НУЛЬ-ОРГАН
ZERO-ELEMENT

Изобретение относится к области автоматики и измерительной техники и предназначено для детектирования момента перехода напряжения входного двухполярного гармонического сигнала через нулевой уровень, в частности, может использоваться в устройствах измерения временных интервалов.
Известен нуль-орган (Ас №881652 приоритет от 03.06.1978 г. «Нуль-орган», авторы: Гончар А.В., Решетник А.И., Румянцев В.П., Сахарин В.Г., МПК G05B 1/01, опубликовано 15.11.1981 бюл. №42), содержащий первый и второй ограничивающие элементы, пороговый элемент, одновибратор, операционный усилитель и ключ. В качестве первого и второго ограничивающих элементов используются резисторы, а в качестве ключа - транзистор. Инвертирующий вход операционного усилителя соединен соответственно через ключ и первый ограничивающий элемент с выходом операционного усилителя и входом нуль-органа. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с шиной нулевого потенциала. Управляющий вход ключа подключен к первому выводу второго ограничивающего элемента. Вход нуль-органа через последовательно соединенные пороговый элемент и одновибратор подключен ко второму выводу второго ограничивающего элемента. Данное устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатками известного нуль-органа являются:
- низкая надежность: из-за отсутствия защиты по входу от входных сигналов с большой амплитудой напряжения; из-за отсутствия защиты от внешних воздействующих факторов (ВВФ); из-за наличия избыточных активных элементов (пороговый элемент, одновибратор, ключ), являющихся основными функциональными узлами нуль-органа;
- отсутствие цепей устранения смещения нуля входного двухполярного сигнала;
- не обеспечивается минимально допустимый и, главное, стабильный фазовый сдвиг между входным синусоидальным и выходным прямоугольным импульсным сигналами из-за весьма большого (и нестабильного во время воздействия ВВФ) коэффициента усиления операционного усилителя в момент времени, близкий к моменту перехода входного сигнала через нуль;
- низкая помехозащищенность к входным высокочастотным помехам;
- отсутствие элементов сопряжения с цифровыми интегральными микросхемами (ИМС) внешнего устройства обработки выходных импульсов нуль-органа;
- отсутствие защиты от внешних воздействующих факторов.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании нуль-органа со следующими характеристиками:
- обеспечивающего минимально допустимый и стабильный фазовый сдвиг между входным синусоидальным и выходным прямоугольным импульсным сигналами;
- обеспечивающего помехозащищенность к входным высокочастотным помехам;
- обеспечивающего защиту по входу от входных сигналов с большой амплитудой напряжения;
- обеспечивающего сопряжение с внешним устройством обработки выходных импульсов нуль-органа;
- обеспечивающего защиту от сквозных токов во время воздействия внешних воздействующих факторов;
- состоящего из минимального количества ЭРИ (электро- радиоизделий) на основе полупроводников;
- состоящего из минимального количества аналоговых узлов и составляющих их активных ЭРИ;
- сохраняющего работоспособность с заданными электрическими характеристиками в условиях воздействия ВВФ с высокими значениями характеристик воздействия.
Технические результаты, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в повышении надежности, в повышении точности детектирования нулевого уровня входного сигнала и качества выходного сигнала, в повышении помехозащищенности, в обеспечении высокой степени стойкости к ВВФ, в обеспечении возможности сопряжения с внешним устройством.
Данные технические результаты достигаются тем, что в нуль-органе, содержащем операционный усилитель, новым является то, что дополнительно введены первый, второй, третий и четвертый резисторы, нормирователь входного сигнала, блок ограничителей тока, нормирователь выходного сигнала, триггер Шмитта, фильтр верхних частот, вход которого является входом нуль-органа, а выход через нормирователь входного сигнала с первыми выводами первого и второго резисторов и с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора, с первым выводом третьего резистора и с входом нормирователя выходного сигнала, выход которого соединен с входом триггера Шмитта, выход которого является выходом нуль-органа, входами питания которого являются входы блока ограничителей тока, выходы которого соединены соответственно с входами питания операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен со вторым выводом третьего резистора и через четвертый резистор с вторым выводом первого резистора и с общей шиной.
Применение нормирователя входного сигнала позволяет обеспечить защиту по входу от входных сигналов с большой амплитудой напряжения. Защита операционного усилителя от пробоя во время воздействия ВВФ обеспечивается применением блока ограничителей тока. Все это в совокупности повышает надежность нуль-органа.
Точность детектирования нулевого уровня входного сигнала и качество выходного сигнала повышаются за счет:
- введения фильтра верхних частот, обеспечивающего подавление постоянной составляющей входного сигнала, то есть устраняющего смещения его нуля;
- введения цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя, образованной первым и вторым резисторами, обеспечивающей стабильный фазовый сдвиг между входным синусоидальным и выходным импульсным сигналами;
- введения триггера Шмитта, увеличивающего крутизну фронтов выходных импульсов.
За счет образования из элементов фильтра верхних частот и нормирователя входных сигналов фильтра нижних частот обеспечивается помехозащищенность от входных высокочастотных помех. Образованная третьим и четверым резисторами цепь положительной обратной связи операционного усилителя дополнительно обеспечивает помехозащищенность нуль-органа к входным высокочастотным помехам.
