульса осуществляется только при наличии фронта передаваемого сигнала и не зависит ни от длительности каждого импульса исходного сигнала, ни от паузы между ними, ни от пульсаций напряжения, определяющих форму вершины исходного импульса (уровень помех на входе). Высокая помехоустойчивость и некритичность способа к частоте передаваемого сигнала позволяет передавать через гальванически развязанные цепи без искажений сигналы от герцевого до мегагерцевого диапазона. Формирование выходного сигнала путем получения информационных уровней логической "1" и логического "0" в моменты времени, соответствующие появлению переднего и заднего фронтов каждого импульса исходного сигнала дополняет характеристики помехоустойчивости описываемого способа высокой точностью отображения исходного сигнала. Электрическая схема устройства, реализующего способ, приведена на фиг.2. Устройство для передачи униполярного прямоугольного импульса через гальванически развязанную цепь содержит генератор 1 униполярных прямоугольных импульсов, инвертор 2, дифференцирующую цепь 3, состоящую из конденсатора 4 и резистора 5, импульсный развязывающий трансформатор 6 с первичной обмоткой 7 и вторичной - 8, RS-триггер 9, выходную шину 10 и схему формирования входных импульсов 11 триггера 9, состоящую из диодов 12 и 13, транзистора 14, резистора смещения 15, первого 16 и второго 17 установочных резисторов, положительной шины 18 источника питания E1 и отрицательной шины 19 источника питания E1. В первичной части устройства выход генератора 1 соединен со входом инвертора 2, выход которого через конденсатор 4 дифференцирующей цепи 3 соединен с первым выводом резистора 5 дифференцирующей цепи 3 и с первым выводом первичной обмотки 7 трансформатора 6, причем второй вывод резистора 5 и второй вывод первичной обмотки 7 соединен с общей шиной питания первичной части устройства, в которую входят инвертор 2, дифференцирующая цепь 3 и первичная обмотка 7 развязывающего трансформатора 6. Вторичная часть устройства содержит вторичную обмотку 8 импульсного трансформатора 6, схему формирования входных импульсов 11 RS-триггера 9, в которую входит диод 12, анодный вывод которого подключен к Sвходу триггера 9 и через первый установочный резистор 16 - к положительной шине 18 источника питания E1 вторичной части устройства, а катодный вывод соединен со вторым выводом вторичной части обмотки 8 трансформатора 6 и анодным выводом диода 13, катодный вывод которого через первый вывод резистора смещений 15 соединен с базой транзистора 14, коллектор которого подключен к R-входу триггера 9 и через второй установочный резистор 17 к положительной шине 18 источника питания E1 вторичной части устройства, к отрицательной шине 19 которого подсоединены второй вывод резистора смещения 15, эмиттер транзистора 14 и первый вывод вторичной обмотки 8 импульсного развязывающего трансформатора 6. Устройство работает следующим образом. Генератор 1 непрерывно вырабатывает униполярные прямоугольные импульсы (фиг.1,а). На выходе инвертора 2 появляются инвертированные импульсы с частотой генератора 1. При подаче импульса на вход устройства инвертора 2 переводится в состояние логического "0" по входу. При этом на импульсном трансформаторе 6 формируется узкий импульс отрицательной полярности, отпирающий диод 12 и запирающий диод 13. В результате на базу транзистора 14 через резистор 15 с шины 19 источника питания E1 подается отрицательное смещение, транзистор запирается и на его выходе устанавливается высокий потенциал, поступающий на R-вход триггера 9. На S-входе триггера 9 устанавливается сигнал логического "0", и триггер перебрасывается в открытое состояние. Тем самым формируется передний фронт прямоугольного импульса на выходе триггера, совпадающий с передним фронтом входного сигнала. При появлении на входе устройства заднего фронта импульса на выходе инвертора 2 устанавливается уровень высокого потенциала (фиг.1,б), дифференцируемый цепочкой 3. На обмотках 7 и 8 развязывающего трансформатора 6 возникает импульс напряжения положительной полярности (фиг.1,в). При этом диод 13 пропускает ток, отпирающий транзистор 14. Потенциал на коллекторе транзистора падает и на R-входе триггера 9 появляется сигнал логического "0" (фиг.1,г). Так как диод 12 остается запертым, то на S-вход триггера 9 через установочный резистор 17 с положительной шины 18 источника питания E1 вторичной части устройства подается сигнал логической "1" (фиг.1,д). При этом на выходной шине 10, являющейся Q-выходом RSтриггера 9 формируется задний фронт выходного импульса, совпадающий с задним фронтом входного импульса. После прекращения импульса на трансформаторе 6 (независимо от его полярности) диоды 12 и 13 и транзистор 14 заперты, на коллекторе транзистора 14 удерживается высокий потенциал, поступающий на R-вход триггера 9 через установочный резистор 17 и шины 18 источника питания E1. На S-вход триггера 9 при этом также подается высокий потенциал с шины 18 источника питания E1 через резистор 16. Таким образом, на обоих входах триггера 9 устанавливаются единичные сигналы и триггер 9 удерживает предыдущее состояние. Таким образом, предлагаемое техническое решение дает возможность осуществить передачу через гальванически развязанную цепь униполярных прямоугольных импульсов любой частоты и скважности. Так как исходное униполярное напряжение прямоугольной формы преобразуется путем дифференцирования в импульсное знакопеременное, передается через импульсный трансформатор и восстанавливается без искажений посредством быстродействующего RS-триггера, то возможно предлагаемое устройство использовать для передачи сигналов вплоть до мегагерцевого диапазона.