ПИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ВХОДОМ
PEAK DETECTOR WITH DIFFERENTIAL INPUT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для детектирования (выделения) одиночных коротких импульсов на фоне синфазных помех и электромагнитных наводок, например, в оптоэлектронике или для выделения ударных импульсов на фоне вибрации.
Известен пиковый детектор (см. А. Дж. Пейтон, В. Волш "Аналоговая электроника на операционных усилителях" М.: БИНОМ, 1994 г., стр. 289, рис. 11.13), содержащий источник импульсного сигнала, диод, конденсатор, резистор утечки (разряда), выход источника сигнала через диод подключен к первым выводам резистора и конденсатора, вторые выводы которых подключены к общей шине.
Недостатками известного пикового детектора являются:
1. Низкое быстродействие из-за закрытого в исходном состоянии диода и необходимости дополнительного времени на его отпирание;
2. Низкая помехозащищенность от синфазных помех и электромагнитных наводок из-за отсутствия мер защиты;
3. Низкая температурная стабильность из-за не скомпенсированного по температуре диода;
4. Высокое выходное сопротивление равное сопротивлению резистора утечки (разряда).
Известен пиковый детектор с дифференциальным входом (см. А. Дж. Пейтон, В. Волш "Аналоговая электроника на операционных усилителях" М.: БИНОМ, 1994 г., стр. 293, рис. 11.18 в), содержащий источник импульсного сигнала, выводы которого подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя соответственно. Дифференциальный усилитель выполнен на одном операционном усилителе. Инвертирующий вход смещения нуля дифференциального усилителя подключен к выходу неинвертирующего повторителя напряжения, который выполнен на другом операционном усилителе. Неинвертирующий вход смещения нуля дифференциального усилителя подключен к общей шине, выход дифференциального усилителя подключен к аноду первого диода, катод которого подключен к входу неинвертирующего повторителя напряжения и через конденсатор к общей шине. Инвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с анодом второго диода, катод соединен с выходом дифференциального усилителя.
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбрано в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатками данного пикового детектора:
1. Низкая помехозащищенность от синфазных помех и электромагнитных наводок из-за нелинейного режима работы дифференциального усилителя, вследствие включенного второго диода, являющегося нелинейной пороговой цепью.
2. Низкое быстродействие из-за, во-первых, необходимости дополнительного времени для отпирания первого диода, в некоторых случаях закрытого вторым диодом до напряжения -0,7 В, во-вторых, двухкаскадного включения с общей обратной связью, в-третьих, большой величины емкости "запоминающего" конденсатора.
3. Отсутствие индикации обрыва цепи источника импульсного сигнала.
4. Низкая надежность неинвертирующего повторителя напряжения из-за отсутствия резистора утечки (разряда), вследствие чего возможен его выход из строя.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении быстродействия и помехозащищенности от синфазных и низкочастотных дифференциальных помех, а также расширении функциональных возможностей.
Техническими результатами, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, являются повышение быстродействия, повышение помехозащищенности от синфазных и низкочастотных дифференциальных помех, а также расширение функциональных возможностей.
Данные технические результаты достигаются тем, что в пиковом детекторе с дифференциальным входом, содержащем источник импульсного сигнала, имеющий, по крайней мере, два вывода, каждый из которых соединен с соответствующим входом дифференциального усилителя, выполненного на, по крайней мере, одном операционном усилителе, выход дифференциального усилителя соединен с первым выводом первого диода, второй вывод которого соединен с входом неинвертирующего повторителя напряжения и через первый конденсатор с общей шиной, второй диод и шину питания, новым является то, что дополнительно введены резистор, второй конденсатор и резистивный делитель напряжения, первый вывод которого соединен с входом неинвертирующего повторителя напряжения, выход которого является выходом пикового детектора и соединен через второй конденсатор с выходом резистивного делителя напряжения, второй вывод которого подключен к общей шине, к которой через второй диод подключены неинвертирующий вход смещения нуля дифференциального усилителя и через резистор шина питания.
