Аналоговий інтерфейс для багатоточкової інформаційно-вимірювальної системи централізованого типу

Винахід відноситься до області вимірювальної техніки, а саме до аналогових інтерфейсів, що узгоджують сигнали від датчиків з токовим виходом (і вимірювальних перетворювачів, що уні фікують сигнали -УВП-ів) із ПК у багатоточковій інформаційно-вимірювальній системі (ІВС) централізованого типу. Багатоточкові ІВС здійснюють послідовний збір інформації про стан об'єкта. Первинні вимірювальні перетворювачі (або УВП, що здійснюють масштабування, лінеаризацію, перетворення потужності і т.д.) розташовуються в кожній досліджуваній точці інформаційного поля, і дані від них послідовно в часі надходять на вхід аналогового інтерфейсу. ІВС централізованого типу при цьому характеризується тим, що частини системи, відповідальні за перетворення сигналу, використовуються для обробки всіх сигналів послідовно, тобто за принципом розподілення часу. Порівняно невисокі апаратурні витрати дозволяють говорити про дешевизну подібних систем. Типова схема аналогового інтерфейсу в подібній системі містить у собі керований мікропроцесором мультиплексор, на вхід якого через фільтри надходять сигнали з УВП, а виходи через один АЦП за допомогою гальванічної розв'язки зв'язані з ПК (див. К.Б.Клаассен. Основи вимірів. Москва: Постмаркет, 2000, с.319, мал.4.34). Щоб підсилити сигнал, що надходить на вхід аналогового інтерфейсу, використовують вимірювальний підсилювач (ВП), що забезпечує посилення з високою точністю при низькому рівні шуму, високому рівні приглушення синфазних перешкод і малих спотворень. Це особливий тип підсилювачів, у яких, як правило, коефіцієнт підсилення точно визначений і його можна регулювати. Крім підвищення чутливості вимірів, ВП, крім того, ізолює об'єкт виміру від навантажувальної дії наступного тракту .При роботі з датчиками з токовим виходом вхідний імпеданс ВП повинний бути малим. Як правило, це досягається включенням шунта на вході ВП. Однак похибки узгодження при цьому зростають. Для живлення внутрішніх блоків інтерфейсу використовують мережний блок живлення. Як і в будь-якому електронному приладі, при цьому через наявність у мережному блоці живлення силового трансформатора з його міжобмоточною паразитною ємністю - у вхідному контурі приладу виникають мережні наведення, що погіршують точність вимірів. Одним з ефективних способів боротьби з цим явищем є захисне екранування, що являє собою конструкцію "box in box" (див.наприклад M.H.Van Erk and H.G.Onstee. Digital instrument cource. N.V.Philips Gmb Test and Measuring Department, Eindhoven, The Nertholand, Part 3, Digital Voltmeters and multimeters, pp.35-44, fig. 6.14). При цьому внутрішній кожух приладу екранує всю його аналогову частину, а енергія усередину згаданого кожуха подається від високочастотного трансформатора. Зменшені габарити ВЧ- трансформатора дозволяють мінімізувати міжобмоточні ємності приблизно в 5000 разів. Такі мережні блоки живлення називають ізольованими. Їх ВЧ- трансформатор сам живиться від ВЧ-генератора. Найбільш розповсюдженою формою сигналу ВЧгенератора є прямокутна форма хвилі (у силу простоти реалізації). Підсилювачі, що розв'язують, з використанням прямокутної форми хвилі широко поширені в інтегральному виконанні у випадку невеликих передаваних потужностей. Однак при цьому варто врахувати наступне. Прямокутний сигнал у своєму спектрі має могутні високочастотні складові, що обов'язково потребує засобів захисту від них для аналогових вхідних каскадів. З ростом частоти рішення цієї проблеми утр уднюється. Для того, щоб вихід аналогової частини приладу також був ізольований, вихідний сигнал, як правило, знімають за допомогою розв'язувальних електронних схем з оптичним каналом зв'язку, наприклад за допомогою волстрона (див. Барнс. Методи боротьби з перешкодами. Електронне конструювання, М., "Світ", 1990, с.108).