УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СИГНАЛОВ
DEVICE FOR SIGNAL MONITORING

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве контрольно-сигнального устройства для контроля квазистатических и низкочастотных параметров состояния машин в процессе эксплуатации.
Известно устройство для контроля вибрации (авт. св. SU №1346949 «Устройство для контроля вибрации», МПК G01H 11/06, авторы А.П.Корнилов, И.В.Кукушкин, опубл. 23.10.87, бюл. №39), содержащее последовательно соединенные виброизмерительный преобразователь (например, пьезорезистивный или интегральный MEMS-преобразователь), усилитель, выпрямитель, индикатор амплитуды, пороговый блок, вход которого соединен с выходом усилителя, делитель частоты, вход которого подключен к выходу порогового блока, и индикатор аварийной сигнализации, вход которого подключен к выходу делителя частоты.
Недостатки устройства:
- не может быть использовано для контроля, выявления аварийной ситуации при понижении (повышении) среднего значения напряжения измерительного преобразователя ниже (выше) заданного уровня из-за отсутствия усредняющего активного фильтра нижних частот, выделяющего на пороговый блок напряжение в диапазоне частот от 0 до 1 Гц на фоне более высокочастотного широкополосного сигнала значительной амплитуды или сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);
- ложные срабатывания при отсутствии аварийной ситуации из-за наличия ложных импульсов на выходе порогового блока при включении и выключении измерительного преобразователя и источника питания за счет отсутствия принудительного удержания порогового блока в исходном состоянии.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для контроля сигнала (ж. Схемотехника, №1, 2003 г., статья «Модуль аналого-цифрового преобразователя SHD-ADC/485» авторов С.Якорева и др., стр.38, рис.4), содержащий входную шину, подключенную через интегрирующую RC-цепь к последовательно соединенным первому и второму резисторам, включенным между выходом интегрирующей RC-цепи и входом первого операционного усилителя, выход которого подключен через первый конденсатор к точке объединения первого и второго резисторов, а также второй конденсатор, первый вывод которого подключен к входу первого операционного усилителя, а второй - к общей шине, выход первого операционного усилителя подключен через первый резистивный делитель напряжения к общей шине, средняя точка первого резистивного делителя напряжения подключена к первому входу второго операционного усилителя, выход второго операционного усилителя подключен через второй резистивный делитель напряжения к цепи смещения, средняя точка второго резистивного делителя напряжения подключена ко второму входу второго операционного усилителя, выход которого подключен к шине среднего значения. Шины питания первого и второго операционных усилителей подключены к источникам положительного и отрицательного питающего напряжения. Входная шина подключена к выходу измерительного преобразователя.
Недостатки устройства для контроля сигнала:
- ограниченные функциональные возможности, т.к. оно не может быть использовано для контроля, выявления аварийной ситуации в машине при понижении (повышении) среднего значения напряжения на входной шине ниже (выше) заданного порогового уровня из-за отсутствия устройства фиксации порогового уровня;
- большое время готовности и низкая помехозащищенность из-за большого времени установления начального напряжения с входной шины на выходе фильтрующего первого операционного усилителя при подаче напряжения на входную шину и шину питания, обусловленное большой постоянной времени RC-цепей, подключенных к первому операционному усилителю (выполняющему функцию фильтра нижних частот Саллена-Ки);
- сложность из-за наличия трех шин: положительного, отрицательного питающего напряжения и общей шины.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей, уменьшении времени готовности и обеспечении помехоустойчивости.
