УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ

Полезная модель относится к области информационно-измерительной техники и может быть использована в качестве нормирующего усилителя в системах сбора данных, а также в устройствах ввода аналоговых сигналов в ЭВМ.
Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой позволяет преобразовывать входные малые уровни постоянных (медленно меняющихся) токов и напряжений, относительно высоких уровней в выходной сигнал постоянного напряжения величиной пригодной для дальнейшей цифровой обработки. Устройство обеспечивает гальваническую развязку входных цепей от выходных, а также цепей питания.
Известен из уровня техники усилитель постоянного тока с гальванической развязкой по патенту РФ №59348 на полезную модель, заявка №2006124585 с датой приоритета 07.07.2006 г. Усилитель состоит из модулятора, выходы которого подключены к первичной обмотке сигнального трансформатора, а управляющие входы - к первой вторичной обмотке питающего трансформатора, демодулятора, усилителя мощности и генератора импульсов. Модулятор выполнен на интегральных прерывателях, вход модулятора является входом устройства. Вторичная обмотка сигнального трансформатора через усилитель переменного тока подключена к демодулятору, который выполнен на операционном усилителе по схеме переключателя полярности коэффициента усиления, причем к инвертирующему входу операционного усилителя подключен регулируемый источник опорного напряжения. С целью уменьшения объемных и массовых характеристик все устройства выполнены на одной микросхеме.
Недостатками данного усилителя постоянного тока с гальванической развязкой являются:
- низкий коэффициент подавления переменной синфазной составляющей сигнала из-за несимметричного исполнения входного дифференциального каскада устройства, что увеличивает погрешность преобразования усилителя;
- отсутствие эффективного снижения влияния напряжения смещения нуля операционного усилителя (вследствие конечного значения входного сопротивления), а также дрейфа этих параметров под воздействием внешних факторов;
- увеличение действующего значения пульсаций выходного напряжения устройства из-за различных значений коэффициента усиления демодулятора в инвертирующем и неинвертирующем включениях;
- необходимость обязательного наличия трех номиналов питающих напряжений с жесткими требованиями по их нестабильности;
- ограничение быстродействия устройства частотой преобразования на уровне нескольких десятков килогерц приводит к ограничению преобразуемого частотного диапазона изменяющихся входных сигналов и снижает точность их преобразования, а также приводит к увеличению габаритно-массовых показателей из-за необходимости применения более массивных трансформаторов для гальванической развязки;
- значительный разброс абсолютных значений настроечных элементов, что ухудшает линейность коэффициента преобразования устройства и не позволяет уменьшить шаг этих компонентов для увеличения точности настройки.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является усилитель постоянного тока с гальванической развязкой по патенту РФ №129726 на полезную модель, заявка №2013106622 с датой приоритета 14.02.2013 г. Усилитель содержит модулятор и демодулятор, сигнальный и питающий трансформаторы, усилитель переменного тока, схему стабилизации питающих напряжений, схему смещения и генератор импульсов. Модулятор, выполнен на интегральных прерывателях и преобразует входной сигнал постоянного тока в переменное напряжение, амплитуда которого равна величине входного сигнала, а частота определяется частотой управляющего сигнала генератора импульсов. Модулятор подключен к первичной обмотке сигнального трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен усилитель переменного тока с симметричным дифференциальным входом. Выход усилителя переменного тока подключен через разделительный конденсатор к демодулятору, на выходе которого образуется сигнал постоянного тока, пропорциональный входному сигналу устройства, причем коэффициент пропорциональности равен коэффициенту усиления усилителя переменного тока, также к демодулятору подключена схема смещения выходного сигнала, которая представляет собой подстраиваемый источник опорного напряжения и служит для подстройки нулевого уровня выходного сигнала. Демодулятор и модулятор подключены через питающий трансформатор к выходам генератора импульсов, усилитель постоянного тока, демодулятор, генератор и усилитель мощности подключены к схеме стабилизации питающих напряжений.
