УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЪЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ С ФОТОДИОДОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована, например, в системах обнаружения, захвата и автосопровождения объектов, излучающих в оптическом диапазоне.
Известно устройство [1], предназначенное для съема и обработки сигналов с фотодиодов. Устройство [1] содержит последовательно соединенные преобразователи тока фотодиода в напряжение, дискретно-временные интеграторы, а также устройство выборки-хранения, последовательно во времени подключаемое к выходам дискретно-временных интеграторов. Однако в известном устройстве [1] не реализована возможность съема сигналов с вращающихся фотодиодов и передачи их на невращающуюся часть устройства, а, кроме того, отсутствует возможность регулирования коэффициента передачи сигналов.
Указанные недостатки были устранены в известном устройстве [2] для съема и обработки сигналов с вращающихся фотодиодов, которое является наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели и поэтому выбрано в качестве прототипа. Устройство [2] состоит из вращающейся и невращающейся частей, электрически связанных между собой содержащим пять контактов контактным устройством, установленным коаксиально вращающейся части. Вращающаяся часть устройства содержит:
- последовательно соединенные первый преобразователь тока фотодиода в напряжение (трансимпедансный усилитель) и первый дискретно-временной интегратор, причем вход преобразователя тока фотодиода в напряжение соединен с первым фотодиодом, а выход дискретно-временного интегратора - с первым контактом контактного устройства;
- последовательно соединенные второй преобразователь тока фотодиода в напряжение и второй дискретно-временной интегратор, причем
вход преобразователя тока фотодиода в напряжение соединен со вторым фотодиодом, а выход дискретно-временного интегратора - со вторым контактом контактного устройства;
- триггер, выход которого соединен с управляющими входами ключей первого и второго дискретно-временных интеграторов, причем первый вход триггера подключен к четвертому контакту контактного устройства, а второй вход - к пятому контакту контактного устройства;
- схему питания всех цепей вращающейся части устройства. Первый и второй входы схемы питания соединены соответственно с первым и вторым входами триггера. Третий контакт контактного устройства является общим проводом вращающейся и невращающейся частей устройства.
Невращающаяся часть устройства содержит:
- подключенные к первому контакту контактного устройства последовательно соединенные первое устройство выборки-хранения, первый полосовой фильтр, состоящий из фильтра высоких частот и фильтра низких частот, схему задержки уровня срабатывания импульсного детектора, импульсный детектор, управляющий вход которого связан с внешним управляющим устройством, фильтр низких частот, сумматор, ко второму входу которого подключен источник начального смещения, схему сравнения, первый одновибратор, выход которого подключен к четвертому контакту контактного устройства;
- последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, схему синхронизации, генератор пилообразного напряжения, выход которого подключен ко второму входу схемы сравнения;
- ко второму контакту контактного устройства подключены последовательно соединенные второе устройство выборки-хранения и второй полосовой фильтр, состоящий из фильтра высоких частот и фильтра низких частот, а к первому контакту - последовательно соединенные третье устройство выборки-хранения и второй фильтр низких частот;
- выход схемы синхронизации подключен также к пятому контакту контактного устройства, а ее второй выход - к управляющим входам первого и второго устройств выборки-хранения;
- выход первого одновибратора через второй одновибратор связан с управляющим входом третьего устройства выборки-хранения.
Информационными входами устройства являются входы первого и второго преобразователей тока фотодиода в напряжение, а выходами -выходы первого и второго полосовых фильтров и выход второго фильтра низких частот.
В известном устройстве [2], выбранном в качестве прототипа, с помощью контактного устройства реализуется съем сигналов с вращающихся фотодиодов, а регулирование коэффициентов усиления сигналов осуществляется путем изменения времени интегрирования дискретно-временного интегратора, определяемого длительностью выходного сигнала триггера. Выходной сигнал триггера существует в интервале времени между поступающим на триггер импульсом с первого одновибратора и импульсом со схемы синхронизации, определяющим начало периода сигнала с генератора пилообразного напряжения. Импульс с первого одновибратора образуется в момент совпадения в схеме сравнения сигнала с генератора пилообразного напряжения и постоянного напряжения, формируемого импульсным детектором и первым фильтром низких частот из выходного сигнала первого полосового фильтра, превысившего установленный уровень задержки. Полосовые фильтры в известном устройстве [2] оптимизируют отношение сигнал - шум, когда цепь регулирования разомкнута. Третье устройство выборки-хранения, в котором обновляется и «считывается» значение сигнала во время действия импульса со второго одновибратора, и последовательно соединенный с ним фильтр низких частот предназначены для передачи во внешнее устройство нерегулируемого по величине сигнала.
