преобразователь ток - напряжение

Формула изобретения

Преобразователь ток напряжение, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине преобразователя, а инвертирующий вход является информационным входом преобразователя, N масштабных резисторов и коммутатор, содержащий N ключей, управляющие входы которых подключены к управляющему входу преобразователя, впервые информационные выводы ключей коммутатора подключены к первым выводам соответствующих масштабных резисторов, а вторые информационные выводы ключей объединены, отличающийся тем, что он содержит второй операционный усилитель, резистор обратной связи и (N + 1)-й масштабный резистор, причем масштабные резисторы соединены последовательно, второй вывод первого масштабного резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого подключен к объединенным информационным выводам ключей коммутатора, выход второго операционного усилителя, являющийся выходом преобразователя, через резистор обратной связи соединен с его инвертирующим входом и со свободным выводом (N + 1)-го масштабного резистора, а его неинвертирующий вход соединен с общей шиной преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цифровой измерительной технике, а именно к входным устройствам аналого-цифровых преобразователей.

Для преобразования в код постоянного тока обычно необходимо осуществить преобразование ток-напряжение, поскольку преобразователи напряжение-код получили наибольшее распространение. В простейшем случае преобразователь ток-напряжение представляет из себя просто резистор, через который протекает измеряемый ток. Недостатком подобных устройств является высокое входное сопротивление. Этот недостаток устраняется в преобразователях ток-напряжение, созданных с помощью операционных усилителей с резистором в цепи обратной связи (Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л. "Энергоатомиздат", 1988, с. 39 40, рис. 1.16 а).

При изменении измеряемого тока в широких пределах необходимо переключать коэффициент передачи преобразователя ток-напряжение. Это осуществляется переключением резисторов коммутатором в цепи обратной связи операционного усилителя, причем в случае критичности динамических свойств преобразователя коммутатор должен быть создан с помощью быстродействующих бесконтактных ключей, имеющих невысокие точностные характеристики и привносящих существенные погрешности в преобразователь ток-напряжение (у получивших наибольшее распространение бесконтактных ключей на полевых транзисторах сопротивление в замкнутом состоянии доходит до нескольких сотен Ом, а остаточный ток в разомкнутом состоянии до десятков наноампер. (Журавин Л. Г. и др. Методы электрических измерений. Л. "Энергоатомиздат", 1990, с. 65)).

Наиболее близок к заявляемому изобретению преобразователь ток-напряжение, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого является входом устройства, неинвертирующий вход подключен к общей шине устройства, а выход является выходом устройства, N масштабных резисторов, первые выводы которых объединены и подключены к выходу устройства, а вторые выводы к первым информационным выводам ключей коммутатора, содержащего N ключей, вторые информационные выводы которых объединены и подключены ко входу устройства, управляющие входы ключей подключены к управляющему входу преобразователя (Швецкий Б.И. Электронные цифровые приборы. К. "Техника", 1981, с. 187, рис. 100). Этот преобразователь принят за прототип.

Недостатком прототипа является малый динамический диапазон, поскольку при больших токах необходимо использовать масштабные резисторы малых номиналов, что приводит к очень большим погрешностям, вызванным сопротивлением открытого ключа, создающего делитель напряжения с масштабными резисторами.

Другим недостатком этого устройства является ограниченная точность, которая определяется остаточными параметрами как замкнутых ключей, образующих делитель с масштабными резисторами (если ключи обладают остаточной ЭДС, то она суммируется с выходным сигналом устройства), так и остаточными параметрами разомкнутых ключей, токи которых протекают по резистору, подключенному к операционному усилителю, суммируясь с измеряемым током. Причем при применении ключей на полевых транзисторах уменьшение любой из этих составляющих погрешности приводит к увеличению другой (Смолов В.Б. и др. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации. Л. "Энергия", 1976, с. 55).

Задача заявляемого изобретения создание преобразователя с расширенным динамическим диапазоном и повышенной точностью. Задача решается за счет исключения влияния остаточных параметров замкнутых ключей и применения ключей с оптимальными параметрами в разомкнутом состоянии.