Фірма HEWLETT PACKARD у своїх приладах розв'язує аналогову частину разом з АЦП. Усередині захисного екрана розташовують засіб перетворення типу аналог/аналог, засоби АЦП-перетворення, засіб для здійснення автокалібровки вимірювального каналу а також керуючі усім вищевказаним - мікропроцесорні засоби. Результати виміру по послідовному оптично розв'язаному каналу передаються до ПК. Слід зазначити, що швидкодія послідовного каналу цієї фірми в даний момент досягає вже сотень Мгц, що цілком достатньо для більшості промислових застосувань. Найбільш близьким по технічній сутності і технічному результаті, що досягається, до запропонованого технічного рішення є аналоговий інтерфейс для багатоточкової інформаційно-вимірювальної системи централізованого типу фірми Burr-Brown (див. R.Mark Stitt and David Kunst. lC building blocks form complete isolated 4-20mA current-loop systems. Application bulletin BURR-BROWN Corporation). Прототип містить перетворювачі струм/напруга, входи яких зв'язані відповідно з точками вимірів - датчиками з токовим виходом, а виходи - із входами мультиплексора, мікропроцесор, АЦП, мережний блок живлення і блок оптичної розв'язки, вихід якого є виходом інтерфейсу, причому керуючі входи мультиплексора й АЦП зв'язані з мікропроцесором, вихід мультиплексора зв'язаний із входом АЦП, а ви хід мікропроцесора - із входом блоку оптичної розв'язки. Перетворювач струм/напруга в прототипі виконаний у виді підключеного до входу ВП шун та. Як відомо, шунт не має нульового вхідного опору, тому мають місце погрішності узгодження аналогового інтерфейсу з датчиком. Мережний блок живлення в прототипі є неізольованим. і для того, щоб розв'язати вимірювальні канали по живленню, у кожнім з них використовують ізолюючий DC-DC конвертор малої потужності у вигляді інтегральної мікросхеми. Наслідком цього с та обставина, що при збільшенні числа вимірювальних каналів пропорційно погіршується якість гальванічної розв'язки по живленню, тому що збільшується загальна паразитна ємність між мережею й аналоговою землею. В основу винаходу поставлена задача створити аналоговий інтерфейс для багатоточкової ІВС, що забезпечує високу точність виміру і завадозахищеність за рахунок нейтралізації завад у вхідній частині приладу і зменшення похибок узгодження. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в аналоговому інтерфейсі для багатоточкової інформаційно-вимірювальної системи централізованого типу, що містить n перетворювачів струм/напруга, входи яких зв'язані відповідно з точками вимірів - датчиками з токовим виходом, а виходи - із входами мультиплексора, мікропроцесор, аналого-цифровий перетворювач АЦП, мережний блок живлення і блок оптичної розв'язки, вихід якого є виходом інтерфейсу, причому керуючі входи мультиплексора й входи/виходи АЦП зв'язані з мікропроцесором, вихід мультиплексора зв'язаний із входом АЦП, а вихід мікропроцесора - із входом блоку оптичної розв'язки, відповідно до винаходу, мережний блок живлення, виконаний ізольованим, підключений до усі х вн утрішні х блоків інтерфейсу і містить мережний випрямляч на вході, високочастотний трансформатор на виході, фільтруючий конденсатор мережного випрямляча, параметричний стабілізатор, виходи якого підключені до входів живлення задавального генератора синусоїдальної напруги та аналогового перемножувача, один вхід якого зв'язаний з виходом згаданого генератора, а другий - з виходом підключеного до виходу мережного випрямляча резистивного подільника, а також підсилювач потужності, вхід якого пов'язаний з виходом аналогового перемножувача, ви хід підсилювача потужності підключений до первинної обмотки високочастотного трансформатора, а кожний перетворювач струм/напруга виконано у вигляді диференціального підсилювача із симетричними струмовими входами (СДП), що містить інвертувальний перетворювач струм/напруга на основі оперційного підсилювача (ОП), підключений одним входом до його виходу інвертувальний суматор струмів на основі ОП, другий вхід якого є інвертувальним токовим входом перетворювача струм/напруга, а входи живлення параметричного стабілізатора та підсилювача потужності пов'язані з мережевим випрямлячем. За великої кількості ліній зв'язку вихідні ємності після СДП складаються і відповідно збільшується ступінь проникнення мережної напруги на вхід АЦП. З огляду на сучасн у тенденцію до використання електронних компонентів в інтегральному виконанні, варто констатувати, що рівень номінальної вхідної напруги АЦП значно знизився - відповідно знизився припустимий поріг вхідного сигналу АЦП і зросли негативні наслідки впливу завади на роботу ІВС. Використання одного мережного ізольованого блоку живлення призводить до того, що прохідна ємність, що визначає якість гальванічної розв'язки, всього одна. Отже вона значно менше, ніж 2n (де nкількість ліній зв'язку) прохідних ємностей ізолюючих блоків живлення і ВП у пристрої-прототипі. При цьому використання в мережному блоці живлення синусоїдальної форми хвилі (задавального генератора синусоїдальної напруги) у порівнянні з прототипом, де використовується форма прямокутна, запобігає погіршуючому точність виміру впливу могутніх високочастотних складових на аналогові вхідні