МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР
MULTIFUNCTIONAL PEAK DETECTOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для детектирования (выделения) одиночных коротких импульсов на фоне синфазных помех и электромагнитных наводок, и преобразования выделенной (продетектированной) амплитуды как в медленно меняющееся напряжение, так и во временной интервал.
Известен пиковый детектор (преобразователь амплитуды во временной интервал) (см. В.А. Григорьев и др. "Электронные методы ядерно-физического эксперимента. М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1988 г., стр. 220, рис. 7.10), содержащий зарядное устройство (эмиттерный повторитель), выход которого через линейную схему пропускания и диод соединен с первым запоминающим конденсатором, который соединен с входом пикового детектора (со вторым запоминающим конденсатором) и триггером Шмитта, выходы которых подключены к соответствующим входам триггера временного интервала, выход которого подключен к управляющему входу аналогового ключа, вход и выход которого подключен к генератору линейного тока и первому запоминающему конденсатору соответственно.
Недостатками устройства являются:
1. Функциональная, схемотехническая и конструктивная сложность, и соответственно низкая надежность за счет избыточного количества элементов и связей;
2. Низкая помехозащищенность от синфазных помех и электромагнитных наводок;
3. Низкое быстродействие из-за большого числа последовательно соединенных каскадов и необходимости дополнительного времени для отпирания диодов запоминающего устройства пикового детектора;
4. Отсутствие индикации обрыва цепи источника сигнала.
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 операционного 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 являются:
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. Низкая надежность неинвертирующего повторителя напряжения из-за отсутствия резистора утечки (разряда), вследствие чего возможен его выход из строя;
4. Отсутствие индикации обрыва цепи источника сигнала;
5. Ограниченные функциональные возможности, не обеспечивающие преобразования амплитуды входного импульсного сигнала в выходной временной интервал.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании многофункционального пикового детектора, преобразующего входной импульсный сигнал в медленно меняющееся напряжение или во временной интервал, с повышенным быстродействием, с повышенной помехозащищенностью от синфазных помех и электромагнитных наводок.
Техническими результатами, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, являются повышение быстродействия, повышение помехозащищенности от синфазных помех и электромагнитных наводок, а также расширение функциональных возможностей.
Данные технические результаты достигаются тем, что в многофункциональном пиковом детекторе, содержащем положительную шину питания, первый и второй диоды, источник импульсного сигнала, имеющий, по крайней мере, два вывода, каждый из которых соединен с соответствующим входом дифференциального усилителя, выполненного, по крайней мере, на одном операционном усилителе, выход дифференциального усилителя соединен с анодом первого диода, катод которого соединен с входом неинвертирующего повторителя напряжения и через первый конденсатор с общей шиной, новым является то, что дополнительно введены первый и второй компараторы напряжения, третий и четвертый диоды, второй и третий конденсаторы, первый, второй и третий резисторы, логический элемент "И" и резистивный делитель напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод соединен с входом неинвертирующего повторителя напряжения, выход которого является первым выходом многофункционального пикового детектора и соединен через второй конденсатор с выходом резистивного делителя напряжения и с неинвертирующими входами первого и второго компараторов напряжения, выход последнего из которых соединен с первым входом логического элемента "И", выход которого является вторым выходом многофункционального пикового детектора, а второй вход - соединен с выходом первого компаратора напряжения, с первым выводом первого резистора и катодом второго диода, анод которого и второй вывод первого резистора соединены с инвертирующим входом второго компаратора напряжения и через третий конденсатор с общей шиной, с которой соединен первый вывод второго резистора, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого компаратора напряжения и катодом третьего диода, анод которого соединен с выходом дифференциального усилителя, неинвертирующий вход смещения нуля которого соединен через третий резистор с положительной шиной питания и с анодом четвертого диода, катод которого соединен с общей шиной.
Повышение быстродействия и помехозащищенности от синфазных помех и электромагнитных наводок достигаются 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 четвертого диода, третьего резистора и положительной щины питания в цепи неинвертирующего входа смещения нуля дифференциального усилителя; исключения общей обратной связи; уменьшения емкости первого конденсатора за счет введения цепи положительной обратной связи в неинвертирующий повторитель напряжения через второй конденсатор, увеличивающей время разряда.
Расширение функциональных возможностей достигается за счет реализации функции индикации обрыва цепи источника импульсного сигнала, благодаря организованному смещению на неинвертирующем входе смещения нуля дифференциального усилителя с помощью четвертого диода, третьего резистора и положительной шины питания, что обеспечивает сигнализацию наличия или отсутствия связи с источником импульсного сигнала в виде постоянного напряжения на первом выходе многофункционального пикового детектора уровнем около 0,2 В или 0,9 В соответственно; преобразования амплитуды входного импульсного сигнала в выходной временной интервал, которое реализуется благодаря сравнению спадающего напряжения на первом выходе многофункционального пикового детектора и нарастающего напряжения после интегрирующей RC-цепи на первом резисторе и третьем конденсаторе, формируемых параллельно с помощью первого и второго компараторов напряжения и логической функции "И".
