МНОГОЗОННЫЙ РАЗВЕРТЫВАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
MULTI-ZONE ROLL-OUT CONVERTER

Устройство относится к области вычислительной техники и может использоваться для потенциального разделения цепей постоянного тока в качестве датчиков обратных связей, например, тока и напряжения.
Известна трансформаторная потенциальная развязка входной цепи, построенная по принципу «модулятор - демодулятор» (М-ДМ) с постоянной частотой несущих колебаний (Артым А.Д. Усилители класса демодулятор / А.Д.Артым. - М.: Знание, 1971. - 32 с., Полонников Д.Е. Решающие усилители / Д.Е.Полонников. - М.: Энергия, 1973. - 248 с.; Суворов Г.В.).
Недостатком известного устройства является его низкая помехоустойчивость в области частот замедленной дискретизации, когда частота сигнала внешней помехи превышает частоту несущих колебаний М-ДМ.
Известно устройство для потенциального разделения канала «вход-выход» на базе оптоэлектронных преобразователей (Конюхов Н.Е. Оптоэлектронные измерительные преобразователи / Н.Е.Конюхов, А.А.Плюют, В.И.Шаповалов. - Л.: Энергия, 1977. - 179 с.), содержащее генератор «пилы», релейный элемент и сумматор, а также оптопары.
К недостаткам устройства следует отнести низкую полосу пропускания, а также высокий уровень ошибок в области частот замедленной дискретизации.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является развертывающий усилитель, содержащий сумматоры, интегратор, релейный элемент (SU 1183988 A1, G06G 7/12. Опубл. 07.10.85, Бюл. №37). Для повышения точности работы в него введена группа, состоящая из четного числа релейных элементов. Такая структура развертывающего усилителя повышает его надежность в целом, так как позволяет распределить равномерно между всеми релейными элементами число их включений, приходящихся на единицу времени.
Недостатком устройства является ограниченная область применения из-за отсутствия контура потенциального разделения канала «вход-выход».
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в расширении области применения многозонного развертывающего преобразователя (МРП), реализованного на базе развертывающего усилителя, а также в создании МРП с потенциально разделенным входом и повышении точности и помехоустойчивости.
Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемый многозонный развертывающий преобразователь, содержащий первый источник электропитания, последовательно включенные источник входного сигнала и развертывающий усилитель, состоящий из последовательно включенных первого сумматора и интегратора, выход которого подключен к группе из n-го числа основных релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число, выходы которых подключены ко второму сумматору, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, выход первого источника электропитания подключен к развертывающему усилителю, а именно к клеммам электропитания первого и второго сумматоров, интегратора и к клеммам электропитания основных релейных элементов, согласно изобретению введен выходной каскад, состоящий из (n≥3) - нечетного числа дополнительных оптопар, последовательно включенных с дополнительными релейными элементами, и третьего сумматора, а также второй источник электропитания, причем выходы (n≥3) основных релейных элементов подключены к входам соответствующих дополнительных оптопар, а выходы всех дополнительных релейных элементов соединены с входами третьего сумматора, выход которого подключен к выходной клемме устройства, при этом выход второго источника электропитания подключен к выходному каскаду, а именно к клеммам электропитания дополнительных оптопар, дополнительных релейных элементов и третьего сумматора.
Особенностью изобретения является то, что в МРП введен выходной каскад, состоящий из (n≥3) - нечетного числа дополнительных оптопар, последовательно включенных с дополнительными релейными элементами, и третьего сумматора, причем выходы (n≥3) основных релейных элементов подключены к входам соответствующих дополнительных оптопар, а выходы всех дополнительных релейных элементов соединены с входами третьего сумматора, выход которого подключен к выходной клемме устройства. В устройство введен второй источник электропитания, выход которого подключен к выходному каскаду, а именно к клеммам электропитания дополнительных оптопар, дополнительных релейных элементов и третьего сумматора.
Благодаря введению оптопар в изобретении осуществляется потенциальное разделение канала «вход-выход». Это дополнительно расширяет область применения МРП, в частности позволяет выполнять МРП функции датчиков обратной связи, например тока и напряжения. Реализация устройства в соответствии с предложенной формулой изобретения позволяет сохранить свойства многозонной интегрирующей системы, сформировать на выходе устройства многозонный-частотно-широтно-импульсный сигнал и обеспечить высокую точность и помехоустойчивость устройств, созданных на базе МРП.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1 - структурная схема предлагаемого МРП;
Фиг.2 - передаточная характеристика основных релейных элементов;
Фиг.3 - временная диаграмма, поясняющая работу основных релейных элементов и оптопар;
Фиг.4а-е - временные диаграммы сигналов МРП.
