Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПИКОВЫХ ЗНАЧЕНИЙ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для выделения одиночных импульсов на фоне низкочастотного шума, например, в оптоэлектронике или выделения ударных импульсов на фоне вибрации.

Известно устройство для измерения пиковых значений (см. ж. «Приборы и техника эксперимента» №4, 1978, стр.112, В.Г. Гольдорт и др.), содержащее датчик, выход которого подключен к неинвертирующему зарядочувствительному усилителю, выполненному на интегрирующем конденсаторе и истоковом повторителе, выход которого через первый аналоговый ключ подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к точке объединения анода диода, неинвертирующего входа второго операционного усилителя, первой обкладки первого конденсатора и входа второго аналогового ключа, выход которого подключен к общей шине, подключенной ко второй обкладке первого конденсатора, катод диода подключен к выходу первого операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к точке объединения выхода пикового вольтметра, входа третьего аналогового ключа и первой обкладки второго конденсатора, вторая обкладка которого подключена к общей шине, выход третьего аналогового ключа подключен к выходу второго операционного усилителя, управляющие входы первого, третьего и второго ключа подключены соответственно к первому, второму, третьему выходам формирователя командных импульсов, вход которого подключен к шине запуска.

Недостатки данного устройства:

1. Низкая помехоустойчивость в области низких частот (например, помех от фоновой засветки или стационарной вибрации) из-за отсутствия встроенных фильтров верхних частот.

2. Ограничение динамического диапазона сверху и снизу и пониженная помехоустойчивость из-за отсутствия сжатия информации (вызывает ограничение сигнала) и встроенных фильтров верхних частот.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является устройство для измерения пиковых значений (патент РФ №2343429, приоритет от 16.04.2007, «Устройство для измерения пиковых значений» авторы Гутников А.И., Гусев В.Е, МПК9: G01J 1/44, опубл. 10.01.2009, БИ №1), содержащее датчик, подключенный к усилителю-преобразователю, одновибратор с управляющим входом, три операционных усилителя, неинвертирующий операционный усилитель постоянного или переменного напряжения, первый и второй выпрямители (выполненные на диодах), диод, два аналоговых ключа, восемь резисторов, RC-цепь, конденсатор, активный или пассивный Г-образный RC-фильтр верхних частот, шину опорного напряжения. Зарядочувствительный усилитель выполнен на инвертирующем операционном усилителе с интегрирующим конденсатором и параллельным ему резистором в цепи отрицательной обратной связи. Выход первого операционного усилителя подключен к выходу первого выпрямителя и входу второго выпрямителя, выход которого подключен к входу первого аналогового ключа, неинвертирующему входу второго операционного усилителя, первому выводу первого резистора и через последовательную RC-цепь к общей шине, к которой подключен выход первого аналогового ключа. Выход второго операционного усилителя через второй резистор подключен к входу первого выпрямителя и инвертирующему входу первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к первому выводу третьего резистора. Выход второго аналогового ключа подключен к общей шине, а управляющий вход соединен с выходом одновибратора и управляющим входом первого аналогового ключа, вход второго аналогового ключа соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого через активный или пассивный Г-образный RC-фильтр верхних частот соединен с выходом зарядочувствительного усилителя. Шина опорного напряжения соединена с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого соединен с катодом (анодом) диода, анод (катод) которого соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя и через четвертый резистор с первым выводом конденсатора, с неинвертирующим входом неинвертирующего операционного усилителя и с первым выводом пятого резистора. Второй вывод пятого резистора соединен с первыми выводами шестого и седьмого резисторов и с выходом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом шестого резистора. Второй вывод седьмого резистора соединен со вторым выводом первого резистора и через восьмой резистор с общей шиной, к которой подключен второй вывод конденсатора.

Активный Г-образный RC-фильтр верхних частот содержит первый конденсатор, первая обкладка которого является входом активного Г-образного RC-фильтра верхних частот, а вторая обкладка конденсатора подключена к первым выводам первого и второго резисторов, второй вывод первого резистора подключен к первой обкладке второго конденсатора и инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через третий резистор подключен к общей шине, которая через четвертый резистор подключена ко второй обкладке второго конденсатора и первой обкладке третьего конденсатора, вторая обкладка которого подключена ко второму выводу второго резистора и выходу операционного усилителя.