На фиг. 1 представлена принципиальная схема многофункционального пикового детектора (далее - пиковый детектор). На фиг. 2 представлены диаграммы работы пикового детектора. На фиг. 3 и фиг. 4 представлены диаграммы формирования выходных временных интервалов пикового детектора по близким к линейному и логарифмическому законам соответственно.
Пиковый детектор (см. фиг. 1) содержит источник 1 импульсного сигнала, дифференциальный усилитель 2, неинвертирующий повторитель 3 напряжения, первый 4 и второй 5 компараторы напряжения, логический элемент "И" 6, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 диоды, первый 11, второй 12 и третий 13 конденсаторы, первый 14, второй 15 и третий 16 резисторы, положительную шину 17 питания, резистивный делитель 18 напряжения, неинвертирующий вход смещения нуля 19 дифференциального усилителя 2 (данный вход также известен, как вход опорного напряжения, REF или Reference).
Каждый вывод (первый "+" и второй "-") источника 1 импульсного сигнала (см. фиг. 1) соединен с соответствующими выводами (неинвертирующим и инвертирующим) дифференциального усилителя 2. Выход дифференциального усилителя 2 соединен с анодом первого диода 7, катод которого соединен с входом неинвертирующего повторителя 3 напряжения и через первый конденсатор 11 с общей шиной. Первый вывод резистивного делителя 18 напряжения соединен с общей шиной, а второй вывод соединен с входом неинвертирующего повторителя напряжения 3, выход которого является первым выходом пикового детектора и соединен через второй конденсатор 12 с выходом резистивного делителя 18 напряжения и с неинвертирующими входами первого 4 и второго 5 компараторов напряжения, выход последнего из которых соединен с первым входом логического элемента "Й" 6, выход которого является вторым выходом пикового детектора, а второй вход - соединен с выходом первого компаратора 4 напряжения, с первым выводом первого резистора 14 и катодом второго диода 8, второй вывод первого резистора 14 и анод второго диода 8 соединены с инвертирующим входом второго компаратора 5 напряжения и через третий конденсатор 13 с общей шиной, с которой соединен первый вывод второго резистора 15, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом первого компаратора 4 напряжения и катодом третьего диода 9, анод которого соединен с выходом дифференциального усилителя 2, неинвертирующий вход смещения нуля 19 которого соединен через третий резистор 16 с положительной шиной питания 17 и с анодом четвертого диода 10, катод которого соединен с общей шиной.
Источник 1 импульсного сигнала может быть выполнен на источниках импульсного дифференциального 20 и синфазного 21 сигналов (см. фиг.1).
Дифференциальный усилитель 2 может быть выполнен на операционном усилителе 22 и включать резисторы 23, 24, 25, 26 с сопротивлениями равной величины (см. фиг. 1) при коэффициенте усиления равном единице (операционный усилитель 22 также может включать резисторы 23, 24, 25, 26 не равной величины при большем усилении). Резисторы 23 и 24 последовательно соединены, при этом точка объединения подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 22. Другие выводы резисторов 23 и 24 являются соответственно неинвертирующим входом дифференциального усилителя 2 и неинвертирующим входом 19 смещения нуля дифференциального усилителя 2. Резисторы 25 и 26 последовательно соединены, их точка объединения подключена к инвертирующему входу операционного усилителя 22. Другой вывод резистора 26 подключен к выходу операционного усилителя 22, а другой вывод резистора 25 является инвертирующим входом дифференциального усилителя 2.
Дифференциальный усилитель 2 также может быть выполнен в виде измерительного усилителя, включающего три операционных усилителя, например, 1463УБХХХ и др. (на фиг. 1 не показано).
Резистивный делитель 18 напряжения может быть выполнен в виде последовательно соединенных резисторов 27 и 28, точка объединения которых является выходом резистивного делителя 18 напряжения (см. фиг. 1). Другие выводы резисторов 27 и 28 являются соответственно первым и вторым выводами резистивного делителя 18 напряжения.
Неинвертирующий повторитель 3 напряжения может быть выполнен на операционном усилителе 29, неинвертирующий вход которого является входом неинвертирующего повторителя 3 напряжения, а инвертирующий вход соединен с выходом операционного усилителя 29, 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 не показано).
