Оптоелектронний пристрій для функціонального перетворення сигналів

Изобретение относится к области аналоговой обработки информации. Цель изобретения - упрощение конструкции, повышение помехозащищенности и расширение класса реализуемых функций На фиг. 1. приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг,2, 3 и 4 приведены примеры технической реализации блока формирования функциональной характеристики. Предлагаемое устройство имеет входной блок 1 преобразования сигналов, дифференциальный усилитель 2, блок 3 формирования функциональной характеристики, причем входной блок 1 выполнен в виде фотодиодного оптрона, состоящего из излучателя 4 и фотодиода 5, выводы которого подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя 2, один из входов которого подключен к шине нулевого потенциала 6 через блок 3 формирования функциональной характеристики, который выполнен в виде последовательно соединенных токового формирователя 7 мультипликативной составляющей функции и токового формирователя 8 аддитивной составляющей функции. Устройство позволяет осуществи ть функциональное преобразование вида y = а(х,с1)х + b(с2) (1) где х, у - входная и выходная переменные соответственно; а = а(х,с1)- мультипликативная соcтавляющая функции 1, реализуемая токовым формирователем 7; b = b(c2) - аддитивная составляющая функции 1, реализуемая токовым формирователем 8; с1, c2 - управляемые параметры мультипликативной и аддитивной составляющих функций соответственно. Устройство работает следующим образом. Входной электрический сигнал поступает на клеммы 9 и 10 входного блока 1 преобразования сигналов и подводится к излучателю 4 - преобразователю электрического сигнала в световой поток. Излучатель 4 создает световой поток, пропорциональный входному электрическому сигналу. Благодаря наличию оптической связи между излучателем 4 и фотодиодом 5 на клеммах последнего появляется фото-ЭДС. Возникшая разность потенциалов прикладывается между входами дифференциального усилителя 2. Этот усилитель имеет большой коэффициент усиления по напряжению. Дифференциальное входное напряжение усилителя 2 вызывает появление выходного напряжения, которое возрастает до тете пор, пока полностью не скомпенсирует вызвавшее его входное напряжение. Компенсация происходит вследствие возникновения тока в цепи: выход усилителя 2 - фотодиод 5 - формирователь 7 - формирователь 8 - общая шина 6. Ввиду большого коэффициента усиления дифференциального усилителя 2 его дифференциальное входное -напряжение и равное ему напряжение между клеммами фотодиода 5 стремится к нулю, т.е. последний работает в режиме короткого замыкания. При работе фотодиода 5 в этом режиме достигается высокая точность и линейность преобразования оптического сигнала в электрический. Ток короткого замыкания фотодиода 5 протекает по рассмотренной выше цепи: выход усилителя 2 - общая шина 6 и подвергается функциональной обработке в блоке формирования функциональной характеристики 3 последовательно токовыми формирователями 7 и 8. Мультипликативная составляющая в выходной функции, согласно (1), определяется полным сопротивлением между первой и второй клеммами формирователя 7. Аддитивная составляющая в выходной функции равна напряжению между первой и второй клеммами токового формирователя 8. Сопротивление переменному току между этими клеммами значительно меньше сопротивления между первой и второй клеммами токового формирователя 7. Выходным сигналом устройства является напряжение Uвых между первым входом дифференциального усилителя 2 и. общей шиной 6. Uвых = Z(ik3, c 1) i k3 + U0(c 2), где ik3 - ток короткого замыкания фотодиода 5; Z(ik3 ,с1) - полное сопротивление формирователя 7, являющееся функцией тока короткого замыкания фотодиода 5 и управляемого параметра с1; U0(c2) аддитивная составляющая, образуемая формирователем 8 и являющаяся функцией управляемого параметра с2. Преимущественными вариантами технической реализации формирователя 7 являются следующие. Выполнение формирователя в форме одного или нескольких параллельно-последовательно соединенных фотодиодов, включенных между первой и второй клеммами формирователя 7 и связанных оптически с соответствующими светодиодами, обеспечивает формирование логарифмической либо другой нелинейной управляемой мультипликативной составляющей в выходной .