Недостатками данного усилителя постоянного тока с гальванической развязкой являются:
низкий коэффициент подавления переменной синфазной составляющей сигнала, которая увеличивает погрешность преобразования устройства;
- отсутствие возможности уменьшения дрейфа напряжения смещения нуля, возникающего при воздействии внешних факторов, что ухудшает точностные характеристики устройства;
- увеличение действующего значения пульсаций выходного напряжения устройства из-за различных значений коэффициента усиления демодулятора в инвертирующем и неинвертирующем включениях;
- ограничение быстродействия устройства частотой преобразования на уровне нескольких десятков килогерц приводит к ограничению преобразуемого частотного диапазона изменяющихся входных сигналов и снижает точность их преобразования, а также приводит к увеличению габаритно-массовых показателей из-за необходимости применения более массивных трансформаторов для гальванической развязки;
- необходимость обязательного наличия двух номиналов питающих напряжений;
- значительный разброс абсолютных значений настроечных элементов, что ухудшает линейность коэффициента преобразования устройства и не позволяет уменьшить шаг этих компонентов для увеличения точности настройки.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точностных характеристик, обеспечение быстродействия и долговременной стабильности работы устройства при влиянии внешних воздействующих факторов, уменьшения его габаритно-массовых показателей и потребляемой мощности. Решение данной задачи улучшает эксплуатационные качества устройства, а также упрощает его использование в составе аппаратуры.
Техническими результатами являются:
- высокий коэффициент подавления переменной и постоянной синфазных составляющих сигнала;
- уменьшение напряжения смещения нуля устройства;
- уменьшение дрейфа напряжения смещения нуля под влиянием внешних воздействующих факторов;
- исключение разбаланса коэффициентов преобразования положительной и отрицательной полуволн модулированного сигнала и, как следствие, уменьшение действующего значения пульсаций выходного напряжения;
- увеличение частоты преобразования, и как следствие, увеличение полосы пропускания устройства;
- использование одного номинала питающего напряжения с невысокими требованиями к его стабильности;
- исключение влияния абсолютных характеристик подстроечных компонентов на точность настройки и уменьшение нелинейности регулировочной характеристики устройства.
Технические результаты обеспечиваются за счет выполнения усилителя постоянного тока с гальванической развязкой, содержащего генератор управляющих импульсов, выходы которого подключены к первичной обмотке питающего трансформатора, вторичная обмотка питающего трансформатора подключена к управляющим выводам модулятора, вход которого является входом устройства, при этом выходы модулятора подключены к первичной обмотке сигнального трансформатора, вторичная обмотка сигнального трансформатора подключена к дифференциальному входу усилителя переменного тока, к которому подключены цифро-аналоговые устройство регулировки напряжения смещения нуля и устройство регулировки коэффициента усиления, выход усилителя переменного тока подключен ко входу устройства выборки и хранения, выход которого подключен к фильтру нижних частот и буферному усилителю, выход буферного усилителя является выходом усилителя. Кроме того усилитель постоянного тока с гальванической развязкой содержит стабилизатор напряжения питания, формирующий стабилизированные номиналы напряжений, необходимые для питания устройства, из входного номинала напряжения питания.
На фигуре 1 приведена структурная схема усилителя постоянного тока с гальванической развязкой.
Усилитель постоянного тока с гальванической развязкой 1 состоит из генератора управляющих импульсов 2, выходы которого подключены к первичной обмотке 3 питающего трансформатора 4, вторичная обмотка 5 питающего трансформатора 4 подключена к управляющим выводам модулятора 6, вход которого является входом устройства 1. Выходы модулятора 6 подключены к первичной обмотке 7 сигнального трансформатора 8, вторичная обмотка 9 сигнального трансформатора 8 подключена к дифференциальному входу усилителя переменного тока 10, к которому подключены устройство регулировки напряжения смещения нуля 11 и устройство регулировки коэффициента усиления 12. Устройство регулировки напряжения смещения нуля 11 и устройство регулировки коэффициента усиления 12 выполнены с применением цифро-аналогового преобразования, благодаря чему исключается зависимость регулировочной характеристики от абсолютных характеристик подстроечных элементов и уменьшается нелинейность регулировочной характеристики устройства. Выход усилителя переменного тока 10 подключен ко входу устройства выборки и хранения 13, выход которого подключен к фильтру нижних частот 14 и буферному усилителю 15. Выход буферного усилителя 15 является выходом устройства 1. Стабилизатор питающего напряжения питания 17, подключенный к 2, 10, 11, 12, 13, 15, формирует стабилизированные номиналы напряжений, необходимые для питания устройства 1, из входного номинала напряжения питания.