Многофункциональный 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 19 смещения нуля дифференциального усилителя 2 напряжение равно около 0,7 В и определяется напряжением на прямо смещенном переходе диода 10 в зависимости от величины резистора 16 и протекающего через него постоянного тока от положительной шины питания 17. Организованное смещение 0,7 В повторяется на выходе дифференциального усилителя 2 (за счет деления на два резисторами 23, 24 и последующего умножения на два резисторами 25, 26), анодах первого 7 и третьего 9 диодов, смещая их в открытые состояния и обеспечивая температурную компенсацию. Однако, из-за различных токов, протекающих через диоды 10, 7, 9, определяемых соответствующими сопротивлениями (нагрузками) резисторов 16 (R16), и 27 и 28 (R27 и R28), 15 (R15), причем R16<(R27+R28)<R15, на катоде диода 7 присутствует постоянное напряжение уровнем около 0,2 В, а на катоде диода 9 - около 0,25 В (т.е. заданы следующие прямые падения напряжения: у диода 10 - около 0,7 В, у диода 7 - около 0,5 В, у диода 9 - около 0,45 В). Далее напряжение с диода 7 (0,2 В) поступает на вход неинвертирующего повторителя 3 напряжения и повторяется на первом выходе пикового детектора. Напряжения с диода 9 (0,25 В) и первого выхода пикового детектора (0,2 В) сравниваются на компараторе 4 напряжения, в результате чего на его выходе устанавливается напряжение логического "0", который также устанавливает напряжение логического "0" на выходе логического элемента "И" и соответственно на втором выходе пикового детектора, свидетельствуя об отсутствии преобразований в статическом состоянии.
Статический уровень 0,2 В на первом выходе пикового детектора участвует в индикации обрыва 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 25 и 26 с коэффициентом передачи равный двум, а входным сигналом каскада становится напряжение на входе смещения нуля 19 дифференциального усилителя 2 равное ≈ 0,7 В. Таким образом, на аноде диода 7 напряжение составит 1,4 В, на его катоде, с учетом прямого падения (0,5 В), напряжение составит 0,9 В. Далее 0,9 В повторится на первом 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 26, при этом резисторы 23 и 24 образуют делитель, который делит напряжение на входе смещения нуля 19 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 диод 7, поэтому на первом выходе пикового детектора напряжение равно нулю, таким образом, сигнализируя о нарушении связи со вторым выводом "-" источника 1 импульсного сигнала.
Второй выход пикового детектора в индикации отсутствия связи с источником импульсного 1 сигнала не участвует и при обрыве первого или второго выводов источника 1 установлен в логический "О".
диф
сф
В динамическом режиме, когда с источника импульсного 1 сигнала поступает, например, треугольный импульс дифференциального источника 20 (E), сопровождаемый низкочастотной синусоидальной модуляцией - помехой от синфазного источника 21 (E), на выходе дифференциального усилителя 2 повторяется сигнал дифференциального источника 20 и уничтожается синусоидальная составляющая синфазного источника 21 (ем. фиг. 2). За счет организованного смещения на диоде 10, резисторе 16 и положительной шине 17 питания обеспечивается открытое состояние диода 7, через который под действием входного импульсного сигнала осуществляется быстрый заряд конденсатора И до значения равного амплитуде входного импульса. Далее осуществляется медленный разряд накопленного напряжения через резистивный делитель 18 с конденсатором 12. Продетектированное напряжение на конденсаторе 11 повторяется на выходе неинвертирующего повторителя 3 напряжения и соответственно на первом выходе пикового детектора (см. Uвых1 на фиг. 2). Тем самым обеспечивается преобразование входного импульсного сигнала в выходное медленно меняющееся напряжение.
Резисторы 27 и 28 резистивного делителя 18 напряжения с конденсатором 12 образуют цепь положительной обратной связи, которая обеспечивает стабилизацию тока разряда конденсатора 11, и позволяет увеличить время разряда пикового детектора (более чем в 2,5 раза), при этом экспоненциальный закон разряда превращается в линейный. Увеличение времени разряда пикового детектора в свою очередь позволяет уменьшить емкость первого конденсатора 11 и, как следствие, повысить быстродействие пикового детектора.
Резисторы 27 и 28 резистивного делителя 18 напряжения, являясь цепью утечки (разряда), обеспечивают также стабильность работы и надежность неинвертирующего повторителя 3 напряжения, что позволяет использовать в качестве неинвертирующего повторителя 3 операционные усилители с полевым или биполярным входами. Постоянная времени линейного разряда пикового детектора равна:
В параллельном каскаде на компараторе 4 сравниваются напряжения с первого выхода пикового детектора - линейно спадающее напряжение со статическим уровнем около 0,2 В (Uвых1) и с выхода диода 9, представляющего собой повторенный входной треугольный импульс со статическим уровнем около 0,25 В (Uд). Результатом сравнения является логический импульс, передний фронт которого соответствует моменту достижения вершины входного импульса, а задний фронт - моменту пересечения статического уровня 0,25 В (см. фиг. 2). Далее сформированный логический импульс поступает на интегрирующую RC - цепь на резисторе 14 и конденсаторе 13, которая интегрируя, задерживает (затягивает) передний фронт импульса (Uинт). Диод 8, установленный параллельно резистору 14, предназначен для разряда конденсатора 13 после завершения логического импульса и быстрого восстановления схемы при новом измерении. На компараторе 5 происходит сравнение проинтегрированного нарастающего напряжения (Uинт) и линейно спадающего напряжения с первого выхода пикового детектора (Uвых1), и в момент пересечений напряжений на выходе компаратора 5 (U5) формируется задний фронт будущего временного интервала. Далее логический элемент "И" по сигналам с компараторов 4 и 5 (U4 и U5) завершает формирование временного интервала за счет формирования переднего фронта интервала по логическому импульсу момента вершины входного импульса (U4). Тем самым на втором выходе пикового детектора обеспечивается преобразование амплитуды входного импульсного сигнала в пропорциональный выходной временной интервал.