Для достижения данного технического результата в устройстве для контроля сигналов, содержащем входную шину, шины питания и среднего значения, интегрирующую RC-цепь, последовательно соединенные первый и второй резисторы, второй вывод последнего из которых соединен с первым выводом первого конденсатора и входом первого операционного усилителя, выход которого соединен через второй конденсатор с точкой объединения первого и второго резисторов и через первый резистивный делитель с общей шиной, средняя точка первого резистивного делителя соединена с первым входом второго операционного усилителя, второй вход которого соединен со средней точкой второго резистивного делителя, новым является то, что дополнительно введены шины начального напряжения и сигнализации, пороговый элемент, аналоговый ключ с управляющим входом, третий резистор, диод, катод которого соединен с шиной питания и входом интефирующей RC-цепи, выход которой соединен с анодом диода и входом порогового элемента, выход которого соединен с первым выводом второго резистивного делителя и управляющим входом аналогового ключа, вход которого соединен с шиной начального напряжения, а выход - с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого через третий резистор соединен с общей шиной, шина среднего значения соединена с первым входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с шиной сигнализации, второй вывод второго резистивного делителя соединен либо с шиной питания, либо с общей шиной.
Выполнение порогового элемента неинвертирующим, а аналогового ключа с инверсным управляющим входом, при этом второй вывод второго резистивного делителя подключен к общей шине, позволяет определить снижение среднего значения напряжения входной шины ниже предельного уровня.
Выполнение порогового элемента инвертирующим, а аналогового ключа с прямым управляющим входом, при этом второй вывод второго резистивного делителя подключен к шине питания, позволяет определить повышение среднего значения напряжения входной шины выше предельного уровня.
Расширение функциональных возможностей обеспечивается сигнализацией при недопустимом понижении (повышении) среднего значения напряжения, выделенного фильтрацией, до заданного предельного уровня второго операционного усилителя. При этом работоспособность обеспечивается как в нормальном режиме, так и в условиях одновременного включения или выключения напряжений на входной шине, шине питания, шине начального напряжения, что обеспечивается вторым операционным усилителем с подключенными к нему пороговым элементом, интегрирующей RC-цепью с диодом, аналоговым ключом с управляющим входом и третьим резистором.
Уменьшение времени готовности обеспечивается скачкообразным уменьшением времени установления начального напряжения с входной шины на шине среднего значения при одновременном поступлении (включении) напряжения на шину начального напряжения, входную шину и шину питания за счет скачкообразного уменьшения открытым аналоговым ключом с управляющим входом большой постоянной времени RC-цепей, подключенных к фильтрующему первому операционному усилителю, и введения форсирующего третьего резистора, введения порогового элемента, интегрирующей RC-цепи и диода, время включения которых в десятки раз меньше, чем в наиболее близком аналоге.
Обеспечение помехоустойчивости достигается исключением ложных сигналов на шине сигнализации при одновременном включении и выключении напряжений на входной шине, шинах начального напряжения и питания за счет введения принудительного удержания в исходном состоянии второго операционного усилителя (выполняющего роль компаратора порогового уровня) пороговым элементом с подключенной к нему интегрирующей RC-цепью и диодом, быстрого заряда второго конденсатора открытым аналоговым ключом при включении напряжений и медленного его разряда при выключении напряжений на шинах (аналоговый ключ закрыт).
1
3
2
17
17
1
2
4
ПЭ
15
13
14
2
1
3
13
ср
10
10
Функциональная схема устройства для контроля сигналов, контролирующего среднее значение на шине среднего значения и понижение параметра по шине сигнализации, представлена на фиг.1, контролирующего повышение параметра - на фиг.2, соответствующие временные диаграммы работы указанных устройств представлены на фиг.3 и фиг.4. При этом U - напряжение на входной шине; U - среднее значение напряжения на шине среднего значения, выделенного с входной шины после пропускания через резисторы, конденсаторы фильтрующего первого операционного усилителя; U, U - напряжения на шине питания и шине начального напряжения, причем напряжения U=U=1/2U в начале диаграмм; U - напряжение на выходе интегрирующей RC-цепи; U - пороговое напряжение порогового элемента; U - напряжение на выходе порогового элемента; U - предельное напряжение на средней точке второго резистивного делителя; U - импульс напряжения на шине сигнализации, длительность (t-t) которого определяется временем снижения по фиг.3 или превышения по фиг.4 напряжением U предельного напряжения U. Сигналы на входной шине, полученные с аналоговых измерительных преобразователей или с измерительного преобразователя с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ импульсным сигналом, в котором амплитуда импульсов постоянна, но изменяется скважность), и временная которого представлена на фиг.5. Этот сигнал также характеризуется наличием среднего значения напряжения U=U (где U - напряжение на выходе фильтрующего первого операционного усилителя).