Устройство позволяет выделить пиковое значение сигнала датчика, величина которого пропорциональна как амплитуде сигнала, так и его длительности, и обеспечивает сжатие путем кусочно-линейной аппроксимации.

Недостатки данного устройства:

1. Сложность, большие габариты за счет большого числа последовательно включенных каскадов, таких как: зарядочувствительный усилитель на инвертирующем операционном усилителе с интегрирующим конденсатором и резистором, активный фильтр верхних частот на другом операционном усилителе, двухкаскадный пиковый детектор на двух следующих операционных усилителях, кусочно-линейный аппроксиматор на последующем операционном усилителе, выходной неинвертирующий усилитель. Итого: шесть операционных усилителей, четырнадцать резисторов, шесть конденсаторов и три диода.

2. Пониженная точность преобразования за счет большого числа последовательно соединенных каскадов, накапливающих ошибки по мере прохождения сигнала.

Технические результаты, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в упрощении устройства, уменьшении габаритов и повышении надежности за счет совмещения функций зарядочувствительного усилителя, фильтра верхних частот, пикового детектора, кусочно-линейного аппроксиматора и согласования с емкостной нагрузкой каскадами на двух операционных усилителях, встроенных в них двух выпрямителях, и кусочно-линейном аппроксиматоре.

Для достижения данного технического результата в устройстве для измерения пиковых значений, содержащем датчик, первый операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистора, а выход соединен с входом первого выпрямителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом второго резистора, а выход - с первым выводом третьего резистора, четвертый, пятый и шестой резисторы, второй выпрямитель, первый, второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, первый вывод первого конденсатора соединен с общей шиной, новым является то, что дополнительно введены шина смещения и ограничитель, выход которого через второй конденсатор соединен либо с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, либо с выходом датчика, который через последовательно соединенные третий конденсатор и четвертый резистор соединен со вторым выводом третьего резистора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен через четвертый конденсатор с выходом датчика и непосредственно с входом ограничителя и выходом первого выпрямителя, который через последовательно соединенные пятый и шестой резисторы соединен со вторым выводом первого конденсатора и выходом второго выпрямителя, вход которого соединен с выходом первого операционного усилителя, второй вывод второго резистора соединен с общей шиной, а первый вывод - через пятый конденсатор с первым выводом третьего резистора, при этом точка объединения пятого и шестого резисторов подключена к шине смещения.

Выпрямитель может быть выполнен на диоде, анод которого является входом, а катод - выходом или на n-p-n транзисторе, база которого является входом, а эмиттер выходом выпрямителя, коллектор которого подключен к положительной шине питания.

Ограничитель может быть выполнен на стабилитроне или двух диодах, катоды которых объединены и являются выходом ограничителя, анод одного из них является входом ограничителя, а анод другого подключен к клемме (регулируемого извне) напряжения ограничения.

Датчик может быть выполнен на фотодиоде с обратным смещением (начальным обратным током через переход катод-анод) или на пьезоакселерометре.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет упростить устройство, уменьшить габариты, повысить надежность за счет совмещения функций зарядочувствительного усилителя, фильтра верхних частот, пикового детектора, кусочно-линейного аппроксиматора и согласования с емкостной нагрузкой пикового детектирования каскадами на двух операционных усилителях, встроенных в них двух выпрямителях и ограничителе напряжения аппроксиматора.

На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства для измерения пиковых значений. На фиг.2 приведен вариант выполнения выпрямителей. На фиг.3 вариант выполнения ограничителя. На фиг.4 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) на выходе первого выпрямителя (выполненного на соответствующем диоде). На фиг.5 приведена зависимость сигнала на выходе первого или второго выпрямителя (выполненных на диодах) от величины сигнала короткого импульса тока (1вх) от датчика.

Устройство для измерения пиковых значений (фиг.1) содержит датчик 1, первый 2 и второй 3 операционные усилители, первый 4, второй 5, третий 6, четвертый 7, пятый 8 и шестой 9 резисторы, первый 10, второй 11, третий 12, четвертый 13 и пятый 14 конденсаторы, первый 15 и второй 16 выпрямители, ограничитель 17, шину 18 смещения.