Для этого предлагается ввести в преобразователь ток-напряжение, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине устройства, а инвертирующий является входом преобразователя, N масштабных резисторов и коммутатор, содержащий N ключей, управляющие входы которых подключены к управляющим входам преобразователя, первые информационные входы ключей коммутатора подключены к первым выводам соответствующих масштабных резисторов, а вторые информационные выводы ключей объединены, второй операционный усилитель, резистор обратной связи и (N+1)-ый масштабный резистор, причем масштабные резисторы соединены последовательно, второй вывод первого масштабного резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого подключен к объединенным информационным выводам ключей коммутатора, выход второго операционного усилителя, являющийся выходом преобразователя, через резистор обратной связи соединен с его инвертирующим входом и со свободным выводом (N+1)-го масштабного резистора, а его неинвертирующий вход соединен с общей шиной преобразователя.

Устройство отличается от прототипа и других аналогов тем, что при переключении коэффициента передачи у него замкнутый бесконтактный ключ оказывается включенным в выходную цепь операционного усилителя и охваченным глубокой отрицательной обратной связью, что исключает влияние на точность преобразования остаточных параметров этого замкнутого ключа и позволяет использовать в цепи обратной связи этого операционного усилителя резисторы любых, сколь угодно малых номиналов.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Преобразователь ток-напряжение содержит операционный усилитель 1, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине устройства, а инвертирующий является входом устройства, коммутатор 2, содержащий N ключей (К₁.K_n), управляющие входы которых подключены к управляющим входам преобразователя, вторые информационные выводы ключей объединены и подключены к выходу операционного усилителя 1, N масштабных резисторов 3, к первым выводам которых подключены первые информационные выводы ключей коммутатора 2, второй вывод первого масштабного резистора 3 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 1, (N+1)-ый масштабный резистор 4, масштабные резисторы 3 и масштабные резистор 4 соединены последовательно, операционный усилитель 5 и резистор обратной связи 6, выход операционного усилителя 5 через резистор обратной связи 6 соединен с его инвертирующим входом и свободным выводом масштабного резистора 4, неинвертирующий вход операционного усилителя 5 подключен к общей шине преобразователя.

Преобразователь ток-напряжение работает следующим образом. Устройство имеет N переключаемых коэффициентов передачи, равное числу ключей коммутатора 2. При установке i-того коэффициента передачи замыкается i-й ключ коммутатора 2, все остальные ключи которого разомкнуты.

Замкнутый ключ делит масштабные резисторы 3 и 4 на две группы: резисторы R₁.R_i входят в обратную связь операционного усилителя 1 и образуют преобразователь ток-напряжение с коэффициентом передачи резисторы R_i+1. R_n+1 формируют коэффициент усиления инвертирующего усилителя на операционном усилителе 5 с резистором R_ос 6 в цепи обратной связи. Коэффициент усиления этого усилителя а коэффициент передачи всего устройства составит:



Переключаясь, ключи коммутатора 2 изменяют как коэффициент передачи преобразователя ток-напряжение на операционном усилителе 1, так и коэффициент усиления усилителя на операционном усилителе 2.

Замкнутый ключ коммутатора 2 включается в выходную цепь операционного усилителя 1 и охватывается глубокой отрицательной обратной связью. Сопротивление этого замкнутого ключа R₅ cуммируется с выходным сопротивлением операционного усилителя 1, и его влияние уменьшается в (1+А) раз, где А коэффициент усиления операционного усилителя операционного усилителя 1, а внесенная этим сопротивлением относительная погрешность составит:



Влияние остаточной ЭДС Е замкнутого ключа тоже будет уменьшено в (1+А) раз, а вызванная ею относительная погрешность при токе на входе I_вх. составит:



Таким образом, при достаточно большом коэффициенте усиления операционного усилителя 1 остаточные параметры замкнутого ключа коммутатора 2 практически не оказывают влияние на точность устройства.

Влияние остаточных параметров разомкнутых ключей коммутатора 2 будет аналогично прототипу. Однако, поскольку погрешности, вызванные остаточными параметрами этих ключей в замкнутом состоянии пренебрежимо малы, ключи коммутатора 2 можно подбирать по их параметрам в разомкнутом состоянии, минимизируя соответствующие погрешности.

Для подбора номиналов масштабных резисторов 3 и 4 и резистора обратной связи 6 (R_ос) необходимо решить систему из N уравнений, связывающих преобразуемый ток I_вхj и выходное напряжение U_выхj при всех N коэффициентах передачи:



Поскольку система имеет N уравнений, а неизвестных N+2, то два необходимо задать.