Известное устройство [2], принятое за прототип, как и предлагаемая полезная модель, предназначено для использования в системе, имеющей следующие особенности.
1. В процессе работы системы на входе устройства формируется изменяющийся по величине сигнал. Если, например, при его минимальном значении устанавливается максимальное значение коэффициента усиления, то при возрастании сигнала система работает неустойчиво до установления в ней нового значения коэффициента усиления, соответствующего сигналу. Это является существенным недостатком известного устройства [2], ограничивающим возможность его использования в условиях, когда входной сигнал изменяется, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения.
2. При появлении на входе устройства импульсной помехи, многократно превышающей полезный сигнал, полезный сигнал искажается, а при его относительно небольшой величине полностью подавляется. Это обусловлено тем, что дискретно-временной интегратор переходит в режим насыщения и является вторым существенным недостатком выбранного за прототип известного устройства [2].
3. В системе оказывается необходимым передавать на выход устройства сигналы непосредственно с выходов преобразователей тока фотодиода в напряжение (нерегулируемые по величине сигналы).
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение адаптации устройства съема и обработки сигналов с фотодиодов к условиям его работы в системе, в состав которой оно входит.
Для достижения этого технического результата предлагается устройство для съема и обработки сигналов с фотодиодов, которое, как и наиболее близкое к нему, выбранное в качестве прототипа, состоит из вращающейся и невращающейся частей, электрически соединенных контактным устройством, содержащим пять контактов, первого и второго преобразователя тока фотодиода в напряжение, первого и второго дискретно-временного интегратора, триггера и схемы электропитания, первого, второго и третьего устройств выборки-хранения, первого и второго полосовых фильтров, каждый из которых состоит из фильтра низких частот и фильтра высоких частот, последовательно соединенных первой схемы задержки, первого импульсного детектора, управляющий вход которого подключен к
внешнему управляющему устройству, и фильтра низких частот, последовательно соединенных генератора тактовых импульсов, схемы синхронизации, генератора пилообразного напряжения, схемы сравнения, ко второму входу которой подключен сумматор, первый вход которого связан с источником постоянного напряжения, и одновибратора. Первый выход схемы синхронизации связан также через пятый контакт контактного устройства с первыми входами триггера и схемы электропитания, со вторыми входами которых через четвертый контакт контактного устройства связан выход одновибратора. Второй выход схемы синхронизации подключен к управляющим входам первого и третьего устройств выборки-хранения, сигнальные входы которых соединены соответственно с первым и вторым контактами контактного устройства. К первому контакту контактного устройства подключены последовательно соединенные второе устройство выборки-хранения и фильтр низких частот, а третий контакт является общим проводом для всех цепей устройства. Особенностью предлагаемой полезной модели, отличающей его от известного устройства [2], принятого за прототип, является то, что между первым преобразователем тока фотодиода в напряжение и первым дискретно-временным интегратором, вторым преобразователем и вторым дискретно-временным интегратором включены фильтры высоких частот соответственно первого и второго полосовых фильтров устройства. Фильтры низких частот первого и второго полосовых фильтров устройства подключены соответственно к выходам первого и третьего устройств выборки-хранения, причем выход первого фильтра низких частот подключен к входу первой схемы задержки. В обратные связи дискретно-временных интеграторов включены соответственно первый и второй ограничители, а их управляющие входы соединены с выходом дополнительно введенного вычитателя, первый вход которого подключен к выходу триггера, а второй - к четвертому контакту контактного устройства. Между первым и вторым контактами контактного устройства и выходами первого и второго дискретно-временных интеграторов соответственно включены дополнительно введенные первый и второй коммутаторы, вторые
входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго преобразователей тока фотодиода в напряжение, а управляющие входы - с выходом триггера. Вход дополнительно введенных последовательно соединенных четвертого устройства выборки-хранения и четвертого фильтра низких частот подключен ко второму контакту контактного устройства, а управляющие входы второго и четвертого устройств выборки-хранения - к третьему выходу схемы синхронизации. Второй выход схемы синхронизации подключен также ко второму входу сумматора, между выходом фильтра низких частот и четвертым входом сумматора включен дополнительно введенный первый усилитель-ограничитель, а к третьему входу сумматора подключен выход цепи из последовательно соединенных дополнительно введенных второй схемы задержки, вход которой связан с выходом второго устройства выборки-хранения, второго импульсного детектора, фильтра низких частот и второго усилителя - ограничителя, причем четвертым выходом устройства является выход четвертого фильтра низких частот. Информационными входами устройства являются входы преобразователей тока фотодиода в напряжение, а выходами - выходы первого, второго, третьего и четвертого фильтров низких частот.