Устройство для контроля сигналов (фиг.1, фиг.2) содержит входную шину 1, шины питания 2 и среднего значения 3, интегрирующую RC-цепь 4, первый 5, второй 6 и третий 7 резисторы, первый 8 и второй 9 конденсаторы, первый 10 и второй 11 операционные усилители, первый 12 и второй 13 резистивные делители, шину 14 сигнализации, пороговый элемент 15, аналоговый ключ 16 с управляющим входом, шину 17 начального напряжения, диод 18.
Входная шина 1 соединена с последовательно соединенными первым 5 и вторым 6 резисторами, второй вывод последнего из которых соединен с входом первого операционного усилителя 10 и через последовательно соединенные первый конденсатор 8 и третий резистор 7 - с общей шиной. Выход первого операционного усилителя 10 соединен через второй конденсатор 9 с точкой объединения первого 5 и второго 6 резисторов и через первый резистивный делитель 12 - с общей шиной. Средняя точка первого резистивного делителя 12 соединена с шиной 3 среднего значения и первым входом второго операционного усилителя 11, второй вход которого соединен со средней точкой второго резистивного делителя 13. Выход второго операционного усилителя 11 соединен с шиной 14 сигнализации. Катод диода 18 соединен с шиной питания 2 и входом интегрирующей RC-цепи 4, выход которой соединен с анодом диода 18 и входом порогового элемента 15. Выход порогового элемента 15 соединен с первым выводом второго резистивного делителя 13 и управляющим входом аналогового ключа 16, вход которого соединен с шиной начального напряжения 17. Выход аналогового ключа 16 соединен с первым выводом первого конденсатора 8. Второй вывод второго резистивного делителя 13 соединен либо с шиной 2 питания (фиг.2), либо с общей шиной (фиг.1).
Цепь питания измерительного преобразователя, подключенного к входной шине 1 (на фиг.1, фиг.2 не показан), подключена к шине питания 2.
Интегрирующая RC-цепь 4 выполнена на последовательно соединенных резисторе 19 и конденсаторе 20, точка объединения которых является выходом RC-цепи.
3
13
Пороговый элемент 15 (фиг.1) выполнен неинвертирующим на последовательно соединенных ограничительном резисторе 21, первый вывод которого является входом порогового элемента 15, и логических элементах НЕ 22 и 23, выход последнего из которых является выходом порогового элемента 15. Аналоговый ключ 16 (фиг.1) выполнен на последовательно соединенных резисторе 24, первый вывод которого является инверсным управляющим входом аналогового ключа 16, и pnp-транзисторе 25, эмиттер которого является входом, а коллектор - выходом аналогового ключа 16. Второй вывод второго резистивного делителя 12 напряжения подключен к общей шине (фиг.1), что позволяет выдать сигнал по шине 14 сигнализации при снижении среднего значения напряжения U с входной шины 1 (измерительного преобразователя) ниже предельного уровня U. При необходимости упрощения аналоговый ключ 16 с инверсным управляющим входом может быть выполнен на одном из элементов микросхемы типа 590КН5.
3
13
Пороговый элемент 15 (фиг.2) выполнен инвертирующим на последовательно соединенных ограничительном резисторе 21, первый вывод которого является входом порогового элемента 15, и логическом элементе НЕ 22, выход которого является выходом порогового элемента 15. Аналоговый ключ 16 (фиг.2) выполнен на последовательно соединенных логическом элементе 23, вход которого является прямым управляющим входом аналогового ключа 16, резисторе 24 и pnp-транзисторе 25, эмиттер которого является входом, а коллектор - выходом аналогового ключа 16. Второй вывод второго резистивного делителя 13 напряжения подключен к шине 2 питания, что позволяет выдать сигнал по шине 14 сигнализации при повышении среднего значения напряжения U с входной шины 1 (измерительного преобразователя) выше предельного уровня U. При необходимости упрощения аналоговый ключ 16 с прямым управляющим входом может быть выполнен на одном из элементов микросхемы типа 564КТ3.
