Аналоговий інтерфейс для сполучення первинних перетворювачів з мікро-еом, вимірювальний перетворювач і двотактний підсилювач потужності для використання у інтерфейсі

Винахід відноситься до області інформаційно-вимірювальної техніки і може бути застосований в контрольно-вимірювальних системах, убудованих у різні технологічні процеси загальнотехнічного і спеціального призначення, у яких первинними перетворювачами є датчики резистивного/ємнісного типу. Це можуть бути , наприклад, термометри опору, тензодатчики, резистивні датчики вологості (DR) чи, наприклад, ємнісні датчики тиску чи переміщення (DС). Раніше для збору вимірювальної інформації від датчиків багатоканальної інформаційно-вимірювальної системи (ІВС) використовували послідовне опитування датчиків і передачу інформації від них по магістральній шині зв'язку. В даний час такі системи витісняються розподіленими ІВС, у яких кожен датчик підключається окремою лінією зв'язку з наступним цифровим мультиплексуванням . В усіх ІВС обов'язково присутня аналогова частина, що визначає багато в чому можливості і характеристики ІВС. При цьому розрізняють вимірювальну і службову аналогові частини. У більшості випадків у службовій аналоговій частині ІВС діють сигнали відносно високого рівня, мало піддані впливу зовнішніх факторів і параметрів каналів зв'язку. Для цієї частини обмежуються досить грубим нормуванням енергетичних і тимчасових параметрів сигналів, а також параметрів ліній зв'язку. Істо тно більш важка задача пов'язана зі створенням інтерфейсу аналогової вимірювальної частини ВС. Це пояснюється тим, що спотворення в ній вимірювальних сигналів може привести до різкого погіршення метрологічних характеристик системи. Такий інтерфейс повинний забезпечити спільну роботу датчиків, вимірювальних ланцюгів, що працюють з ними, та нормалізуючих (уніфікуючи х) елементів, комутаторів аналогових вимірювальних сигналів, вхідних пристроїв і ліній зв'язку. Інтерфейс для сполучення датчика з мікро-евм являє собою передавальну і приймальну частини, зв'язані між собою лінією зв'язку. Передавальна частина містить вимірювальний перетворювач, що уніфікує, (ВП), канал зв'язку й АЦП. По каналу, що зв'язує ВП і АЦП, може передаватися напруга чи струм. Як будь-який аналоговий канал, такий канал дуже залежить від впливу навколишнього середовища (завади з мережі, імпульсні завади і т.і.) Тому доцільно використовува ти для передачі в такому каналі фізичну величину, менш залежну від середовища - частоту/період. Уже використовувалися в якості ВП частотні перетворювачі (див. наприклад Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: структура и алгоритмы, системотехническое проектирование.: Учеб. Пособие для вузов.-2-е изд., перераб. и доп. - М.: нергоатомиздат, 1985, с. 308, рис. 18.3) При цьому на прийомній стороні використовують конденсаторний частотомір чи цифровий частотомір. В обох випадках на вході частотоміра застосовується датчик стр уму, включений в один із проводів лінії зв'язку, і компаратор (він же детектор перетинання нульової лінії), якому властива похибка перетворення (інтервалу часу в ци фровий код), що виникає при формуванні строб-імпульсу (тимчасових воріт) з імпульсів, що задають вимірюваний інтервал, і зумовлена головним чином шумовою перешкодою. Будь-яка завада на вході компаратора приведе до неправильного визначення компаратором моменту перетинання вхідним сигналом рівня спрацьовування компаратора. Можливе застосування на вході компаратора фільтра для нейтралізації негативного впливу зазначеної завади шляхом звуження смуги пропускання обмежить швидкодію інтерфейсу. Тому більш перспективний інший шлях рішення проблеми, а саме використання фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ). Класична схема ФАПЧ - послідовно з'єднані фазовий детектор (ФД), фільтр низьких частот (ФНЧ) і керований генератор (КГ), у якості якого використовують мультивібратор, ви хід якого через подільник частоти (ПЧ) зв'язаний із входом ФД. Відома система ФАПЧ, що містить генератор, який керується напругою (ГКН) (под ред. У. Томпкинса и Дж. Уэбстера "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC", пер. с англ., М., "Мир", 1992, с. 58, рис. 1.35). Часто ГКН застосовують при зчитуванні інформації з вимірювальних перетворювачів в умовах сильних перешкод при багатоканальному дистанційному контролі. У