НУЛЬ-ОРГАН
NULL DETECTOR

Изобретение относится к области автоматики, робото- и измерительной техники и предназначено для детектирования момента перехода (из отрицательной полуволны в положительную) 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.
Недостатками известного нуль-органа являются:
- низкая надежность: из-за отсутствия цепей ослабления 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;
- отсутствие подавления синфазных помех входного 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;
- отсутствие элементов сопряжения с цифровыми интегральными микросхемами внешнего устройства обработки выходных импульсов нуль-органа;
- отсутствие защиты от внешних воздействующих факторов. Известен нуль-орган (патент РФ №2712768 приоритет от 07.05.2019.
«Нуль-орган», авторы: Арбузов В.Н., Фатин В.Н., Бабнев С.Е., Гутников А.И., МПК: G05B 1/01, опубликовано 31.01.2020, бюл. 4), содержащий фильтр верхних частот (ФВЧ), нормирователь входного сигнала, операционный усилитель, блок ограничителей тока, нормирователь выходного сигнала, триггер Шмитта, первый, второй, третий и четвертый резисторы. Вход ФВЧ является входом нуль-органа. Выход ФВЧ через нормирователь входного сигнала соединен с первыми выводами первого и второго резисторов и с инвертирующим входом операционного усилителя. Выход операционного усилителя соединен со вторым выводом второго резистора, с первым выводом третьего резистора и с входом нормирователя выходного сигнала. Выход нормирователя выходного сигнала соединен с входом триггера Шмитта, выход которого является выходом нуль-органа. Входами питания нуль-органа являются входы блока ограничителей тока, выходы которого соединены с входами питания операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен со вторым выводом третьего резистора и через четвертый резистор со вторым выводом первого резистора и с общей шиной. Данный нуль-орган выбран в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатками наиболее близкого аналога являются:
- отсутствие подавления синфазных помех входного сигнала;
- растянутый задний фронт на выходе нормирователя выходного сигнала, увеличивающий фазовый сдвиг между входным синусоидальным и выходным импульсным сигналами;
- недостаточно высокая надежность.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании нуль-органа со следующими характеристиками:
- обеспечивающего эффективное подавление синфазных помех входного сигнала (в зависимости от фазового положения, амплитуды и частоты синфазной помехи точность детектирования нулевого уровня входного сигнала может значительно снижаться);
- обеспечивающего минимальный и высокостабильный фазовый сдвиг между детектируемым нулевым уровнем напряжения входного синусоидального и фронтом выходного импульсного сигнала, являющегося результатом детектирования;
- обеспечивающего защиту от сквозных токов во время воздействия внешних факторов;
- 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.
Данные технические результаты достигаются тем, что в нуль-органе, содержащем первый операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистора и через второй резистор с общей шиной и с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и через четвертый резистор со вторым выводом первого резистора и с выходом первого операционного усилителя, триггера Шмитта, вход которого соединен с выходом нормирователя выходного сигнала, а выход является выходом нуль-органа, блок ограничителей тока, входы которого являются входами питания нуль-органа, а первый и второй выходы соединены соответственно с входами питания первого операционного усилителя, новым является то, что дополнительно введены пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый, тринадцатый резисторы, конденсатор, диод, второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен через пятый резистор с общей шиной и с первым выводом шестого резистора,
второй вывод которого является первым входом нуль-органа, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с первыми выводами седьмого и восьмого резисторов, второй вывод первого из которых является вторым входом нуль-органа, первый и второй входы второго операционного усилителя соединены с первым выводом девятого резистора, второй вывод которого соединен через десятый резистор с третьим входом второго операционного усилителя, с первым входом питания второго операционного усилителя и третьим выходом блока ограничителей тока, четвертый выход которого соединен со вторым входом питания второго операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом восьмого резистора и через последовательно соединенные конденсатор и одиннадцатый резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен через двенадцатый резистор с катодом диода и входом нормирователя выходного сигнала, выход которого соединен с анодом диода и через тринадцатый резистор с общей шиной.
Повышение надежности обеспечивается:
- делителем, образуемым пятым и шестым резисторами, который ограничивает вдвое амплитуду напряжения входного сигнала, защищая, таким образом, нуль-орган от входных сигналов с повышенной (относительно предельно-допустимой) амплитудой напряжения;
- делителем, образуемым одиннадцатым и вторым резисторами, который ограничивает амплитуду напряжения сигнала, поступающего с выхода второго операционного усилителя, предотвращая перегрузку по входу первого операционного усилителя, и, таким образом, дополнительно защищая нуль-орган от сигналов с повышенной (относительно предельно-допустимой) амплитудой напряжения;
- применением двенадцатого резистора, ограничивающего токи, протекающие через нормирователь выходных сигналов и первый операционный усилитель;
- применением блока ограничителей тока, защищающего операционные усилители от пробоя во время воздействия ВВФ.