Технический результат, достигнутый в предлагаемой полезной модели, получен за счет следующего.
1. В предложенной полезной модели в обратные связи первого и второго дискретно-временных интеграторов включены ограничители, которые исключают возможность работы дискретно-временных интеграторов в режиме насыщения и, следовательно, подавление мощной помехой полезного сигнала.
2. Для исключения влияния засветок фотодиодов фоном и ослабления влияния помех, используемые в прототипе полосовые фильтры разделяются на две части: фильтры высоких частот и фильтры низких частот. При этом фильтры высоких частот устанавливаются между преобразователями тока фотодиода в напряжение и дискретно-временными интеграторами, а
фильтры низких частот остаются на месте полосовых фильтров, что, в том числе, нормализует работу дискретно-временных интеграторов.
3. Для выдачи во внешнее устройство регулируемых и нерегулируемых сигналов на выходах вращающейся части устройства установлены вновь введенные коммутаторы сигналов, к сигнальным входам которых подключены преобразователи тока фотодиода в напряжение и дискретно-временные интеграторы, а к управляющим входам - выход триггера. При этом для разделения моментов срабатывания управляющих ключей коммутаторов и дискретно-временных интеграторов к управляющим входам дискретно-временных интеграторов подключен выход вновь введенного вычитателя длительности. Выходы коммутаторов через первый и второй контакты контактного устройства подключены к входам четырех устройств выборки-хранения, с выходов которых сигналы через фильтры низких частот поступают на выход устройства.
4. Для исключения нестабильности системы, для которой предназначено устройство, введена дополнительная цепь формирования сигнала регулирования коэффициента усиления, состоящая из последовательно соединенных второй схемы задержки, второго импульсного детектора, фильтра низких частот и второго усилителя - ограничителя. Вторая схема задержки включена между выходом УВХ2 и входом сумматора. При этом при относительно больших сигналах (уровень задержки во второй схеме больше уровня задержки в первой схеме) с помощью введенной цепи с опережением уменьшается коэффициент усиления (с возрастанием сигнала на входе устройства).
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлен один из конкретных примеров выполнения заявляемого устройства.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства;
на фиг.2 - временные диаграммы сигналов его отдельных блоков, поясняющие работу устройства.
Устройство для съема и обработки сигналов с двух вращающихся фотодиодов (см. фиг.1) состоит из вращающейся 1 и невращающейся 2 частей. Электрическая связь частей 1 и 2 осуществляется посредством контактного устройства 3, содержащего пять контактов (I, II, III, IV, V), которые через жесткий кабель (на фиг.не показан) связаны с вращающейся 1 частью устройства и через гибкий кабель - с невращающейся 2 частью устройства.
На фиг.1 введены следующие обозначения и нумерация блоков, расположенных на вращающейся 1 части устройства:
4 - первый преобразователь тока фотодиода в напряжение (ПФН1);
5 - первый фильтр высоких частот (ФВЧ1);
6 - первый дискретно-временной интегратор (ДВИ1);
7 - первый коммутатор (КМР1);
8 - второй преобразователь тока фотодиода в напряжение (ПФН2);
9 - второй фильтр высоких частот (ФВЧ2);
10 - второй дискретно-временной интегратор (ДВИ2);
11 - второй коммутатор (КМР2);
12 - триггер (Т) управления ключами первого 6 и второго 10 ДВИ;
13 - схема питания (СП) преобразователей 4 и 8 тока фотодиода в напряжение;
14 - первый ограничитель (ОГР1);
15 - второй ограничитель (ОГР2);
16 - вычитатель (ВЫЧ).