функции, функциональная зависимость оперативно изменяется с помощью токов возбуждения светодиодов, полное сопротивление формирователя 7 представляется в виде Z = Z(i k3 ,с1). Выполнение формирователя в форме резисторной оптопары, фотоприемник которой включен между первой и второй клеммами формирователя 7, обеспечивает формирование линейной управляемой мультипликативной составляющей в выходной функции, параметры функциональной зависимости оперативно изменяются с помощью тока возбуждения источника света оптопары, полное сопротивление формирователя 7 представляется в виде Z = Z(c 1); Выполнение формирователя в форме одного или нескольких параллельно-последовательно соединенных полупроводниковых диодов, включенных между первой и второй клеммами формирователя 7, обеспечивает формирование составляющей в выходной функции, полное сопротивление формирователя 7 представляется в виде Z = Z(i k3); Выполнение формирователя в форме RLC - двухполюсника, включенного между первой и второй клеммами формирователя 7, обеспечивает формирование линейной мультипликативной составляющей в выходной функции, полно :сопротивление формирователя 7 представляется в виде Z = Z o= f(i k3,с1). Другой формирователь 8 является источником напряжения. Преимущественными вариантами технической реализации этого узла являются следующие. Выполнение формирователя в форме источника напряжения с оптоэлектронным управлением преобразователь "световой поток напряжение", в форме источника напряжения, управляемого напряжением, в форме преобразователя "сопротивление напряжение", в форме источника постоянного напряжения. Выбор варианта технической реализации формирователей 7 и 8 блока формирования функциональной характеристики 3 определяется числом и формой представления сигналов управления параметрами функционального преобразования. Пример 1. Разработанное оптоэлектронное, устройство для функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом. Входной блок 1 преобразования сигналов (фиг.1) выполнен на основе светодиода 4 и фотодиода 5, обеспечивающих полосу пропускания блока не менее 106Гц. Оптическая связь между светодиодом 4 и фотодиодом 5 осуществляется волоконно-оптическим жгутом длиной 1400 мм и диаметром 1 мм. В качестве дифференциального усилителя 2 используют операционный усилитель общего применения, с частотой единичного усиления не менее 107Гц. Блок 3 формирования функциональной характеристики (фиг.2) содержит формирователи 7 и 8. Первая клемма 11 блока 3 подключена к второму входу дифференциального усилителя 2, а вторая клемма 12 - к общей шине 6. Формирователь 7 выполнен с использованием полупроводникового диода 13, обеспечивающего динамический диапазон логарифмического преобразования не менее 60 дБ и резисторной оптопары 14.с быстродействием не менее 0,5*10-3с. Первой клеммой формирователя 7 служит анодный вывод диода 13, а второй клеммой вывод фоторезистора 15 оптопары 14. Светодиод 16 оптопары 14 подключается через клеммы 17 к источнику сигналов управления параметрами функционального преобразования. Формирователь 8 выполнен на основе диодной оптопары 18 с быстродействиями не хуже 10-3с, операционного усилителя 19 общего применения и резистора 20. Первой клеммой формирователя 8 служит общая точка соединения инвертирующего входа и вы хода усилителя 19 и анода фотодиода 21 оптопары 18, а второй клеммой - вывод резистора 20. Светодиод 22 оптопары 18 подключаете через клеммы 23 к источнику сигналов управления параметрами функционального преобразования. Устройство реализует функциональное преобразование сигнала вида Uвых=Z(i k3,c 1) * i k3 + U0(c 2)~K1lgik3 + (K2*i k3)/i 16 + K3i22, причем c1~i16 c2~i22 , где i16 i22 - токи возбуждения светодиодов 16 и 22, подводимые через клеммы управляющих сигналов 17 и 23 соответственно, К1,К2 ,К3 постоянные, определяемые параметрами полупроводникового диода 13, оптопары 14 и 18 соответственно. Оперативное управление мультипликативной составляющей функциональной зависимости осуществляется световым потоком, попадающим на фоторезистор 15 оптопары 14. Этот световой поток генерирует светодиод 16 той же оптопары. Ток возбуждения .светодиода 16 подводится через клеммы 17 от внешнего источника. Оперативное управление аддитивной составляющей функциональной зависимости осуществляется световым потоком, попадающим на фотодиод 21 оптопары 18. Этот световой поток создает светодиод 22 той же оптопары. Ток возбуждения светодиода 22 подводится через клеммы 23 от внешнего программирующего источника. На указанной элементной базе оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов имеет полосу пропускания 100кГц по уровню 0,7 для входной переменной, быстродействие канала управления мультипликативной составляющей функциональной зависимости 10-3с, быстродействие канала управления аддитивной составляющей функциональной зависимости 10-4с. Точность преобразования входного сигнала в полосе 1кГц при выходном напряжении не более 3В 0,5%. Устройство питается от двухполярного источника напряжением ±12В. Отношение сигнал/шум на выходе устройства при работе на расстоянии 1,5м от высоковольтной линии 12кВ 50Гц составляет 72дБ. Пример 2. Оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом. Блок 1 первичного