Первый резистивный делитель 12 выполнен на последовательно соединенных резисторах 26 и 27, точка объединения которых является средней точкой резистивного делителя 12.
Второй резистивный делитель 13 выполнен на последовательно соединенных резисторах 28 и 29, точка объединения которых является средней точкой резистивного делителя 13.
Первый операционный усилитель 10 является неинвертирующим повторителем напряжения и выполнен на дифференциальном операционном усилителе 30, неинвертирующий вход которого является входом первого операционного усилителя 10, выход дифференциального операционного усилителя 30 через диод 31 подключен к его инвертирующему входу, катод диода 31 является выходом первого операционного усилителя 10. Наличие диода 31 обеспечивает снижение до нуля напряжения насыщения дифференциального операционного усилителя 30 при его однополярном питании и нулевом сигнале на неинвертирующем входе. В случае использования Rail-to-Rail операционного усилителя диод 31 не нужен.
14
По сути, интегрирующая RC-цепь 4 с диодом 18 и пороговый элемент 15 являются цифровой схемой установки нуля. Резисторы 5, 6, конденсаторы 8, 9, первый операционный усилитель 10 в совокупности являются фильтром нижних частот 2-го порядка Саллена-Ки с вновь введенным форсирующим резистором 7. Второй операционный усилитель 11 выполняет функцию дифференциального компаратора напряжения, выдающего сигнал U на шину 14 сигнализации.
Цепи питания первого 10 и второго 11 операционных усилителей могут быть подключены к шине 2 питания и общей шине или другим шинам положительного и отрицательного питающего напряжения (на фиг.1, фиг.2 не показаны).
Устройство для контроля сигнала измерительного преобразователя (фиг.1) работает следующим образом.
2
17
1
13
4
15
13
1
1
1
17
10
13
3
ПЭ
4
ПЭ
15
3
13
4
15
13
13
3
В исходном состоянии в момент 0 одновременно подаются напряжения на шину 2 питания, шину 17 начального напряжения, входную шину 1 (см. U, U и U на фиг.3). На выходе интегрирующей RC-цепи 4 нарастающее с нуля экспоненциальное напряжение, на выходе порогового элемента 15 и на неинвертирующем входе второго операционного усилителя 11 нулевое напряжение U (см. U, U и U на фиг.3). Нулевым напряжением с выхода порогового элемента 15 открыт и насыщен аналоговый ключ 16, вследствие чего скачок напряжения с шины 17 начального напряжения, равный начальному напряжению U в момент 0, обеспечивает быстрый заряд конденсатора 8 за счет скачка напряжения на резисторе 7 и малой величины постоянной времени резистора 7 и конденсатора 8 до уровня начального постоянного напряжения U на входной шине 1, при этом U=U=U - напряжение на выходе первого операционного усилителя 10. Т.к. операционный усилитель 10 является неинвертирующим повторителем напряжения, то потенциалы на выводах конденсатора 9 равны и конденсатор 9 сохраняет нулевое напряжение (не требует форсированной зарядки, в отличие от конденсатора для данного типа фильтра Саллена-Ки). Т.к. напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя 11 (см. U на фиг.3) меньше напряжения на его инвертирующем входе (см. U на фиг.3), то на выходе операционного усилителя 11 нулевое напряжение, что обеспечивает отсутствие ложного сигнала на шине 14 сигнализации в момент включения и далее до момента t1. В момент t0 напряжение на выходе интегрирующей RC-цепи 4 достигает порогового значения U порогового элемента 15 (см. U и U на фиг.3), на выходе его при этом логическая единица (см. U на фиг.3 в момент t0), на средней точке резистивного делителя 13 положительное напряжение, величина которого меньше, чем значение напряжения на шине 3 среднего значения, поэтому на шине 14 сигнализации нулевое напряжение. В момент t1 напряжение U на средней точке резистивного делителя 12 достигает величины напряжения U на средней точке резистивного делителя 13, поэтому на шине 14 сигнализации появляется положительное напряжение, сигнализирующее о достижении предельного значения. В момент t2 одновременно снимаются напряжения с шины 2 питания, шины 17 начального напряжения, входной шины 1, при этом первый 10 и второй 11 операционные усилители могут оставаться запитанными. На выходе интегрирующей RC-цепи 4 и выходе порогового элемента 15 и инвертирующем входе второго операционного усилителя 11 возникает нулевое напряжение (см. U, U и U на фиг.3 в момент t2) за счет быстрого разряда конденсатора 20 через диод 18. Т.к. напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя 11 (см. U на фиг.3) меньше напряжения на его инвертирующем входе (см. U в момент t2 на фиг.3) за счет медленного разряда конденсатора 9, то на выходе операционного усилителя 11 нулевое напряжение, что обеспечивает отсутствие ложного сигнала на шине 14 сигнализации.
Устройство для контроля сигналов (фиг.2) работает следующим образом.
2
17
1
4
15
13
1 нач
1 нач
1 нач
17
10
13
3
ПЭ
4
ПЭ
15
15
13
3
13
14
4
4
15
13
12
3
В исходном состоянии в момент 0 одновременно подаются напряжения на шину 2 питания, шину 17 начального напряжения, входную шину 1 (см. U, U и U на фиг.4). На выходе интегрирующей RC-цепи 4 нарастающее с нуля экспоненциальное напряжение. На выходе порогового элемента 15 и инвертирующем входе второго операционного усилителя 11 положительное напряжение (см. U, U и U на фиг.4 в момент t0). Положительным напряжением с выхода порогового элемента 15 открыт и насыщен аналоговый ключ 16, вследствие чего скачок напряжения с шины 17 начального напряжения, равный начальному напряжению U в момент 0, обеспечивает быстрый заряд конденсатора 8 за счет скачка напряжения на резисторе 7 и малой величины постоянной времени резистора 7 и конденсатора 8 до уровня начального постоянного напряжения U на входной шине 1, при этом U=U=U - напряжение на выходе первого операционного усилителя 10. Т.к. операционный усилитель 10 является неинвертирующим повторителем напряжения, конденсатор 9 сохраняет нулевое напряжение и не требует форсированной зарядки для данного типа фильтра Саллена-Ки. Т.к. напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 11 (см. U на фиг.4) больше напряжения на его неинвертирующем входе (см. U на фиг.4), то на выходе операционного усилителя 11 нулевое напряжение, что обеспечивает отсутствие ложного сигнала на шине 14 сигнализации в момент включения и далее до момента t1 (нулевой сигнал на выходе операционного усилителя 11 по фиг.2 получается заменой его инвертирующего и неинвертирующего по фиг.1 входов). В момент t0 напряжение на выходе интегрирующей RC-цепи 4 достигает порогового значения U порогового элемента 15 (см. U и U на фиг.4 в момент t0), на выходе его при этом логический ноль (см. U на фиг.4 в момент t0). На средней точке резистивного делителя 13 уменьшенное за счет нулевого напряжения U, но достаточно большое положительное напряжение U, величина которого больше, чем значение напряжения на шине 3 среднего значения, поэтому на шине 14 сигнализации нулевое напряжение. В момент t1 напряжение U на средней точке резистивного делителя 12 достигает величины напряжения U на средней точке резистивного делителя 13, поэтому на шине 14 сигнализации появляется положительное напряжение U, сигнализирующее о достижении предельного значения. В момент t2 одновременно снимаются напряжения с шины 2 питания, шины 17 начального напряжения, входной шины 1 (при этом первый 10 и второй 11 операционные усилители могут оставаться запитанными). На выходе интегрирующей RC-цепи 4 возникает нулевое напряжение U, на выходе порогового элемента 15 и инвертирующем входе второго операционного усилителя 11 большое положительное напряжение (см. U, U и U на фиг.4 в момент t2). Т.к. напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 11 (см. U на фиг.4) больше напряжения на его неинвертирующем входе (см. U на фиг.4 в момент t2) за счет медленного разряда конденсатора 8, то на выходе операционного усилителя 11 нулевое напряжение, что обеспечивает отсутствие ложного сигнала на шине 14 сигнализации.