Повышение быстродействия и помехозащищенности от синфазных помех и электромагнитных наводок достигается за счет линейного режима работы дифференциального усилителя, при котором он не имеет насыщенных состояний из-за включенных нелинейных диодных цепей в обратной связи. Повышение быстродействия также достигается за счет исключения дополнительного времени на отпирание первого диода, благодаря организованному на нем смещению с помощью второго диода, резистора и положительной шины питания в цепи неинвертирующего входа смещения нуля дифференциального усилителя; исключения общей обратной связи; уменьшения емкости первого конденсатора при введении цепи положительной обратной связи в неинвертирующий повторитель напряжения через второй конденсатор, увеличивающей время разряда.
Расширение функциональных возможностей достигается за счет введения функции индикации обрыва цепи источника импульсного сигнала, реализованная за счет организованного смещения на неинвертирующем входе смещения нуля дифференциального усилителя на втором диоде, резисторе и шине питания, что обеспечивает сигнализацию наличия или отсутствия связи с источником импульсного сигнала в виде постоянного напряжения на выходе пикового детектора уровнем около 0,2 В или 0,7 В соответственно.
Дополнительная помехозащищенность от низкочастотных дифференциальных помех обеспечивается за счет выполнения источника импульсного напряжения с дополнительными конденсаторами, один вывод каждого из которых является выводами источника. В этом случае конденсаторы источника импульсного сигнала с резисторами дифференциального усилителя образуют на его входах фильтры верхних частот первого порядка.
Дополнительная помехозащищенность от низкочастотных дифференциальных помех, а также сигналов произвольной длительности достигается выполнением источника импульсного сигнала с селективным последовательным колебательным (резонансным) контуром, пропускающего без подавления импульсы частотой равной резонансной частоте контура.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены варианты принципиальных схем пикового детектора с дифференциальным входом (далее - пиковый детектор). На фиг. 3 представлена диаграмма работы пикового детектора. На фиг. 4 и фиг. 5 представлены варианты реализации источника импульсного сигнала, соответствующие им амплитудно-частотные характеристики пикового детектора представлены на фиг. 6 и фиг. 7.
Пиковый детектор (см. фиг. 1 и фиг. 2) содержит источник 1 импульсного сигнала, дифференциальный усилитель 2, неинвертирующий повторитель 3 напряжения, первый 4 и второй 5 диоды, первый 6 и второй 7 конденсаторы, шину 8 питания, резистор 9, резистивный делитель 10 напряжения.
Выход дифференциального усилителя 2 (см. фиг. 1) соединен с анодом первого диода 4, катод которого соединен с входом неинвертирующего повторителя 3 напряжения и через первый конденсатор 6 с общей шиной. Первый вывод резистивного делителя 10 напряжения соединен с входом неинвертирующего повторителя 3 напряжения, выход которого является выходом пикового детектора и соединен через второй конденсатор 7 с выходом резистивного делителя 10 напряжения. Второй вывод резистивного делителя 10 напряжения подключен к общей шине, к которой подсоединен катод второго диода 5, анод которого подключен к неинвертирующему входу 13 смещения нуля дифференциального усилителя 2 (данный вход также известен, как вход опорного напряжения, REF и Reference) и через резистор 9 к положительной шине 8 питания.
Полярность включения первого 4, второго 5 диодов и шины 8 питания, описанная выше, предназначена для детектирования входных импульсов положительной полярности. Для детектирования отрицательных импульсов необходимо изменить их полярность первого 4, второго 5 диодов и шины 8 питания на противоположную.
Источник 1 импульсного сигнала может быть выполнен на источниках импульсного дифференциального 11 и синфазного 12 сигналов. Каждый вывод (первый «+» и второй «-») источника 1 импульсного сигнала (см. фиг. 1) соединен с соответствующими выводами (неинвертирующим и инвертирующим) дифференциального усилителя 2.