Инвертирующий вход первого операционного усилителя 2 соединен с первым выводом первого резистора 4, а выход соединен с входами первого 15 и 16 второго выпрямителей. Выход первого выпрямителя 15 соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 3 и через последовательно соединенные пятый 8 и шестой 9 резисторы с выходом второго выпрямителя 16 и вторым выводом первого конденсатора. Первый вывод первого конденсатора 10 соединен с общей шиной. Инвертирующий вход второго операционного усилителя 3 соединен через пятый конденсатор 14 с первым выводом третьего резистора 6 и первым выводом второго резистора 5, второй вывод которого соединен с общей шиной. Выход второго операционного усилителя 3 соединен с первым выводом третьего резистора 6. Выход ограничителя 17 через второй конденсатор 11 соединен либо с инвертирующим входом первого операционного усилителя 2, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, либо с выходом датчика 1. Выход датчика 1 через последовательно соединенные третий конденсатор 12 и четвертый резистор 7 соединен со вторым выводом третьего резистора 6 и первым выводом первого резистора 4. Второй вывод первого резистора 4 соединен через четвертый конденсатор 13 с выходом датчика 1 и непосредственно с входом ограничителя 17 и выходом первого выпрямителя 15, который через последовательно соединенные пятый 8 и шестой 9 резисторы соединен с выходом второго выпрямителя 16 и вторым выводом первого конденсатора 10. При этом точка объединения пятого 8 и шестого 9 резисторов подключена к шине 18 смещения.

Датчик 1 выполняют на фотодиоде 19 с обратным смещением (-) (т.е. с рабочим обратным током через переход катод-анод).

Первый 15 и второй 16 выпрямители выполняют на диодах, анод которых является входом, а катод - выходом соответствующего выпрямителя.

Ограничитель 17 выполняют на стабилитроне.

Датчик 1 может быть выполнен на пьезоакселерометре (на фиг.1 не показано).

Первый 15 и второй 16 выпрямители (фиг.2) могут быть выполнены на n-p-n транзисторах, базы которых объединены и являются входами, а соответствующие эмиттеры - выходами соответствующих выпрямителей, коллекторы которых объединены и подключены к положительной шине питания (на фиг.2 не показана).

Ограничитель 17 (фиг.3) может быть выполнен на двух диодах 20, 21, катоды которых объединены и являются выходом ограничителя 17, анод диода 20 является входом ограничителя, а анод диода 21 подключен к клемме +Еогр (регулируемого извне) напряжения ограничения.

Устройство для измерения пиковых значений работает следующим образом.

В исходном статическом состоянии стабилитрон 17 (или диод 20 по фиг.3) заперт, выходной обратный ток датчика 1 равен нулю, входной ток операционного усилителя 2 I_вх также равен нулю, выходное напряжение U₁₅ (на катоде диода 15) также равно нулю, как в операционном усилителе 2 с диодом 15, охваченных глубокой отрицательной обратной связью через резистор 4 и операционный усилитель 3. За счет падения напряжения (0,6 В) на прямо смещенном переходе диода 15 выходное напряжение «пикового детектирования» U₁₆ (на катоде аналогичного диода 16) также равно нулю. На конденсаторах 13, 14, 12, 10 нулевое напряжение. При воздействии внешнего короткого импульса света на датчик 1 на его выходе и инвертирующем входе операционного усилителя 2 формируется короткий отрицательный импульс тока I_вх от датчика 1, работающего в режиме источника тока. В выходном сопротивлении этого источника тока присутствует емкостная составляющая емкости датчика 1 (фотодиода или пьезоакселерометра) и емкости связи датчика 1 с входом Вх. Следует учесть, что существует низкочастотная паразитная модуляция (фоновая засветка или вибрация, содержащая вредные низкие частоты) короткого импульса тока полезного сигнала, содержащего высокие частоты. Указанная низкочастотная модуляция устраняется встроенным в устройство активным RC-фильтром верхних частот. Первое звено указанного фильтра реализовано на дифференцирующей цепи: датчик 1, конденсатор 12, резистор 7, включенные в инвертирующий вход операционного усилителя 2, которое не пропускает на выходы U₁₅, U₁₆ (см. участок d-c на фиг.4) низкие частоты, а пропускает высокие (см. участок а-b на фиг.4). Второе звено фильтра верхних частот, еще эффективнее не пропускающее на те же выходы низкие частоты в области d-c на фиг.4, а пропускающее высокие, реализовано на операционном усилителе 3, диоде 15, конденсаторе 14, резисторах 5 и 6, включенных в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 2. Это происходит за счет того, что на низких частотах коэффициент усиления неинвертирующего усилителя 3 высок (емкостное сопротивление конденсатора 14 много больше сопротивления резистора 5). На высоких частотах коэффициент усиления усилителя 3 равен единице, как у неинвертирующего повторителя, так как емкостное сопротивление 14 мало (короткое замыкание).