каскади вимірювального каналу. При цьому за рахунок того, що вхідний сигнал надходить одночасно на вхід швертувального перетворювача струм/напруга в СДП,а також на вхід інвертувального суматора струмів у СДП, синфазна вхідна завада придушується. Короткий опис креслень. Сутність винаходу пояснюється кресленнями, приведеними тільки з метою ілюстрації, але ніяк не обмежуючими сутність і обсяг винаходу, що заявляється. На фігура х приведені: на фіг.1 - структурна схема аналогового інтерфейсу для багатоточкової інформаційно-вимірювальної системи централізованого типу; на фіг.2 - блок-схема перетворювача струм/напруга, виконаного у вигляді диференціального підсилювача із симетричними струмовими входами (СДП); на фіг.3 - блок-схема мережного блока живлення, виконаного у виді ізольованого блока живлення (ІБЖ); Позиції на кресленнях відповідають наступним елементам. На фіг.1: 1.1,1.2,..., 1.n - стр умовий датчик із симетричним виходом, наприклад трансформатор струму із симетричною вихідною обмоткою або ізолюючий підсилювач, наприклад підсилювач HCPL - 7840/ J784 фірми HEWLETTPACKARD; 2.1, 2.2, ..., 2.n - перетворювач струм/напруга, виконаний у вигляді диференціального підсилювача із симетричними струмовими входами (СДП); 3 - мультиплексор, 4 - аналого-цифровий перетворювач АЦП, 5 - мікропроцесор (МП), 6 - блок оптичної розв'язки (ОР), наприклад оптрон, 7 - мережний блок живлення, виконаний у вигляді ізольованого блоку живлення (ІБЖ). При цьому елементи 2, 3, ..., 7 розміщені у вн утрішньому захисному кожуху 8, а датчики 1.1, 1.2, ..., 1.n підключені до інтерфейсу за допомогою екранованих кабелів 9. На фіг.2: 10 - інвертувальний перетворювач струм/напруга на операційному підсилювачі (ОП) з резисторами 11, 12 і конденсатором 13 у ланцюзі зворотного зв'язку, 14 - резистор, опір якого дорівнює опору резистора 11, 15 - інвертувальний суматор струмів на ОП з резисторами 16, 17 і конденсатором 18 у ланцюзі зворотного зв'язку. Опір резистора 16 дорівнює 0,5 опору резистора 14. На фіг.3 19 - мережний випрямляч; 20 - фільтруючий конденсатор випрямляча 19; 21 - параметричний стабілізатор (ПС); 22 - задавальний генератор (ЗГ) синусоїдальної напруги; 23 - аналоговий перемножувач (X), на один вхід якого надходить сигнал з виходу ЗГ 22, а на іншій - сигнал з виходу резистивного подільника 24; 25 - двохтактний підсилювач потужності (ПП); 26 - високочастотний трансформатор. Сигнал з датчика, наприклад з датчика 1.1, надходить на інвертувальний (-l вх) і на неінвертувальний (+l вх) входи СДП 2.1. Інвертувальний перетворювач струм/напруга 10 (фіг.2) формує вихідну напругу, рівну (+І вх×R 11). Ця напруга через резистор 14 надходить на один із входів інвертувального суматора струмів на основі ОП 15, на другий вхід якого одночасно поданий сигнал -І вх. Відповідно вихідна напруга інвертувального суматора 15 буде дорівнювати (2 І вх×R 16). Якщо опір резистора 16 дорівнює 0,5 опору резистора 14, то ви хідна напруга буде дорівнює (І вх×R 16). Таким чином, вихідна напруга перетворювача струм/напруга буде прямо пропорційна різниці вхідних стр умів. З огляду на те, що синфазна завада - це завада, що однаково впливає на обидва входи вищезгаданого перетворювача, то результуюча реакція на вплив синфазної завади при симетрії його входів буде прагнути до нуля. Живлення блоків аналогового інтерфейсу здійснюється від мережного блоку живлення 7, блоксхема якого представлена на фіг.3. Мережна випрямлена напруга з конденсатора 20 надходить на ПС 21, резистивньїй подільник 24 і ПП 25. ПС 21 забезпечує стабільну роботу ЗГ 22 і аналогового перемножувача 23. На один із входів аналогового перемножувача 23 надходить вихідна напруга подільника 24, що несе інформацію про величину мережної напруги, що перемножується з вихідною напругою ЗГ 22, яка надходить на другий вхід перемножувача 23. Фактично аналоговий перемножувач 23 модулює ви хідну напругу ЗГ 22 величиною мережної напруги. Вихідний сигнал перемножувача 23 керує двохтактним підсилювачем потужності 25. Оскільки ПП 25 живиться мережною напругою, то це керування забезпечує стабільний ККД схеми (70-80%) незалежно від рівня мережної напруги. Так як потужність, що виробляється мережним блоком живлення 7, достатня для живлення усі х блоків аналогового інтерфейсу, то можна обійтися без ізолюючого DC/DC конвертора в кожному вимірювальному каналі. При цьому гармонійна форма коливань задавального генератора 22 характеризується вузькою смутою і тому малим рівнем високочастотних завад, що створюються усередині захисного екрана.