Дифференциальный усилитель 2 может быть выполнен на операционном усилителе 14 и включать резисторы 15, 16, 17, 18, равной величины (см. фиг. 1) при усилении равным единице (операционный усилитель 14 также может включать резисторы 15, 16, 17, 18 не равной величины при большем усилении). Резисторы 15 и 16 последовательно соединены, при этом точка объединения подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 14. Другие выводы резисторов 15 и 16 являются соответственно неинвертирующим входом дифференциального усилителя 2 и неинвертирующим входом 13 смещения нуля дифференциального усилителя 2. Резисторы 17 и 18 последовательно соединены, их точка объединения подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 14. Другой вывод резистора 18 подключен к выходу операционного усилителя 14, а другой вывод резистора 17 является инвертирующим входом дифференциального усилителя 2.
Дифференциальный усилитель 2 может быть выполнен также в виде измерительного усилителя, включающего три операционных усилителя, например, 1463УБХХХ и др. (см. фиг. 2).
Неинвертирующий повторитель 3 напряжения может быть выполнен на операционном усилителе 19, неинвертирующий вход которого является входом неинвертирующего повторителя 3 напряжения, а инвертирующий вход соединен с выходом операционного усилителя 19, который является выходом неинвертирующего повторителя 3 напряжения (см. фиг. 1).
Неинвертирующий повторитель 3 напряжения также может быть выполнен на дискретных биполярных или полевых транзисторах, например, на эмиттерном повторителе напряжения (на фиг. 1, фиг. 2 не показано).
Резистивный делитель 10 напряжения может быть выполнен в виде последовательно соединенных резисторов 20 и 21, точка объединения которых является выходом резистивного делителя 10 напряжения (см. фиг. 1). Другие выводы резисторов 20 и 21 являются соответственно первым и вторым выводами резистивного делителя 10 напряжения.
В пиковом детекторе в качестве источника 1 импульсного сигнала (см. фиг. 4) может быть использован источник импульсного напряжения с конденсаторами 22 и 23, один вывод каждого из которых является выводом источника 1 импульсного сигнала.
В пиковом детекторе в качестве источника 1 импульсного сигнала (фиг. 5) может быть использован источник импульсного напряжения с последовательным резонансным (колебательным) контуром, при этом точка объединения источника импульсного напряжения и первого вывода катушки индуктивности 24 является первым выводом источника 1 импульсного сигнала, точка объединения второго вывода катушки индуктивности 24 и первого вывода конденсатора 25 является вторым выводом источника 1 импульсного сигнала, а второй вывод конденсатора 25 (третий вывод источника 1 импульсного сигнала) подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 14 дифференциального усилителя 2.
Пиковый детектор работает следующим образом.
В исходном статическом состоянии на выводах источника 1 импульсного сигнала, подключенного к дифференциальному усилителю 2, нулевое напряжение. На неинвертирующем входе 13 смещения нуля дифференциального усилителя 2 напряжение равно около 0,7 В и определяется напряжением на прямо смещенном переходе второго диода 5 в зависимости от величины резистора 9 и протекающего через него постоянного тока от шины 8 питания постоянного тока. Организованное смещение 0,7 В повторяется на выходе дифференциального усилителя 2 (за счет деления на два резисторами 15 и 16 и последующего умножения на два резисторами 17 и 18) и аноде первого диода 4, смещая его в открытое состояние и обеспечивая температурную компенсацию. Однако, из-за различных токов, протекающих через первый 4 и второй 5 диоды, на катоде первого диода 4 присутствует постоянное напряжение уровнем около 0,2 В (таким образом, падение через первый диод составляет около 0,5 В и определяется током в зависимости от суммы сопротивлений резисторов 20 и 21). Далее напряжение 0,2 В поступает на вход неинвертирующего повторителя 3 напряжения и повторяется на выходе пикового детектора.
Статический уровень 0,2 В на выходе пикового детектора участвует в индикации связи с источником 1 импульсного сигнала и сигнализирует о рабочем режиме пикового детектора без входного сигнала.