Блоки, расположенные на невращающейся 2 части устройства имеют следующие обозначения и нумерацию:
17 - первое устройство выборки-хранения (УВХ1);
18 - второе устройство выборки-хранения (УВХ2);
19 - третье устройство выборки-хранения (УВХ3);
20 - четвертое устройство выборки-хранения (УВХ42);
21 - первый фильтр низких частот (ФНЧ1);
22 - второй фильтр низких частот (ФНЧ2);
23 - третий фильтр низких частот (ФНЧ3);
24 - четвертый фильтр низких частот (ФНЧ4);
25 - первая схема задержки (Сх.з1);
26 - первый импульсный детектор (ИД1);
27 - пятый фильтр низких частот (ФНЧ5);
28 - первый усилитель-ограничитель (УОГ);
29 - генератор тактовых импульсов (ГТИ);
30 - схема синхронизации (СС);
31 - генератор пилообразного напряжения (ГПН);
32 - схема сравнения (Сх.ср.);
33 - сумматор (Σ);
34 - одновибратор (OВ);
35 - вторая схема задержки (Сх.з2);
36 - второй импульсный детектор (ИД2);
37 - шестой фильтр низких частот (ФНЧ6);
38 - второй усилитель - ограничитель (У 02).
Общим проводом для всех цепей устройства является третий контакт III контактного устройства 3, информационными входами устройства являются входы первого 4 и второго 8 преобразователей тока фотодиода в напряжение, а выходами - выходы первого 21, второго 22, третьего 23 и четвертого 24 фильтров низких частот.
oc
ПФН1 выполнен на основе операционных усилителей (ОУ) трансимпедансного усилителя с резистором R = 3 Мом в обратной связи (ОС);
ФВЧ1 и ФВЧ2 выполнены на CR - цепях;
ДВИ1 и ДВИ2 выполнены на основе ОУ 744УД1А по схеме интегратора со сбросом посредством электронного ключа на микросхеме Б590КН13-1;
КМР1 и КМР2 выполнены на двух ключах микросхемы Б590КН13-1;
oc
ПФН2 выполнен на основе ОУ по схеме трансимпедансного усилителя с резистором R= I mom; триггер выполнен на микросхеме 765ТМ2; СП выполнена по схеме диодного моста на диодных матрицах 2Д 907Г с конденсаторами фильтрации питания К53-22-16В-6,8 мкф и К10-17в-Н90-0,01 мкф; ОГР1 и ОГР2 выполнены по схеме диодных ограничителей в цепи ОС ДВИ на диодной матрице 2Д 907Г; вычитатель выполнен на логических схемах 765ЛЕ5; УВХ1, УВХ2, УВХ3 и УВХ4 выполнены на ключе микросхемы Б590КН13 и конденсаторе К10-17в-М1500-1000 пф; ФНЧ1 и ФНЧ3 - активные четырехзвенные фильтры на четырех ОУ 744УД1А; ФНЧ2 и ФНЧ4 - однозвенные фильтры первого порядка на ОУ 744УД1А; Сх.з1 и Сх.з2 выполнены на ОУ 744УД1А со смещением рабочей точки; ИД1 и ИД2 выполнены на двух ОУ 744УД1А с общей ОС; ФНЧ5, ФНЧ6 - инерционные звенья RC; У 01 и У 02 выполнены на ОУ 744УД1А со стабилитроном 2С212К в ОС; ГТИ - на двух логических элементах ИЛИ-НЕ микросхемы 765ЛЕ5 с RC-цепочкой в ОС; СС - на микросхемах 765ТМ2, 765ПУ4, 765ЛЕ5 и транзисторах 2Т385АМ-2, 2Т388АМ-2; ГПН выполнен на ОУ 744УД2 с RC-цепью на входе, отрицательной и положительной ОС; Сх.ср. - на компараторе Б5 21 СА3-1; Σ - резистивный сумматор; OВ выполнен на микросхеме 765ТМ2.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
На информационные входы устройства, являющиеся входами двух параллельно работающих цепей, поступают сигналы тока раздельно с двух фотодиодов. Каждая из цепей состоит из последовательно соединенных блоков: преобразователя тока фотодиода в напряжение, фильтра высоких частот, подавляющего сигнал от постоянной засветки фоном и ослабляющего сигналы импульсных помех, дискретно-временного интегратора с включенным в цепь обратной связи ограничителем и коммутатора, ко второму входу которого подключен преобразователь тока фотодиода в напряжение.