В состав устройства входят (фиг.1) последовательно включенные источник входного сигнала, развертывающий усилитель (РУ) и подключенный к нему выходной каскад (ВК), а также два источника питания.
К источнику входного сигнала 1 последовательно подключен развертывающий усилитель, который состоит из последовательно включенных первого сумматора 2, интегратора 3, группы основных релейных элементов 4, 5, 6…n и второго сумматора 7. Выход интегратора подключен к группе из n-го числа основных релейных элементов 4, 5, 6…n, число которых n≥3 - нечетное число, а выходы всех основных релейных элементов подключены ко второму сумматору 7, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора 2. К клеммам электропитания первого и второго сумматоров 2 и 7, интегратора 3 и к клеммам электропитания основных релейных элементов 4, 5, 6…n подключен выход первого источника электропитания 8.
Выходной каскад состоит из последовательно включенных: (n≥3) - нечетного числа дополнительных оптопар 9, 10, 11…n и дополнительных релейных элементов 12, 13, 14…n, а также третьего сумматора 15. Выходы (n≥3) основных релейных элементов 4, 5, 6…n подключены к входам соответствующих дополнительных оптопар 9, 10, 11…n, а выходы всех дополнительных релейных элементов 12, 13, 14…n соединены с входами третьего сумматора 15, выход которого является выходом многозонного развертывающего преобразователя. К клеммам электропитания дополнительных оптопар 9, 10, 11…n, дополнительных релейных элементов 12, 13, 14…n и третьего сумматора 15 подключен выход второго источника электропитания 16.
Блоки устройства имеют следующие характеристики.
Сумматоры 2, 7 и 15 имеют линейную неинвертирующую характеристику «вход-выход» и единичный коэффициент передачи по каждому из входов.
И
Интегратор 3 имеет передаточную функцию вида , где Т - постоянная времени. При скачке входного сигнала, например, положительной полярности выходной сигнал интегратора 3 изменяется линейно со знаком, противоположным знаку входного воздействия.
i
Основные релейные элементы (РЭ) 4, 5, 6…n имеют симметричную относительно нуля неинвертирующую петлю гистерезиса (фиг.2) с порогами переключения ±b. При этом выходной сигнал РЭ 4, 5, 6…n меняется дискретно в пределах ±А/n, где n≥3 - нечетное число. Пороги переключения РЭ удовлетворяют условию , где индекс при «b» соответствует порядковому номеру РЭ 4, 5, 6…n.
Оптопары 9, 10, 11…n могут быть выполнены на базе диодов, транзисторов и других элементов. Принцип действия устройства рассмотрен применительно для оптодиодов. Токи, протекающие через диоды VD1, VD2, в каждой оптопаре 9, 10, 11…n, ограничиваются резисторами R1-R3 (фиг.1).
Число дополнительных релейных элементов 12, 13, 14…n соответствует числу основных релейных элементов 4, 5, 6…n развертывающего усилителя (РУ). Для повышения помехоустойчивости устройства релейные элементы 12, 13, 14…n выполнены с гистерезисом, что снижает вероятность их ложных переключений под действием внешних помех, амплитуда которых превышает величину сигнала на выходе оптопар 9, 10, 11…n.
Источники электропитания 8 и 16 потенциально разделены. Первый источник 8 питает блоки развертывающего усилителя (сумматоры 2 и 7, интегратор 3 и основные релейные элементы 4, 5, 6…n), а второй источник 16 - оптопары 9, 10, 11…n, дополнительные релейные элементы 12, 13, 14…n и сумматор 15.
На фиг.1-4 введены следующие обозначения:
ВХ
Х - сигнал на выходе источника 1;
И
Т - постоянная времени интегратора 3;
Pi
Y(t) - сигнал на выходе соответствующего релейного элемента 4, 5, 6…n (i=1…n);
VD1, VD2 - оптопара;
R1-R3 - резисторы;
П1
±U - сигнал на выходе первого источника электропитания 8;
П2
±U - сигнал на выходе второго источника электропитания 16.
Устройство работает следующим образом.
Блоки 2, 3, 4, 5, 6…n, 7 (фиг.1) в совокупности образуют развертывающий усилитель (РУ) с частотно-широтно-импульсной модуляцией.
Блоки 9, 10, 11…n, 12, 13, 14…n, 15 (фиг.1) в совокупности образуют выходной каскад (ВК).
ВЫХ
Здесь и далее считаем, что коэффициент передачи МРП со стороны входа равен единице, а изменение уровня входного сигнала совпадает с началом очередного цикла развертывающего преобразования (смены знака производной выходного сигнала Y(t)).