Индикация отсутствия связи с источником 1 импульсного сигнала работает следующим образом. Если отсутствует связь с первым выводом «+» источника 1 импульсного сигнала, тогда дифференциальный усилитель 2 трансформируется в неинвертирующий усилитель напряжения за счет резисторов 17 и 18 с коэффициентом передачи равный двум, а входным сигналом каскада становится напряжение на входе смещения нуля 13 дифференциального усилителя 2 равное около 0,7 В. Таким образом, на аноде первого диода 4 напряжение составит 1,4 В, а на его катоде, с учетом прямого падения, напряжение составит 0,9 В. Далее 0,9 В повторится на выходе пикового детектора сигнализируя о нарушении связи с первым выводом «+» источника 1 импульсного сигнала.
Если отсутствует связь со вторым выводом «-» источника 1 импульсного сигнала, тогда дифференциальный усилитель 2 трансформируется в неинвертирующий повторитель напряжения за счет резистора 18, при этом резисторы 15 и 16 образуют делитель, который делит напряжение на входе смещения нуля 13 дифференциального усилителя 2 до 0,35 В, далее это напряжение повторяется на выходе дифференциального усилителя 2. Но напряжения 0,35 В не достаточно, чтобы открыть первый диод 4, поэтому выходное напряжения пикового детектора равно нулю, таким образом, сигнализируя о нарушении связи со вторым выводом «-» источника 1 импульсного сигнала.
диф
сф
В динамическом режиме, когда с источника импульсного 1 сигнала поступает короткий импульс дифференциального источника 11 (Е), сопровождаемый, например, низкочастотной синусоидальной модуляцией - помехой от синфазного источника 12 (Е), на выходе дифференциального усилителя 2 повторяется сигнал дифференциального источника 11 и уничтожается синусоидальная составляющая синфазного источника 12 (см. фиг. 3). За счет организованного смещения на втором диоде 5, резистора 9 и положительной шины 8 питания обеспечивается открытое состояние первого диода 4, через который под действием входного импульсного сигнала осуществляется быстрый заряд первого конденсатора 7 до значения равного амплитуде входного импульса. Далее осуществляется медленный разряд накопленного напряжения через резистивный делитель 10 напряжения со вторым конденсатором 7. Продетектированное напряжение на первом конденсаторе 6 повторяется на выходе неинвертирующего повторителя 3 напряжения и соответственно на выходе пикового детектора (см. фиг. 3).
Резисторы 20 и 21 резистивного делителя 10 напряжения со вторым конденсатором 7 образуют цепь положительной обратной связи, которая обеспечивает стабилизацию тока разряда первого конденсатора 6, и позволяет многократно увеличить время разряда пикового детектора (более чем в 3 раза), при этом экспоненциальный закон разряда превращается в линейный. Увеличение времени разряда пикового детектора в свою очередь позволяет уменьшить емкость первого конденсатора 6 и, как следствие, повысить быстродействие пикового детектора.
Резисторы 20 и 21 резистивного делителя 10 напряжения, являясь цепью утечки (разряда), обеспечивают стабильность работы и надежность неинвертирующего повторителя 3 напряжения. Небольшие значения сопротивлений резисторов 20 и 21 позволяют использовать в качестве неинвертирующего повторителя 3 напряжения, как операционные усилители с полевым, так и биполярным входами. Постоянная времени линейного разряда пикового детектора равна:
Помехозащищенность пикового детектора от синфазных помех и электромагнитных наводок (источника 12) обеспечивается за счет линейного режима работы дифференциального усилителя 2 (без пороговых нелинейных диодных цепей в цепи обратной связи, в отличие от наиболее близкого аналога), обладающего большим коэффициентом подавления синфазных напряжений (до 70 дБ). При этом организованное постоянное напряжение смещения на неинвертирующем входе смещения нуля 13 не препятствует подавлению помех за счет полностью открытого диода 5 и исключения влияния его динамического сопротивления.