Вредный низкочастотный участок «d-c» амплитудно-частотной характеристики (см. фиг.4) отсечен двухзвенным фильтром верхних частот для того, чтобы выделить полезный участок «а-b» для короткого импульса I_вх с датчика 1. Участок «а-b» интегрирующий для того, чтобы напряжение на выходах U₁₅, U₁₆ зависело не только от амплитуды импульса I_вх, но и от его длительности. Интегрирование обеспечивается резисторами 4, 6 и конденсатором 13. При сильном увеличении проинтегрированного сигнала I_вх в точке «е» (см. фиг.5) включается стабилитрон 17 или открывается диод 20 (по фиг.3), и интегрирование обеспечивается параллельными конденсатором 13 с резисторами 4, 6 и включенным стабилитроном 17 (или открытым диодом 20 на входе ограничителя по фиг.3) с конденсатором 11, обеспечивая меньшее суммарное сопротивление. Тем самым обеспечена кусочно-линейная аппроксимация (см. участок «е-m» фиг.5), т.е. автоматическое уменьшение коэффициента передачи и соответственно расширение динамического диапазона измеряемого входного сигнала. Количество стабилитронов 17 с конденсаторами 11 можно увеличить для увеличения числа участков сжатия. Емкость интегрирующих конденсаторов 13, 11 много меньше емкости конденсатора 12, а сопротивление резистора 7 много меньше сопротивления резисторов 4, 6 для того, чтобы не вносить ошибку при интегрировании. Емкость конденсатора 12 много больше выходной емкости датчика 1 и линий связи (на фиг.1 не показаны), чтобы не вносить погрешность в коэффициент передачи зарядочувствительного усилителя на операционных усилителях 2 и 3 в целом.

Резисторы 8, 9 имеют равные сопротивления большой величины, чтобы не препятствовать эффективной работе запоминающего конденсатора 10 при спаде (окончании) импульса тока. Отдельный (низкочастотный) выход пикового детектирования на диоде 16 (см. U₁₆ на фиг.1) необходим, чтобы не вносить искажения в фильтрующую низкие частоты цепь отрицательной обратной связи (диод 15, операционный усилитель 3, резисторы 5, 6, конденсатор 14).

Растяжка сигнала U₁₆ пиковым детектором дает возможность считывания его уровня с выхода диода 16 и конденсатора 10 аналого-цифровым преобразователем (на фиг.1 не показан) умеренного быстродействия.

Был собран макет заявленного устройства, исследование характеристик которого при воздействии низкочастотных шумов и короткого импульса тока с датчика 1 в диапазоне температур от минус 40 до 50°С подтвердили выделение сигнала короткого импульса тока на фоне низкочастотного шума при существенном упрощении устройства. Элементная база заявленного устройства содержит типовые отечественные электрорадиоэлементы: счетверенные операционные усилители 2, 3 типа 544УД14РЗ, транзисторная пара 15, 16 типа 2Т690АС или диодная пара 15, 16 типа 2ДС523 В, стабилитрон 17 на 2,5 В - микросхема Н142ЕН19 (ограничитель 17 выполнялся на диодах 2ДС523В, напряжение ограничения +Еогр равно (1-5) В), бескорпусные резисторы Р1-16П, прецизионные малогабаритные бескорпусные конденсаторы К10-43 В, в качестве датчика использован датчик на фотодиоде или ударный акселерометр типа АП10.

Достоинством «диодного» ограничителя 17 (фиг.3) является регулируемый выбор напряжения ограничения +Еогр в отличие от стабилитрона 17 (фиг.1), а также меньшая проходная емкость. Отмечена также хорошая термокомпенсация характеристик при парных (выполненных на одном кристалле) диодах 20, 21, таких как 2ДС523В, 2ДС627А, 198НТ1А и др.