При рассмотрении принципа действия устройства ограничимся числом основных релейных элементов n=3.
ВХ
0
И
01
02
И
И
1
И
1
P2
P3
ВЫХ
ВХ
0
0
ВЫХ
При включении МРП и нулевом входном сигнале Х (фиг.4, промежуток времени t<t) РЭ 4, 5, 6 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +А/3 (фиг.4, в-д). Под действием сигнала развертки Y(t) с выхода интегратора 3 (фиг.4, б) происходит последовательное переключение в положение -А/3 блоков 4, 5 (фиг.4, в, г, моменты времени t, t), после чего меняется направление развертывающего преобразования, и сигнал Y(t) нарастает в положительном направлении (см. фиг.4, б). Начиная с момента времени выполнения условия Y(t)=b МРП входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Y(t) ограничена зоной неоднозначности релейного элемента 4, имеющего минимальное значение порогов переключения ±b, а релейные элементы 5 и 6 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов Y(t), Y(t) состояниях (фиг.4, г, д). Выходная координата Y(t) МРП (фиг.4, е) формируется за счет переключений релейного элемента 4 (фиг.4, в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±А/3 (фиг.4, е). При отсутствии Х (фиг.4, a, t<t) среднее значение Y импульсов Y(t) равно нулю.
ВХ
ВЫХ
1
И
2
И
0
BX
Наличие входной координаты Х<(А/3) (фиг.4, a, ) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Y(t), так как в интервале t (фиг.4, в) развертка Y(t) (фиг.4, б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 2 (фиг.4, а, е), а в интервале t величина dY(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Y≡X (фиг.4, е).
ВХ
ВХ
03
ВЫХ
И
0
ВЫХ
ВХ
Предположим, что в момент времени  сигнал Х увеличился дискретно до величины (А/3)<Х<А (фиг.4, а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и МРП переходит на этап переориентации состояний релейных элементов 5 и 6, который заканчивается в момент времени t, когда релейный элемент 6 переключается в идентичное положение -А/3 (фиг.4, д). Координата Y(t) достигает уровня -А (фиг.4, е), и МРП переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах  (фиг.4, в) скорость формирования сигнала развертки Y(t) (фиг.4, б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор 2. При этом сигнал Y включает постоянную составляющую -А/3 и среднее значение импульсного потока Y(t) второй модуляционной зоны (фиг.4, е). Переход МРП из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений координаты Х сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).
Модуляционная и амплитудная характеристики МРП для любой i-й модуляционной зоны определяются соотношениями:
0,i
i
ВХ
-1
Y=(-1)A[(2Z-3)+2γ]n=-Х,
1
где  - нормированное значение порога переключения b;
- нормированная величина входного сигнала МРП, причем ;
n - количество релейных элементов 4, 5, 6…n, причем n≥3 - нечетное число;
i
Z=1, 2, 3 … - порядковый номер модуляционной зоны;
1
1
2
γ=t/(t+t) - скважность выходных импульсов МРП;
±А - максимальная амплитуда выходного сигнала МРП;
И
Т - постоянная времени интегратора 3.
П2
При переходе каждого основного релейного элемента 4, 5, 6…n в состояние +А/n (фиг.4, в-д) открывается соответствующая ему оптопара VD1 (из блоков 9, 10, 11…n) (фиг.3), что приводит к переключению соответствующего дополнительного релейного элемента 12, 13, 14... n в аналогичное состояние (вход каждого дополнительного релейного элемента 12, 13, 14…n подключается к шине положительного потенциала +U второго источника электропитания (16)). Если на выходе основного релейного элемента 4, 5, 6…n сигнал равен -А/n, то работает соответствующая оптопара VD2 (из блоков 9, 10, 11…n) (фиг.3), и соответствующий дополнительный релейный элемент 12, 13, 14…n переключается в противоположное по знаку выходного импульса положение. Таким образом, на выходе сумматора 15 формируется многозонный частотно-широтно-импульсный сигнал, который повторяет форму выходного сигнала сумматора 7. В результате повышается точность и помехоустойчивость МРП и достигается полная потенциальная развязка канала «вход-выход».
Как показали экспериментальные исследования, при использовании оптопар общепромышленного назначения, рассмотренный МРП может работать с частотой автоколебаний порядка 5-10 кГц, обеспечивая при этом полосу пропускания в пределах 0,5-1,0 кГц.
Предлагаемое устройство предполагается использовать в системе управления электроприводом транспортной машины.