Повышенное быстродействие пикового детектора обеспечивается за счет введения: вышеуказанного линейного режима работы каскада, при котором дифференциальный усилитель 2 и неинвертирующий повторитель 3 напряжения не имеют насыщенных состояний и, следовательно, не требуют дополнительных времен для выхода из них; вышеуказанного смещения на первом диоде 4, позволяющего исключить время на его отпирание; исключения из общей обратной связи; небольшой величины емкости «запоминающего» первого конденсатора 9. Таким образом, быстродействие пикового детектора увеличивается более чем в 2,5 раза и в целом определяется лишь быстродействием используемых операционных усилителей 14 и 19.
При выполнении источника 1 импульсного сигнала с дополнительными конденсаторами 22 и 23 (см. фиг. 4) с дифференциальным усилителем 2 (на операционном усилителе 14 и резисторах 15, 16, 17, 18) возможно обеспечить фильтрацию паразитного низкочастотного дифференциального сигнала (например, вибрации) и осуществить соответствующую защиту полезного импульсного сигнала. Конденсаторы 22 и 23 с резисторами 15, 16, 17, 18 с симметричными номиналами образуют фильтры верхних частот первого порядка на неинвертирующем и инвертирующем входах операционного усилителя 14 соответственно. Таким образом, дифференциальный каскад, сохраняя основное свойство по подавлению синфазных помех, обеспечивает фильтрацию паразитного низкочастотного дифференциального сигнала. Амплитудно-частотная характеристика на выходе дифференциального усилителя 2 соответствует амплитудно-частотной характеристике фильтра верхних частот первого порядка и приведена на фиг. 6.
При выполнении источника 1 импульсного сигнала с селективным последовательным колебательным (резонансным) контуром (см. на фиг. 5) на катушке индуктивности 24 и конденсаторе 25 с дифференциальным усилителем 2 на операционном усилителе 19 и резисторах 15, 16, 17, 18, возможно обеспечить повышенную избирательность длительности входных коротких импульсов относительно низкочастотных дифференциальных помех, а также сигналов произвольной длительности. Для этого длительность импульсов источника 1 импульсного сигнала должна соответствовать резонансной частоте колебательного контура:
вх_имп
где τ - длительность импульсов источника 1 импульсного сигнала;
рез
ƒ - резонансная частота колебательного контура, которая равна:
где L и С - индуктивность катушки индуктивности 24 и емкость конденсатора 25 последовательного колебательного контура соответственно.
Амплитудно-частотная характеристика на выходе дифференциального усилителя 2 на операционном усилителе 19 и резисторах 15, 16, 17, 18 с последовательным колебательным контуром на катушке индуктивности 24 и конденсаторе 25 источника 1 импульсного приведена на фиг. 7. Дифференциальный каскад, сохраняя свойство по подавлению синфазных помех, обеспечивает выделение частоты (длительности) полезного сигнала (импульсов), настроенного на резонансную частоту колебательного (резонансного) контура и подавление других частот паразитного дифференциального сигнала.
Испытания макета пикового детектора, выполненного на прецизионном операционном усилителе типа 544УД15У3, прецизионных резисторах Р1-16П, согласованной паре диодов типа 2Д807А, прецизионных конденсаторах К10-43, и моделирование в САПР Micro-Cap (с моделью операционного усилителя LF357, аналога 544УД15У3), подтвердили его работоспособность и заявленные технические результаты. При испытаниях макета подтверждено, что пиковый детектор с дифференциальным входом обеспечивает высокое быстродействие и детектирование импульсов длительностью ≥0,1 мкс, подавление синфазных помех и электромагнитных наводок, индикацию обрыва цепи источника импульсного сигнала. Дополнительно подтверждено подавление низкочастотных дифференциальных помех (до 10 кГц) при выполнение источника импульсного сигнала с конденсаторами и повышенную избирательность входных коротких импульсов длительностью 0,6 мкс относительно низкочастотных дифференциальных помех и сигналов произвольной длительности при выполнении источника импульсного сигнала с последовательным колебательным контуром (с катушкой индуктивности 60 мкГн и конденсатором 604 пФ).