преобразования сигналов (фиг.1) и дифференциальный усилитель 2 выполнены, как описано выше в примере 1. Блок 3 формирования функциональной характеристики (фиг.3) содержит формирователи 7 и 8. Первая клемма 11 блока 3 подключена к второму входу ди фференциального усилителя 2, а вторая клемма 22 -к общей шине 6. Формирователь 7 выполнен в виде резистивного двухполюсника с положительным температурным коэффициентом сопротивления и имеет термистор 24 и резисторы 25 и ,26. Первой клеммой формирователя 7 служат объединенные выводы термистора 24 и резистора 25, а второй клеммой - вывод резистора 26. Второй формирователь 8 содержит резистор 27, подстроечный резистор 28, конденсатор 29 и источник 30 питания. Первой клеммой формирователя 8 служат объединенные выводы резисторов 27, 28 и конденсатора 29, а второй клеммой объединенные выводы резистора 28, конденсатора 29 и источника питания 30. Устройство реализует функциональное преобразование вида é R 25R 24 (1 + a t° ) ù U × R 28 U вых = Z( t° ) × ik 3 + U 0(U пит )ê + R 26 ú ik 3 + 30 , R 27 + R 28 ë R 25 + R 24 (1 + a t° ) û где R25, R26 , R27 , R28 - сопротивление резисторов 25, 26, 27, 28 соответственно; R24 - начальное сопротивление термистора 24; a - температурный коэффициент сопротивления термистора 24; U30 = Uпит - напряжение источника 30; t° - текущая температура. Этот вариант выполнения устройства имеет полосу пропускания 100кГц по уровню 0,7 для входной переменной. Точность преобразования входного сигнала в полосе 1кГц при выходном напряжений не более 3В 0,5%. Устройство питается от двухполярного источника напряжением ±12В. Оно используется для согласования с исполнительными устройствами на цифровых к-МОП интегральных схемах при работе в диапазоне температур от (-)10 до (+)60°С при питании от автономных источников. Пример 3. Оптоэлектронное устройство для функционального преобразования сигналов реализовано следующим образом. Блок 1 первичного преобразования сигналов (фиг.1) и дифференциальный усилитель 2 выполнены, как описано выше в примере 1. Блок 3 формирования функциональной характеристики (фиг.4) содержит формирователи 7 и 8. Первая клемма 11 блока 3 подключена к второму входу ди фференциального усилителя 2, а вторая клемма 12 - к общей шине 6. Формирователь 7 выполнен в виде режекторного фильтра 31. Формирователь 8 имеет два магнитопровода 32, 33, подстроечный резистор 34, стабилизатор 35 тока и источник 36 питания. Первой клеммой формирователя 8 служит вывод резистора 34, а второй клеммой - точка соединения магнитодиода 32, резистора 34 и источника питания 36. Магнитодиоды 32 и 33 имеют противоположную ориентацию областей с высокой скоростью рекомбинации, что обеспечивает независимость напряжения на диоде 32 от температуры. Устройство реализует функциональное преобразование вида Uвых = Z(f) * i k3 + K 34U32(B), где Z(f) - частотная характеристика полного сопротивления режекторного фильтра 31; U32(В) - напряжение на магнитодиоде как функция напряженности магнитного поля В, К34 - коэффициент передачи резистивного подстроечного элемента 34. Этот вариант устройства используется при работе в условия х электромагнитных помех. Для каждого образца устройства максимальное отношение сигнал/помеха в вы ходном напряжении получают с помощью подстроечного элемента 34. Рассмотренные в примерах 1-3 варианты технической реализации формирователей 7 и 8 могут быть использованы в произвольной комбинации для получения требуемой в конкретной разработке функциональной зависимости. Разработанное техническое решение по сравнению с прототипом имеет более простую реализацию входного блока 1 преобразования сигналов. Блок не требует вспомогательных узлов для обеспечения режимов работы. Предложенная взаимосвязь с другими блоками устройства и форма выполнения блока формирования функциональной характеристики позволяет простыми средствами осуществить быстродействующее оперативное управление параметрами функционального преобразования. Разработанное устройство, со храняя технико-экономические преимущества прототипа, обладает рядом новых техникоэкономических преимуществ: повышенной надежностью в условиях значительных вибрационных иударных воздействий, так как устройство выполнено исключительно на твердотельных элементах; высокой помехоустойчивостью и достоверностью результатов функционального преобразования благодаря тому, что ЭДС помехи, наведенные на наиболее протяженные сигнальные шины устройства, подавляются и осуществлена гальваническая развязка источника сигналов, цепей управления функциональным преобразованием и схемы, которая его реализует; более широким классом решаемых задач, поскольку в устройстве имеется возможность простой реализации оперативного управления параметрами функционального преобразования.