Многоканальный компаратор напряжения с гальванически изолированными каналами
MULTICHANNEL VOLTAGE COMPARATOR WITH GALVANIC ISOLATED CHANNELS

Изобретение относится к системам автоматического управления и контроля, в частности, для фиксации случая выхода напряжения гальванически изолированных или находящихся под разными потенциалами источников напряжения за установленные значения.
Наиболее близким по технической сути является гальванически изолированный компаратор напряжения с питанием от входного сигнала по патенту №2540808, содержащий регулируемый стабилитрон, диодную оптопару, КМОП микросхему с триггером Шмитта и пять резисторов, обеспечивающий гальваническую развязку от входного сигнала и не требующий изолированного источника питания.
Недостатком данного компаратора напряжения является фиксированный уровень напряжения компарирования с большим значением минимального уровня напряжения компарирования, определяемым падением напряжения на регулируемом стабилитроне (2,5В), светодиоде оптопары (примерно 1,5В) и токозадающем резисторе светодиода оптрона.
Цель изобретения - создать многоканальный компаратор напряжения с гальванически изолированными каналами, не требующими дополнительных источников напряжения питания и устанавливаемыми уровнями компарирования напряжения по интерфейсу, индивидуально для каждого канала.
Предлагается многоканальный компаратор напряжения с гальванически изолированными каналами, содержащий генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик номера контролируемых каналов, дешифратор, ЦАП, ОЗУ кодов значений контролируемых напряжений и кода вида контроля, компаратор напряжения, цифровой логический элемент «Исключающее ИЛИ», триггер фиксации случая выхода контролируемого входного напряжения за установленное значение, аналоговый мультиплексор, шину запуска устройства, магистраль опроса контролируемых напряжений, магистраль установки уровня компарирования контролируемого напряжения, резисторы, ограничивающие бросок входных токов от изменения входных напряжений, оптопары транзисторные, конденсаторы, диоды защиты от обратного входного напряжения, импульсные трансформаторы, переменные резисторы.
Основное назначение многоканального компаратора напряжения с гальванически изолированными каналами - поочередный контроль напряжения различных источников и фиксация случая выхода напряжения контролируемого источника напряжения за установленное для него значение.
На чертеже представлена структурная схема многоканального компаратора напряжения с гальванически изолированными каналами.
На чертеже изображены:
1 - резистор, ограничивающий броски входного тока при изменении входного напряжения;
2 - оптопара транзисторная;
3 - конденсатор;
4 - диод защиты от обратного входного напряжения;
5 - импульсный трансформатор;
6 - переменный резистор;
7 - аналоговый мультиплексор;
8 - двоичный счетчик номера контролируемых каналов;
9 - генератор тактовых импульсов;
10 - дешифратор;
11 - ОЗУ кодов значений уровня компарирования контролируемых напряжений и кода вида контроля;
12 - ЦАП;
13 - компаратор напряжения;
14 - цифровой логический элемент «Исключающее ИЛИ»;
15 - триггер фиксации случая выхода контролируемого входного напряжения за установленное значение;
Uвx.1 - Uвx.n - измерительные входы;
OV.1 - OV.n - общие выводы измерительных входов;
+U - питающие напряжение устройства;
OV - общий вывод устройства;
Пуск - шина запуска устройства;
М - магистраль выбора контролируемого напряжения;
N - магистраль опроса контролируемого напряжения;
Н - магистраль кода предельного значения контролируемого напряжения;
Отказ - сигнал выхода напряжения в контролируемом канале за установленное значение напряжения компарирования.
Многоканальный компаратор напряжения с гальванически изолированными каналами работает следующим образом.
В каждом канале многоканального компаратора конденсатор 3 через измерительный вход и резистор 1 заряжается до напряжения подключенного источника напряжения. Низкий логический уровень сигнала в шине Пуск держит в исходном состоянии двоичный счетчик номера контролируемых каналов 8, триггер фиксации случая выхода контролируемого напряжения за установленное значение 15 и блокирует работу генератора тактовых импульсов 9.