сполученні з мультиплексором і синхронізованими лічильниками ГКН використовують для сканування у часі декількох вимірювальних перетворювачів. Однак найбільш часте застосування ГКН знаходять у системах ФАПЧ. У такій системі прийнятий сигнал має дві складові: корисний вхідний сигнал і випадковий шумовий. Якщо обидві ці складові попадають у смугу пропускання системи ФАПЧ, то фільтр виробляє на своєму ви ході статичний сигнал помилки. Цей сигнал подається на вхід ГКН, що змінює частоту опорного сигналу і його фазу. Таким чином, здійснюється відстеження фази (і частоти) сигналу (супровід сигналу). Варто мати на увазі, що для того, щоб забезпечити сполучення комп'ютера IBM PC із найрізноманітнішими датчиками, він (комп'ютер) має шинний буфер, схеми декодування для паралельних портів входу-ви ходу і схеми, на яких реалізовані програмовані лічильники/таймери і контролери переривань. Надалі передбачається, що запропонований інтерфейс сполучається саме з такою мікро-евм. Діапазон захоплення у відомому рішенні визначається смугою пропускання фільтра, яку збільшувати ми не можемо - збільшаться пульсації на виході. Тому, незважаючи на високу завадозахищеність схеми, вузький діапазон захоплення обмежує її застосування. В основу винаходу поставлене завдання створити аналоговий інтерфейс для сполучення первинних перетворювачів, у якості яких виступають датчики резистивного/ємнісного типу, з мікро-евм , що матиме широку смугу захоплення і високу завадозахищеність. Поставлена задача вирішена тим, що в аналоговому інтерфейсі для сполучення первинних перетворювачів з мікро-евм, що містить прийомну і передавальну частини, зв'язані між собою двохпровідною лінією зв'язку, причому передавальна частина містить вимірювальний перетворювач, що перетворює вимірюваний параметр у частоту/період, і двотактний підсилювач потужності, а приймальна частина - систему фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ), а також включені на вході приймальної частини інтерфейсу датчик струму в лінії зв'язку і джерело живлення, уведений додатковий двотактний підсилювач потужності, включений у протифазі відносно основного, система ФАПЧ виконана на послідовно включених фазовому детекторі, біполярному логарифмічному підсилювачі і перетворювачі напруги в частоту з імпульсним зворотним зв'язком, охоплених зворотним зв'язком за допомогою тригера з лічильним входом. На передавальній стороні аналоговий інтерфейс для сполучення датчиків з мікро-евм має вимірювальний перетворювач. Таким перетворювачем може наприклад бути квадратичний перетворювач напруги в частоту/період, виконаний на операційному підсилювачі (ОП). Варіанти виконання таких схем представлені у виданні - А.И. Мартяшин и др. "Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения", М., "Энергия", 1976. У зазначеному виданні рівень техніки може бути представлений схемою мал. 1 на с. 286. У схемі втілюється спосіб розгортаючого перетворення з однією розгортаючою функцією. Одне з джерел струму включений послідовно з Rx і спадання напруги на Rx. визначає розмір прибутку розгортаючої функції за час циклу. Друге джерело струму підключене до інтегратора і визначає нахил розгортаючої функції. У момент спрацьовування відбувається перекомутація струмів, що і приводить до зміни напрямку розгортання. Таким чином, компаратор, включений на виході інтегратора, виробляє прямокутну форму тестуючо го сигналу. Прямокутна форма хвилі, як відомо, займає широкий спектр частот і в даному використанні це приводить до істотних недоліків. При дистанційному розміщенні датчиків серйозною проблемою є компенсація негативного впливу паразитних ємностей сполучних кабелів на роботу пристрою. Через те, що в ємності опір залежить від частоти, її точна компенсація можлива на фіксованих частота х. Тому, чим ширше спектр сигналу, тим складніше компенсувати зазначену ємність. Найбільш близьким до вимірювального перетворювача, що заявляється, є схема що приведена в довідковому керівництві «750 практических электронных схем» под ред. Р. Фелпса, пер. с англ., М., « Мир», 1986, с. 124. Відома схема містить виконане у вигляді двуханодного стабілітрона джерело опорної напруги, інтегратор, виконаний на ОП з резистором на вході і конденсатором у ланцюзі ЗЗ, а також пристрій порівняння, що змінює напрямок інтегрування в момент рівності по модулю опорної напруги