Применение нормирователя выходного сигнала и триггера Шмитта обеспечивает сопряжение с внешним цифровым устройством обработки выходных импульсов нуль-органа.
На фиг. 1 представлена функциональная схема нуль-органа. На фиг. 2 представлены диаграммы входных и выходных сигналов нуль-органа. На этих диаграммах приведены примеры двух входных гармонических сигналов с разными амплитудами и, соответственно, двух выходных импульсных сигналов.
Нуль-орган (фиг. 1) содержит фильтр 1 верхних частот (ФВЧ 1), нормирователь 2 входного сигнала, операционный усилитель 3, блок 4 ограничителей тока, нормирователь 5 выходного сигнала, триггер Шмитта 6, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 резисторы.
Вход ФВЧ 1 является входом нуль-органа. Выход ФВЧ 1 через нормирователь 2 входного сигнала соединен с первыми выводами первого 7 и второго 8 резисторов и с инвертирующим входом операционного усилителя 3. Выход операционного усилителя 3 соединен со вторым выводом второго резистора 8, с первым выводом третьего резистора 9 и с входом нормирователя 5 выходного сигнала. Выход нормирователя 5 выходного сигнала соединен с входом триггера Шмитта 6, выход которого является выходом нуль-органа. Входами питания нуль-органа являются входы блока 4 ограничителей тока, выходы которого соединены с входами питания операционного усилителя 3, неинвертирующий вход которого соединен со вторым выводом третьего 9 резистора и через четвертый 10 резистор со вторым выводом первого резистора 7 и с общей шиной.
Операционный усилитель 3 и первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 резисторы образуют пороговое устройство 11.
ФВЧ 1 предназначен для подавления постоянной составляющей входного сигнала «Uвх», т.е. устранения смещения нуля входного синусоидального сигнала и может быть реализован на последовательно соединенных резисторе и конденсаторе.
Нормирователь 2 входного сигнала предназначен для ограничения амплитуды положительной и отрицательной полуволн входного сигнала путем «срезания» их «верхушек» на уровнях напряжений «+Uогр.» и «-Uогр.» соответственно, обеспечивая защиту по входу от входных сигналов с большой амплитудой напряжения. При этом крутизны фронтов исходного входного сигнала остаются неизменными. Постоянные составляющие цепей ограничения амплитуды положительной и отрицательной полуволн входного сигнала должны быть идентичными (это условие предотвращения смещения нуля входного сигнала цепями ограничения его амплитуды). Нормирователь 2 входного сигнала может быть реализован на диодах.
Кроме того, элементы ФВЧ 1 и нормирователя 2 входного сигнала образуют фильтр 12 нижних частот для подавления высокочастотных помех.
Первый 7 и второй 8 резисторы образуют цепь отрицательной обратной связи, обеспечивая стабильный коэффициент усиления операционного усилителя 3 и, соответственно, стабильный фазовый сдвиг между входным синусоидальным и выходным импульсным сигналами.
Третей 9 и четвертый 10 резисторы образуют цепь положительной обратной связи, обеспечивая гистерезис порогового устройства 11 для предотвращения «дребезга» сигнала на его выходе при наличии низкоуровневых высокочастотных шумов на входе. Величина гистерезиса задается соотношением номиналов третьего 9 и четвертого 10 резисторов.
Блок 4 ограничителей тока предназначен для предотвращения пробоя операционного усилителя 3 во время воздействия ВВФ.
Нормирователь 5 выходного сигнала предназначен для преобразования входного двухполярного импульсного сигнала в однополярный положительный с ограничением амплитуды его напряжения в пределах уровня ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика).
Триггер Шмитта 6 предназначен для обеспечения высокой крутизны и стабильности фронтов выходных импульсов «Uвых» нуль-органа и его согласования с цифровым внешним устройством обработки выходных импульсов нуль-органа.
Нуль-орган работает следующим образом.
На вход нуль-органа (на ФВЧ 1) поступает входной двухполярный синусоидальный сигнал (см. фиг. 2). Посредством ФВЧ 1 подавляется постоянная составляющая входного сигнала, тем самым устраняется смещение его нуля. Далее нормирователь 2 входного сигнала ограничивает амплитуды положительной и отрицательной полуволн входного сигнала на уровнях напряжений «+Uогр.» и «-Uогр.» соответственно. Кроме того, во входном сигнале подавляются высокочастотные помехи фильтром нижних частот 12. Далее отфильтрованный от низкочастотных и высокочастотных паразитных составляющих и ограниченный по амплитуде входной сигнал поступает на инверсный вход операционного усилителя 3 порогового устройства 11, на выходе которого формируется двухполярный импульс, фронт которого образуется в момент перехода входного сигнала через нуль. Далее сформированный пороговым устройством 11 импульс, протекая по цепям нормирователя 5 выходного сигнала, становится однополярным положительным и ограничивается по амплитуде на уровне ТТЛ. Затем ограниченный по амплитуде на уровне ТТЛ однополярный положительный импульс поступает на вход Триггер Шмитта 6, на выходе которого формируется положительный прямоугольный выходной импульс с крутым фронтом и ТТЛ уровнем (см. фиг. 2). Блок 4 ограничителей тока ограничивает резкое возрастание амплитуды токов, протекающих в операционном усилителе 3, во время воздействия ВВФ.