При этом длительность процесса интегрирования каждого дискретно-временного интегратора соответствует длительности выходного сигнала вычитателя 16, а коммутация производится выходным сигналом триггера 12. После контактного устройства 3 (на невращающейся 2 части устройства) выходные сигналы первого коммутатора 7 и второго коммутатора 11 разделяются соответственно их входным сигналам путем записи их текущих значений в устройства выборки-хранения в течение времени существования управляющих сигналов «упр1» и «упр2», вырабатываемых схемой синхронизации 30. По сигналу «упр1» в первом 17 и втором 18 устройствах выборки-хранения записываются значения выходных сигналов соответственно первого 6 и второго 10 дискретно-временных интеграторов, «накопленных» к концу процесса интегрирования. По сигналу «упр2» в третьем 19 и четвертом 20 устройствах выборки-хранения записываются текущие значения сигналов соответственно с выходов первого 4 и второго 8 преобразователей тока фотодиода в напряжение. С выходов первого 17 и четвертого 20 устройств выборки-хранения сигналы соответственно через первый 21 и четвертый 24 фильтры низких частот проходят на выходы устройства. В соответствии со значениями выходных сигналов первого 21 фильтра низких частот и третьего 19 устройства выборки-хранения в устройстве формируется выходной сигнал вычитателя 16, управляющий длительностью процесса интегрирования и, следовательно, коэффициентом усиления устройства в широком диапазоне изменения его входных сигналов.
При превышении выходным сигналом первого 21 фильтра низких частот уровня задержки первой схемы задержки 25, ее выходной сигнал через последовательно соединенные первый импульсный детектор 26, пятый 27 фильтр низких частот и первый 28 усилитель - ограничитель поступает на сумматор 33.
нач
Σ
Σ
При превышении выходным сигналом третьего 19 устройства выборки-хранения уровня задержки второй схемы задержки 35 ее выходной сигнал через последовательно соединенные второй импульсный детектор 26, шестой 37 фильтр низких частот и второй 38 усилитель - ограничитель поступает на другой вход сумматора 33. На сумматор 33 также подаются сигналы начального смещения (Е) и «упр1». Выходной сигнал сумматора 33 (E) представляет собой сигнал регулирования коэффициента усиления устройства. Для передачи его на вращающуюся 1 часть устройства и преобразования в сигнал переменной длительности на выходе вычитателя 16 он подается на схему сравнения 32, выход которой через одновибратор 34 и четвертый контакту IV контактного устройства 3 связан с входами вычитателя 16, триггера 12 и схемы питания 13. Ко второму входу схемы сравнения 32 подключена цепь из последовательно соединенных генератора тактовых импульсов 29, схемы синхронизации 30 и генератора пилообразных напряжений 31. Сигнал «К1», поступающий со схемы синхронизации 30 на генератор пилообразных напряжений 31, через пятый контакт V контактного устройства 3 подается также на другие входы триггера 12 и схемы питания 13. Преобразование входного сумматора 33 в выходной сигнал вычитателя 16 поясняется временными диаграммами сигналов блоков устройства, представленными на фиг.2. Как следует из фиг.26, при достижении выходным сигналом генератора пилообразных напряжений 31 уровня E на выходе одновибратора 34 формируется сигнал «К2» (см. фиг.2в). Временной интервал между передним фронтом сигнала «К2» и передним фронтом сигнала «К1», вырабатываемого схемой синхронизации 30 (см. фиг.2а), определяет длительность выходного сигнала триггера 12 (см. фиг.2г), а временной интервал между задним фронтом сигнала «К2» и передним
фронтом сигнала «К1» определяет длительность выходного сигнала вычитателя 16 (см. фиг.2д).
нач
При сигнале на входе первой схемы задержки 25, не превышающем ее уровень задержки (уровень задержки второй схемы задержки 35 существенно выше уровня задержки первой схемы задержки 25), сигнал «К2» вырабатывается при достижении входным сигналом генератора пилообразного напряжения 31 уровня Е на выходе сумматора 33. при этом в устройстве устанавливается максимальное значение коэффициента усиления. Минимальное значение коэффициента усиления устанавливается, когда передний фронт сигнала «К2» совпадает с передним фронтом сигнала «упр1».
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет осуществлять снятие и передачу в электронный тракт оптико-электронной следящей системы неискаженных сигналов с выходов вращающихся фотодиодов. Это стало возможным благодаря следующему:
- нормализации режима работы дискретно-временных интеграторов в условиях помех;
- дополнительного регулирования коэффициента усиления сигнала при относительно больших уровнях сигнала, поступающего на вход устройства;
- выдаче во внешнее устройство регулируемых и нерегулируемых сигналов.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. «Полупроводниковые формирователи сигналов изображения» под ред. Йесперс П., Ван-Виле Ф., Уайт М., М.: «Мир», 1979, с.430.
2. Свидетельство РФ на полезную модель № 9352, кл. Н 03 К 17/00, F 41 G 7/22, опубл. 1999 - прототип.