і ви хідної напруги інтегратора, виконаний на ОП. З урахуванням того, що ОП - це лінійна система і коли вона входить у насичений стан, то ви хід пристрою з нього не нормується, остання обставина приводить до нестабільності роботи. При цьому відомий перетворювач не забезпечує також і захист від впливу паразитних ємностей при дистанційному підключенні резистивних датчиків. В основу винаходу поставлена задача створити вимірювальний перетворювач для застосування в аналоговому інтерфейсі, що забезпечує сполучення первинних перетворювачів з мікро-евм. При цьому зазначений перетворювач повинний стабільно працювати в широкому діапазоні частот при дистанційному підключенні первинних перетворювачів (датчиків) резистивного і ємнісного типу. Поставлена задача вирішена тим, що у вимірювальному перетворювачі, що містить виконане у виді двуханодного стабілітрона джерело опорної напруги, інтегратор, виконаний на операційному підсилювачі (ОП) з резистором на вході і конденсатором у колі зворотного зв'язку (ЗЗ), і пристрій порівняння, що змінює напрямок інтегрування в момент рівності по модулю опорної напруги і вихідної напруги інтегратора, згідно винаходу, пристрій порівняння виконаний у вигляді компаратора, джерела струму і першого резистивного подільника, уведені перетворювач напруги в стр ум, вимірювальний підсилювач і здвоєний перемикач, у першому положенні з'єднуючий вихід ОП інтегратора з конденсатором у колі його ЗЗ і, відповідно, вихід вимірювального підсилювача - з другим резистивним подільником, а в другому положенні з'єднуючий вихід зазначеного ОП з однією з обкладок ємнісного датчика і, відповідно, вихід зазначеного ОП - також із другим резистивным подільником, вхід перетворювача напруги в стр ум з'єднаний з виходом інтегратора, а його вихід підключений до одного з токових затисків резистивного датчика, другий токовий затиск якого підключений до "землі", а потенційні затиски резистивного датчика підключені до входу вимірювального підсилювача. Для застосування в запропонованому аналоговому інтерфейсі призначений також двохтактний підсилювач потужності. Відомий двохтактний підсилювач потужності, що містить джерела постійного струму і послідовно включені вхідний, проміжний і вихідний каскади, причому на вході вихідного каскаду включена схема стабілізації, що створює початковий зсув вихідного каскаду (а.с. СССР №1649640, МПК Н03F3/26, публ. 15.05.91). Вхідний і вихідний каскади виконані за схемою емітерного повторювача, проміжний - по каскодній двохтактній схемі на комплементарних транзисторах, а схема стабілізації являє собою два діоди, включених в одному напрямку між базами транзисторів вихідного двохтактного емітерного повторювача. Використання такої схеми стабілізації через нелінійну вольт-амперну характеристику діодів приводить до нестабільності роботи в широкому діапазоні вхідних напруг. Можливе використання транзисторної схеми стабілізації (див. напр. Л.Е. Варанкин, справочник «Бестрансформаторные усилители мощности», М., «Радио и связь», 1984, с. 57, рис. 59) має наступний недолік. Якщо транзистор зсуву ввійде в активну область, то по його колекторній характеристиці видно, що напруга між його емітером і колектором може різко збільшитися при практично постійному колекторному струмі. Зазначена напруга може значно перевищити необхідний зсув для вихідного двохтактного каскаду. Збільшаться наскрізні струми, що викличе перегрів транзисторів вихідного каскаду і ви хід його з ладу. Крім того, варто врахувати і те, що для використовуваного застосування пристрій працює на протяжну лінію, коли вплив його (пристрою) на перехідні процеси в ній (лінії) - великий. Для таких умов підсилювач повинний працювати в режимі АВ. Режим АВ упевнено забезпечує малий рівень перехідних спотворень, тобто забезпечує високу завадозахищеність. Схеми стабілізації в попередніх схемах підсилювачів забезпечують режим АВ нетривалий час: транзисторна схема - до моменту перегріву і згоряння транзистора, а в діодній схемі стабілізації - режим АВ нестабільний. Пропонується двохтактний підсилювач потужності, що забезпечує режим АВ, що сприяє підвищенню завадозахищеності зв'язку, тому що сам підсилювач не буде джерелом завад. У двохтактному підсилювачі потужності, що містить вхідний попередній каскад посилення, джерела постійного струму, вихідний комплементарний емітерний