Помехозащищенность пикового детектора от синфазных помех и электромагнитных наводок обеспечивается за счет линейного режима работы дифференциального усилителя 2 (без пороговых нелинейных диодных цепей в цепи обратной связи, в отличие от аналога), обладающего большим коэффициентом подавления синфазных напряжений (до 70 дБ). При этом организованное постоянное напряжение смещения на неинвертирующем входе смещения нуля 19 не препятствует подавлению помех за счет полностью открытого диода 10 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; организованного смещения на диоде 7 и 9, позволяющего исключить время на их отпирание; исключения общей обратной связи (в отличие от аналога); небольшой величины емкости "запоминающего" конденсатора 11. Таким образом, благодаря комплексу мер быстродействие пикового детектора (способность детектирования входных импульсов меньшей длительности) было увеличено более чем 2,5 раза и в целом определяется лишь быстродействием используемых операционных усилителей 22 и 29.
Преобразование амплитуды входного импульсного сигнала в выходной временной интервал по близкому к линейному закону обеспечивается с помощью задания определенной величины постоянной времени интегрирующей RC-цепи на резисторе 14 и конденсаторе С13, определяющей крутизну нарастающего напряжения (Uинт). На диаграмме фиг. 3 показаны напряжения на первом выходе пикового детектора, соответствующие трем различным амплитудам (Um1, Um2, Um3) с равными приращениями (ΔU1=ΔU2=ΔU3), и на выходе интегрирующей RC-цепи (Uинт). Моменты пересечений напряжений соответствуют формированию трех различных выходных временных интервалов t1, t2, t3 пропорциональных амплитудам Um1, Um2, Um3 соответственно, причем приращения длительностей примерно равны друг другу Δt1 ≈ Δt2 ≈ Δt3, что свидетельствует о линейности преобразования.
Преобразование амплитуды входного импульсного сигнала в выходной временной интервал по близкому к логарифмическому закону обеспечивается также за счет задания определенного значения интегрирующей RC-цепи, при этом решается задача по расширению входного и сжатию выходного динамических диапазонов. На диаграмме фиг.4 показаны напряжения на первом выходе пикового детектора, соответствующие трем различным амплитудам (Um1, Um2, Um3) с равными приращениями (ΔU1=ΔU2=ΔU3), и на выходе интегрирующей RC-цепи (Uинт), но с большей крутизной наклона нарастающего напряжения, чем на фиг. 3. Моменты пересечений напряжений соответствуют формированию трех различных выходных временных интервалов t1, t2, t3 пропорциональных амплитудам Um1, Um2, Um3 соответственно, причем приращения длительностей примерно соответствуют соотношению Δt1 ≈ 2⋅Δt2≈4⋅Δt3, что свидетельствует о сжатии выходной информации по логарифмическому закону (6 дБ/окт), позволяющему более точно измерять малые амплитуды и менее точно - большие амплитуды входного сигнала.
Испытания макета пикового детектора, выполненного на прецизионных операционных усилителях типа 544УД15У3, компараторах 1401СА1, логическом элементе "2И" 1594ЛИ1, согласованной диодной матрице типа 2Д807А, прецизионных резисторах Р1-16П, прецизионных конденсаторах К10-43 и моделирование в САПР Micro-Cap (с моделями операционного усилителя LF357 - аналога 544УД15У3, компаратора LM111-аналога 1401СА1), подтвердили его работоспособность и заявленные технические результаты. При испытаниях макета подтверждено, что многофункциональный пиковый детектор обеспечивает высокое быстродействие и детектирование импульсов длительностью ≥0,1 мкс, подавление синфазных помех и электромагнитных наводок, индикацию обрыва цепи источника импульсного сигнала по первому выходу и преобразование амплитуды входных импульсов в пропорциональный выходной временной интервал по линейному, а также по логарифмическому законам по второму выходу, при различных значениях постоянной времени интегрирующей RC-цепи.