Точность детектирования нулевого уровня входного сигнала и качество выходного сигнала повышаются за счет:
- эффективного подавления синфазных помех входного сигнала за счет применения буферного дифференциального каскада на втором операционном усилителе (ОУ);
- устранения смещения нуля на выходе второго операционного усилителя при нормальных климатических условиях и отсутствии воздействия внешних факторов за счет применения девятого и десятого резисторов;
- подавления постоянной составляющей, возникающей из-за смещения нуля на выходе второго операционного усилителя в условиях воздействия ВВФ за счет применения конденсатора;
- обеспечения высокой крутизны заднего фронта импульса на выходе нормирователя выходного сигнала и существенного уменьшения его задержки за счет применения диода.
Применение буферного дифференциального каскада на втором операционном усилителе обеспечивает подавление синфазных помех входного сигнала, тем самым повышая помехозащищенность нуль-органа и точность его детектирования. При коэффициенте усиления второго ОУ равном единице достигается максимальное ослабление входных синфазных помех и минимальная задержка сигнала на выходе второго ОУ.
Первый и второй входы второго операционного усилителя соединены, замыкая цепь внутренней частотной коррекции, для предотвращения самовозбуждения второго операционного усилителя на верхних частотах его полосы пропускания.
На фиг. 1 представлена функциональная схема нуль-органа. На фиг. 2 представлены диаграммы входного и выходного сигналов нуль-органа. На фиг. 3 и фиг. 4 представлены диаграммы входного синусоидального сигнала и импульса на выходе нормирователя 18 при отсутствии и при наличии диода 19 соответственно.
Нуль-орган (фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 операционные усилители, первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7, шестой 8, седьмой 9, восьмой 10, девятый 11, десятый 12, одиннадцатый 13, двенадцатый 14 и тринадцатый 15 резисторы, конденсатор 16, блок 17 ограничителей тока, нормирователь 18 выходных сигналов, диод 19, триггер Шмитта 20.
вx
вx
Инвертирующий вход первого ОУ 1 соединен с первым выводом первого резистора 3 и через второй резистор 4 с общей шиной и с первым выводом третьего резистора 5. Второй вывод третьего резистора 5 соединен с неинвертирующим входом первого ОУ 1 и через четвертый резистор 6 со вторым выводом первого резистора 3 и с выходом первого ОУ 1. Выход триггера Шмитта 20 является выходом нуль-органа. Входы блока 17 ограничителей тока являются входами питания нуль-органа, а первый и второй выходы соединены соответственно с входами питания первого ОУ 1. Неинвертирующий вход второго ОУ 2 соединен через пятый резистор 7 с общей шиной и с первым выводом шестого резистора 8. Второй вывод шестого резистора 8 является первым входом (+U) нуль-органа. Инвертирующий вход второго ОУ 2 соединен с первыми выводами седьмого 9 и восьмого 10 резисторов. Второй вывод седьмого резистора 9 является вторым входом (-U) нуль-органа. Первый «FC» и второй «NC1» входы второго ОУ 2 соединены с первым выводом девятого резистора 11, второй вывод которого соединен через десятый резистор 12 с третьим входом «NC2» второго ОУ 2, с первым входом питания второго ОУ 2 и третьим выходом блока 17 ограничителей тока. Четвертый выход блока 17 ограничителей тока соединен со вторым входом питания второго ОУ 2. Выход второго ОУ 2 соединен со вторым выводом восьмого резистора 10 и через последовательно соединенные конденсатор 16 и одиннадцатый резистор 13 с инвертирующим входом первого ОУ 1. Выход первого ОУ 1 соединен через двенадцатый резистор 14 с анодом диода 19 и входом нормирователя 18 выходного сигнала, выход которого соединен с анодом диода 19 и через тринадцатый 15 резистор с общей шиной.
ОУ 2 совместно с резисторами 7-12 образует дифференциальный усилитель, предназначенный для подавления синфазных помех входного сигнала. ОУ 2 должен быть быстродействующим. Для максимального ослабления входных синфазных помех и обеспечения минимальной задержки сигнала на выходе ОУ 2 относительно его входа, номиналы резисторов 7, 8, 9 и 10 должны быть одинаковыми и прецизионными. При этом их номиналы должны быть как можно более низкоомными при условии обеспечения многократного превышения сопротивления источника входного сигнала. Номиналы резисторов 11 и 12 подбираются для сведения к нулю смещения на выходе второго операционного усилителя при нормальных климатических условиях и отсутствии воздействия внешних факторов.
Конденсатор 16 предназначен для подавления постоянной составляющей выходного сигнала ОУ 2, возникающей из-за смещения нуля на его выходе в условиях воздействия ВВФ.