Многоканальный компаратор напряжения с гальванически изолированными каналами начинает работать при переключении в высокий логический уровень сигнала в шине Пуск. Совпадение разрешающих сигналов на входах генератора тактовых импульсов 9 запустит генератор. Двоичный счетчик номера контролируемых каналов 8 установит в магистрали выбора контролируемого напряжения М код первого канала. По коду в магистрали М ОЗУ кодов значений уровня компарирования контролируемых напряжений и кода вида контроля 11 установит код значения напряжения компарирования в магистрали Н и код вида контроля для первого канала, аналоговый мультиплексор 7 подключит к прямому входу компаратора напряжения 13 первый канал, дешифратор 10 подготовит к включению оптопару транзисторную 2 первого канала. ЦАП 12 по коду в магистрали предельного значения контролируемого напряжения Н установит на инверсном входе компаратора 13 напряжение компарирования для первого канала.
Дешифратор 10 по низкому уровню импульса с выхода генератора тактовых импульсов 9 включит оптопару транзисторную 2 первого канала, транзистор которой подключит конденсатор 3 первого канала к первичной обмотки импульсного трансформатора 5 первого канала. На вторичной обмотке импульсного трансформатора 5 первого канала сформируется импульс напряжения с амплитудой, пропорциональной входному напряжению первого канала. Импульс напряжения через переменный резистор 6 первого канала, служащий для компенсации разброса коэффициента передачи импульсного трансформатора 5, и аналоговый мультиплексор 7 поступит на прямой вход компаратора 13. На время превышения напряжения импульса с аналогового мультиплексора 7 напряжения компарирования для первого канала, установленного на инверсном входе компаратора 13, на выходе последнего сформируется высокий логический уровень.
Цифровой логический элемент «Исключающее ИЛИ» 14 определяет вид контроля канала. Если в ОЗУ кода вида контроля 11 для данного канала заложен логический 0, то на выходе логического элемента «Исключающее ИЛИ» 14 будет логическая 1 при логической 1 на выходе компаратора 13, следовательно, данный канал фиксирует превышение входным напряжением установленного значения напряжения компарирования для данного канала. Если в ОЗУ кода вида контроля 11 для данного канала заложена логическая 1, то на выходе логического элемента «Исключающее ИЛИ» 14 будет логическая 1 при логическом 0 на выходе компаратора 13, следовательно данный канал фиксирует снижение входного напряжения ниже установленного значения напряжения компарирования для данного канала.
Фронт отрицательного импульса с генератора тактовых импульсов 9 запишет результат контроля в триггер фиксации случая выхода контролируемого напряжения за установленное значение 15 и увеличит значение кода в двоичном счетчике номера контролируемого канала 8 на 1. Если в триггер фиксации случая выхода контролируемого напряжения за установленное значение 15 записан 0, что соответствует нахождению напряжения на входе контролируемого канала в допуске, следующий импульс с генератора тактовых импульсов 9 запустит контроль напряжения в следующем канале. Запись в триггер фиксации случая выхода контролируемого напряжения за установленное значение 15 логической 1 соответствует нахождению напряжения на входе контролируемого канала вне допуска. Эта логическая 1 по инверсному входу генератора тактовых импульсов 9 блокирует его работу и работу многоканального компаратора напряжения с гальванически изолированными каналами.
Время опроса одного канала в многоканальном компараторе напряжения с гальванически изолированными каналами зависит от параметров оптопары транзисторной 2, импульсного трансформатора 5 и составляет несколько мкс. Длительность паузы, при обращении к одному каналу, зависящая от количества каналов в многоканальном компараторе напряжения, должна обеспечить заряд конденсатора 3 через резистор 1 до напряжения контролируемого источника напряжения.
При необходимости контроля источника напряжения по максимальному и минимальному значениям используют два канала многоканального компаратора. В одном канале устанавливается вид контроля на превышение контролируемого напряжения установленного верхнего значения напряжения, в другом - на снижение контролируемого напряжения ниже установленного нижнего значения. При необходимости контроля источника напряжения по максимальному и минимальному значениям в двухполярном диапазоне используют два канала многоканального компаратора и в одном канале меняют местами выводы Uвx. и OV. Для защиты канала от обратного входного напряжения служит диод 4.
Гальваническая изоляция каждого канала в многоканальном компараторе напряжения осуществляется импульсным трансформатором 5 и оптопарой транзисторной 2.