повторювач і включену між базами транзисторів вихідного комплементарного емітерного повторювача схему стабілізації його струму спокою, відповідно до винаходу, схема стабілізації виконана у вигляді каскаду з загальним емітером і резистивним подільником у колі бази, колектор каскаду через ланцюжок послідовно включених діодів зв'язаний з виходом одного з джерел постійного струму, а вихід др угого джерела постійного струму підключений до емітеру каскаду. Винахід пояснюється кресленнями, де зображені: на фіг.1 - блочна схема запропонованого аналогового інтерфейсу з розкриттям виконання вимірювального перетворювача,на фіг.2 - принципова схема двохтактного підсилювача потужності. Позначення на кресленнях відповідають наступним елементам: На фіг.1: позиція 1 - вимірювальний перетворювач , 2 - ємнісний датчик, 3,4-коаксіальні екрановані кабелі зв'язку, 5 - резистивний датчик, 6 чотирьохпровідний екранований кабель зв'язку, 7, 8 - дво хтактні підсилювачі потужності, 9 - резистор, 10 двохпровідна лінія зв'язку, 11 - компаратор, 12 - інтегратор, 13 - операційний підсилювач, 14 - резистор, 15 конденсатор, 16 - джерело струму, 17 - двоханодний стабілітрон, 18 - здвоєний двохпозиційний перемикач, 19 - перетворювач напруги в стр ум, 20 - вимірювальний підсилювач, 21 ,22, 23, 24 - резистори, 25 - датчик струму, 26 - джерело постійної напруги, 27 - широкосмугова система ФАПЧ, 28 - фазовий детектор, 29 перетворювач напруги в частоту , 30 - тригер з лічильним входом ( подільник частоти на 2) і 31 - біполярний логарифмічний підсилювач. На фіг.2 позиція 32 - генератор біполярних імпульсів, 33 - перемінний резистор, 34 , 35 - резистори, 36 - транзистор, 37, 38, 39 - діодний ланцюжок, 40, 41 - джерела постійного струму, 42, 43 - комплементарні транзистори, 44, 45 - резистори. Передавальна частина аналогового інтерфейсу (фіг.1) представлена вимірювальним перетворювачем 1, до якого підключені ємнісний датчик 2 і резистивний датчик 5, і парафазними двотактними підсилювачами потужності 7, 8 з навантаженням 9. Передавальна частина двохпровідною лінією зв'язку 10 зв'язана з прийомною частиною аналогового інтерфейсу, що складається з джерела постійної напруги 26, датчика струму 25, широкосмугової ФАПЧ 27. Лінія зв'язку 10 використовується для подачі напруги живлення до передавальної частини, а також як канал інформаційного зв'язку. Схема формування внутрішньої "землі" (середньої точки живлення) на фіг.1 не показана. Не показані також ланцюги живлення активних елементів схеми. При роботі з датчиком резистивного типу здвоєний двохпозиційний перемикач 18 встановлюють у перше положення, при якому ви хід ОП13 інтегратора 12 з'єднаний з конденсатором 15 у ланцюзі зворотного зв'язку ОП13, а вихід вимірювального підсилювача 20 з'єднаний з резистивним дільником на резисторах 23 і 24. На виході вимірювального перетворювача 1 виникають трикутні коливання, частота яких визначається формулою: R G K Т -1 = fc = 23 19 20 R Д (1) с R24R14 C15 де: R23 - опір резистора 23 R24 - опір резистора 24 R14 - опір резистора 14 G19 - коефіцієнт передачі перетворювача напруги в стр ум 19 K20 - коефіцієнт перетворення вимірювального підсилювача 20 С15 - ємність конденсатора 15 у ланцюзі ЗЗ ОП13 RД - опір резистивного датчика 5 Адитивні похибки щодо збільшень вихідної напруги інтегратора 12 перетворювача напруги в стр ум 19 і вимірювального підсилювача 20 не входять у формулу (1), тому що ці блоки розташовані за інтегратором у прямому колі астатичного компенсотора. Компенсація ємностей сполучних кабелів резистивного датчика 5 може бути здійснена відомими способами, наприклад використанням еквіпотенціального захисту для класичної чотирьохзатискової схеми підключення датчика. У даному випадку наш датчик 5 підлягає впливу практично синусоїдального тестового сигналу, коли вищевказаний захист особливо ефективний. При роботі з датчиком ємнісного типу (друге положення перемикача 18) на виході вимірювального перетворювача 1 (вихід інтегратора 12) формується симетрична трикутна напруга, період Тс якої пропорційний ємності СД ємнісного датчика 2: ТС = 4R24R14C Д R 23 (2) де: R24 - опір резистора 24 R14 - опір резистора 14 R23 - опір резистора 23 Ємність сполучного кабелю 3 на ТС не впливає, тому що вона зашунтована практично нульовим опором віртуальної землі ОП 13. Ємність же сполучного кабелю 4 не впливає на