Принципом работы усилителя постоянного тока с гальванической развязкой является известный принцип модуляции-демодуляции (МДМ). Входной сигнал постоянного тока в модуляторе 6 преобразуется в переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна величине входного сигнала, а частота определяется частотой, заданной генератором управляющих импульсов. Переменное напряжение прикладывается к первичной обмотке 7 сигнального трансформатора 8. Управляющие сигналы от генератора тактовых частот 2 передаются на управляющие входы модулятора 6 через питающий трансформатор 4 и на управляющие входы устройства выборки и хранения 13, выполняющего функцию демодуляции (преобразования переменного сигнала в постоянный), напрямую. Использование в качестве демодулятора фазочувствительного устройства выборки и хранения позволяет исключить разбаланс коэффициентов преобразования положительной и отрицательной полуволн модулированного сигнала, увеличить частоту преобразования усилителя, что значительно увеличивает быстродействие устройства и позволяет преобразовывать более широкий частотный диапазон изменяющихся входных сигналов, а также позволяет значительно снизить габаритно-массовые характеристики устройства за счет использования менее габаритных импульсных трансформаторов для гальванической развязки. На вторичной обмотке 9 сигнального трансформатора 8 образуется сигнал в виде меандра с амплитудой пропорциональной амплитуде входного сигнала. Полученный сигнал усиливается усилителем переменного тока 10, выполненного с использованием дифференциальных операционных усилителей во всех каскадах усилителя, и передается на вход устройства выборки и хранения 13, выполняющего демодуляцию сигнала. Использование дифференциальных операционных усилителей с входными полевыми транзисторами и автокомпенсацией смещения нуля позволяет снизить величину и дрейф напряжения смещения нуля устройства. На выходе устройства выборки и хранения 13 образуется сигнал постоянного тока, пропорциональный входному сигналу, причем коэффициент пропорциональности равен произведению коэффициентов усиления усилителя переменного тока и устройства выборки и хранения.
В усилителе 1 размещены устройство регулировки напряжения смещения нуля 11, которое позволяет исключить погрешность смещения нулевого уровня и обеспечить требуемое значение смещения диапазона изменения выходного сигнала от входного, и устройство регулировки коэффициента усиления усилителя переменного тока 12.
Использование усилителя постоянного тока с гальванической развязкой, содержащего генератор управляющих импульсов, выходы которого подключены к первичной обмотке питающего трансформатора, вторичная обмотка питающего трансформатора подключена к управляющим выводам модулятора, вход которого является входом устройства, при этом выходы модулятора подключены к первичной обмотке сигнального трансформатора, вторичная обмотка сигнального трансформатора подключена к дифференциальному входу усилителя переменного тока, к которому подключены устройство регулировки напряжения смещения нуля и устройство регулировки коэффициента усиления, выход усилителя переменного тока подключен ко входу устройства выборки и хранения, выход которого подключен к фильтру нижних частот и буферному усилителю, выход буферного усилителя является выходом устройства, позволяет увеличить быстродействие, точность и стабильность настройки и преобразования, уменьшить нелинейность регулировочной характеристики, снизить габаритно-массовые показатели, количество номиналов питающего напряжения и потребляемую мощность, что в значительной мере упрощает его эксплуатацию в составе преобразовательной аппаратуры.