Операционный усилитель 1 совместно с первым 3, вторым 4, третьим 5, четвертым 6 и одиннадцатым 13 резисторами образует пороговое устройство (ПУ), предназначенное для формирования двухполярного импульса, задний фронт которого образуется в момент перехода (из отрицательной полуволны в положительную) входного сигнала через нуль. ОУ 1 должен быть быстродействующим. Для обеспечения высокой крутизны фронтов на своем выходе, его коэффициент усиления (Ку) должен быть достаточно высоким (порядка 100). Ку ОУ 1 определяется соотношением номиналов резисторов 3 и 13. Резистор 4 предназначен для предотвращения перегрузки по входу первого ОУ 1. Соотношением номиналов резисторов 5 и 6 задается гистерезис порогового устройства.
Нормирователь 18 выходного сигнала предназначен для преобразования двухполярных импульсов, поступающих с выхода ПУ, в однополярные положительные. Нормирователь 18 выходного сигнала может быть реализован на трех быстродействующих (для минимизации фазовой задержки сигнала, поступающего с выхода ПУ) импульсных диодах.
Диод 19 предназначен для обеспечения высокой крутизны заднего фронта (являющегося носителем полезной информации) импульса, формируемого на выходе нормирователя выходного сигнала 18, тем самым дополнительно уменьшая его задержку. На фиг. 3 представлены диаграммы входного синусоидального сигнала и импульса на выходе нормирователя выходного сигнала 18 при отсутствии диода 19, а на фиг. 4 - при наличии диода 19.
Резистор 14 ограничивает токи, протекающие через нормирователь выходного сигнала 18 и ОУ 1.
Резистором 15, который совместно с резистором 14 образует делитель напряжения, задается амплитуда импульсов, поступающих на вход триггера Шмитта 20.
Быстродействующий триггер Шмидта 20 дополнительно увеличивает крутизну фронтов и стабилизирует фазу выходных импульсов «Uвых» нуль-органа и обеспечивает их согласование с цифровым внешним устройством.
Блок 17 ограничителей тока реализуется на низкоомных резисторах и предназначен для предотвращения пробоя операционных усилителей 1 и 2 во время воздействия ВВФ.
Нуль-орган работает следующим образом.
На вход ОУ 2 через резисторы 8 и 9 поступает входной двухполярный синусоидальный сигнал (см. фиг. 2). Благодаря равенству номиналов резисторов 7, 8, 9 и 10 обеспечивается максимальное подавление операционным усилителем 2 входной синфазной помехи и минимальная задержка входного сигнала. Соединенные входы «FC» и «NC1» замыкают цепь внутренней частотной коррекции ОУ 2, предотвращая самовозбуждение на верхних частотах его полосы пропускания. Резисторы 11 и 12 устраняют смещение нуля на выходе ОУ 2 при нормальных климатических условиях и отсутствии воздействия внешних факторов. С выхода ОУ 2 сигнал через конденсатор 16 поступает на инвертирующий вход ОУ 1. Конденсатор 16 подавляет постоянную составляющую выходного сигнала ОУ 2, возникающую из-за смещения нуля на его выходе в условиях воздействия ВВФ. Коэффициент усиления ОУ 1 задается соотношением номиналов резисторов 3 и 13, и должен быть достаточно высоким (порядка 100) для обеспечения высокой крутизны фронтов на своем выходе. Резистор 4, совместно с резистором 13 образуя делитель напряжения, предотвращает перегрузку по входу первого ОУ 1. Резисторы 5 и 6 образуют цепь положительной обратной связи, обеспечивая гистерезис порогового устройства для предотвращения «дребезга» сигнала на его выходе при наличии низкоуровневых высокочастотных шумов на его входе. Величина гистерезиса задается соотношением номиналов резисторов 5 и 6. На выходе порогового устройства формируется двухполярный импульс, задний фронт которого образуется в момент перехода (из отрицательной полуволны в положительную) входного сигнала через нуль.
Далее сформированный пороговым устройством двухполярный импульс преобразуется нормирователем 18 выходного сигнала в однополярный положительный. Диод 19 обеспечивает высокую крутизну заднего фронта преобразуемого импульса, уменьшая его задержку. Резистор 14 ограничивает токи, протекающие через нормирователь выходного сигнала 18 и ОУ 1.
Далее однополярный положительный импульс поступает на резистор 15, совместно с резистором 14 образующим делитель напряжения, задающим требуемую амплитуду импульсов на входе триггера Шмитта 20. Затем ограниченный по амплитуде однополярный положительный импульс поступает на вход триггера Шмитта 20, на выходе которого формируется положительный прямоугольный выходной импульс с крутым фронтом и требуемым уровнем амплитуды (см. фиг. 2).
Блок 17 ограничителей тока ограничивает резкое возрастание амплитуды токов, протекающих в операционных усилителях 1 и 2, во время воздействия ВВФ.