ср
10
10
Временная диаграмма на входной шине 1 с ШИМ импульсным сигналом представлена на фиг.5, она также характеризуется наличием среднего значения напряжения U=U, где U - напряжение на выходе первого операционного усилителя 10, как и измерительные преобразователи с аналоговым напряжением. В остальном работа идентична.
Расширение функциональных возможностей обеспечивается дополнительной сигнализацией при понижении (повышении) среднего значения медленно меняющегося напряжения (выделенного фильтрацией) с входной шины 1 (см. фиг.1, фиг.2) ниже (выше) заданного предельного уровня в момент t1 (см. фиг.3, фиг.4) из-за введения блока фиксации порогового уровня (на элементах 15, 4, 18, 7, 16, 11), работоспособного как в нормальном режиме, так и в условиях одновременного включения/выключения шин 1, 2, 17, что обеспечивается пороговым элементом 15, интегрирующей RC-цепью 4 и диодом 18, аналоговым ключом 16 с управляющим входом и резистором 7.
Уменьшение времени готовности обеспечивается скачкообразным уменьшением времени установления начального напряжения с входной шины 1 на шине 3 среднего значения при поступлении (включении) напряжения на входную шину 1, шину 2 питания, шину 17 начального напряжения за счет исключения аналоговым ключом 16 с управляющим входом большой постоянной времени RC-цепей на элементах 5, 6, 8, подключенных к первому операционному усилителю 10, и введения форсирующего третьего резистора 7, способствующего скачкообразному уменьшению времени установления, введения порогового элемента 15, интегрирующей RC-цепи 4 и диода 18, время включения которых в десятки раз меньше, чем в наиболее близком аналоге. При этом заряд конденсатора 9 не требуется из-за выявленной вновь особенности структуры фильтра Саллена-Ки.
Обеспечение помехоустойчивости достигается исключением ложных срабатываний второго операционного усилителя 11 (из блока фиксации порогового уровня) при отсутствии аварийной ситуации при включении и выключении напряжений на входной шине 1, шинах 2 питания и 17 начального напряжения за счет вновь введенного принудительного удержания в исходном состоянии второго операционного усилителя 11 (выполняющего роль компаратора напряжения в блоке фиксации порогового уровня) пороговым элементом 15 с подключенной к нему интегрирующей RC-цепью 4 и диодом 18, быстрого заряда первого конденсатора 8 аналоговым ключом 16 при включении и медленного его разряда при выключении шин 1, 2, 17.
1 нач
2
Для подтверждения работоспособности собран макет устройства для контроля сигналов измерительного преобразователя, выполненный на транзисторе 25 типа 2Т3108А, диоде 18 2Д522Б, конденсаторах типа К10-43В, резисторах и резистивных делителях типа P1-12±0,5%, ОУ типа 1463УД4У, микросхеме типа 564ЛА7. В качестве измерительных преобразователей, подключенных к входной шине 1 и шине 2 питания, применены используемые в системах безопасности автомобилей микросхемы типа ADXL278, ADXRS300 (ф. Analog Devices), особенностью которых является начальное напряжение U на шине 1 измерительного преобразователя, равное половине напряжения питания U с шины питания 2 и напряжению на шине 17 начального напряжения.
Испытания макета устройства для контроля сигнала подтвердили его работоспособность и достижение заявленного технического результата.