ТС завдяки практично нульовому вихідному опору інтегратора 12. Резистори 21 22 підбираються такими, щоб забезпечити практично рівні по амплітуді (протилежні за знаком) імпульси струму в двоханодному стабілітроні 17 при переключенні вихідного транзистора компаратора 11. При цьому для забезпечення найкращих динамічних характеристик у режимі великого сигналу (що має місце в нашому випадку) цей вихідний транзистор включений за схемою з загальним колектором. Нечутливість використовуваного вимірювального перетворювача 1 до адитивних похибок активних елементів і до паразитних ємностей кабелів зв'язку, а також його висока завадозахищеність і швидкодія роблять схему особливо привабливою при реалізації багатоточкових розподілених ІВС. Виконання двотактного підсилювача потужності (поз.7, 8 на фіг.1) розкрито на кресленні фіг.2. Він має вхідний попередній каскад посилення, представлений генератором біполярних імпульсів 32 і джерела постійного струму 40, 41, причому джерела струму 40, 41 різнополярні і працюють по черзі. Мається також вихідний комплементарний емітерний повторювач на комплементарних транзисторах 42, 43 з резисторами 44, 45. Схема стабілізації струму спокою вихідного комплементарного емітерного повторювача виконана на транзисторі 36 з діодним ланцюжком на діодах 37, 38, 39 у колі його колектора. У випадку, коли використовується складений вихідний комплементарний транзистор, тобто у випадку дарлінгтоновської схеми - кількість діодів у даному ланцюжку повинна бути на одиницю менше, ніж сумарна кількість базоемітерних переходів у складеному транзисторі. Транзистор 36 компенсує падіння напруги приблизно на одному базо-емітерному переході. Інші компенсуються діодним ланцюжком 37-39. Регулюванням змінного резистора 33 домагаються часткового відкриття вихідних транзисторів 42, 43 ( шляхом зміни напруги між їхніми базами). Транзистор 36 постійно працює в режимі насичення. Парафазні двотактні підсилювачі потужності 7, 8, керовані вихідною напругою інтегратора 12, що працюють на навантаження 9, збуджують у дво хпровідній лінії зв'язку 10 коливання струму з частотою 2fС=2/ТС (трикутної форми), тобто частота пульсацій подвоюється. Ці коливання сприймаються датчиком струму 25 у прийомній частині інтерфейсу і надходять на широкосмугову ФАПЧ 27. Перевагою трикутної форми хвилі є те, що вона складається з ряду непарних гармонік, вага яких зменшується пропорційно квадрату їхнього номера, тобто дуже швидко, що практично наближає таку хвилю до синусоїдальної форми коливань. Відповідно хвильові процеси в лінії зв'язку 10 виникнуть при частоті роботи вимірювального перетворювача 1, наприклад у 5кгц тільки при довжині лінії не менш, ніж кілька кілометрів. Забезпечується упевнений зв'язок при довгих лініях зв'язку, значно довших, чим із прийомопередавачі ключового типу (із прямокутною формою хвилі). В останніх хвильові процеси починаються в каналах зв'язку при їхній довжині, практично починаючи з 1м. Відсутність у використовуваній ФАПЧ 27 фільтра нижніх частот на ви ході фазового детектора 28 і застосування в якості КГ перетворювача напруги в частоту з імпульсним зворотним зв'язком інтегруючого типу (перетворювача 29), що є в даній структурі (з урахуванням того, що інтеграл від миттєвої фази дорівнює середньому значенню частоти) практично безінерційним перетворювачем фаза-частота, забезпечує широку смугу захва ту ФАПЧ. Біполярний логарифмічний підсилювач 31 підсилює слабкі сигнали в значно більшому ступені, ніж сильні, і таким чином робить діапазон захоплення ФАПЧ менш залежним від втрат в лінії зв'язку 10. Тригер 30 з лічильним входом у колі зворотного зв'язку ФАПЧ забезпечує подвоєння вихідної частоти ФАПЧ у порівнянні з його вхідною частотою, і в такий спосіб fПНЧ=4fС. Далі вихідний сигнал ФАПЧ надходить у програмований таймер мікро-евм, де визначається його період ТС чи частота fС, будьяким з відомих способів. Завдяки фільтруючим властивостям перетворювача напруги в частоту інтегр уючого типу з імпульсним зворотним зв'язком (перетворювача 29) забезпечена нечутливість до шумів на вході фазового детектора 28. Експериментальні дані показали, що в порівнянні зі звичайно використовуваними в аналоговому інтерфейсі частотними демодуляторами типу конденсаторного частотоміра дана система ФАПЧ забезпечує велику завадозахищеність при збереженні високої швидкодії.