УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЪЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ С ФОТОДИОДОВ

Устройство для съёма и обработки сигналов с фотодиодов Предполагаемая полезная модель относится к области микроэлектронного приборостроения и может быть использована в различного рода эитико-электронных приборах (ОЭП) для снятия сигналов с двух вращающихся фотодиодов и передачи их на электронный тракт (ЭТ) формирования сигнала управления положением визирной оси оптикоэлектронных следящих систем (ОЭСС), работающих в составе бортовой аппаратуры различных летательных аппаратов, осуществляющих в процессе своего функционирования непрерывное сближение с объектом визирования и слежение в условиях воздействия искусственных и естественных оптических помех. Основными элементами ОЭСС являются:
-оптическая система (ОС), формирующая в своей фокальной плоскости изображение источников оптического излучения, попадающих в её поле зрения (ПЗ);
-растры-анализаторы изображений источников, устанавливаемые в фокальных плоскостях ОС и осуществляющие модуляцию оптического излучения;
-фотоприёмники (§П), воспринимающие модулированное излучение и преобразующие его в электрические сигналы;
-устройства для согласования выходов ФП с электронным трактом формирования сигнала управления положением визирной оси ОЭСС.
Известен ОЭП l , который содержит зеркально-линзовый объектив и растр-анализатор, размещенный на вращающемся роторе гироскопа, установленного в кардановом подвесе. Фотоприёмник этого устройства - неохлаждаемое, невращающееся фотосопротивление, согласование которого с электронным трактом осуществляется обычным предусилителем. нкциональные возможности прибора ограничены.
Известен ОЭП 2j , в котором использованы два невращающихся одноэлементных фотосопротивления, чувствительных в раз,спектральных
личнызеудиапазонах и сопряжённых с электронным трактом посредством двух предусилителей. В этом устройстве за счёт того, что ОЭСС принимает излучение в двух спектральных диапазонах повышена защищённость от помех фона, однако размещение узлов фотооптической системы (ЗЮС) в разных местах (объектива - на роторе гироскопа, а фотоприёмника (ФП) - на неподвижной части конструкции) приводит к такому нежелательному явлению, как к повышению чувствительности ОЭП к механическим возмущениям.
В литературе Гз1 описан принцип построения сканирующей системы, в которой ФОС (объектив и линейка ФП) выполнены в виде моноблока, размещенного на роторе гироскопа. В результате такого построения исключается паразитная модуляция принимаемого сигнала и уменьшаются виброшумы на выходе ФОС. Однако в литературе З не решена задача съёма сигналов с вращающегося ФП и их передачи на неподвижную часть электронного блока ОЭСС, включащая формирование вращающейся части электроники минимального объёма, необходимой для предварительной обработки принимаемых ФП сигналов перед их передачей на неподвижную часть электронного блока.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство согласования и обработки сигналов с выхода матрицы фотодиодов (Щ), известное из литературы 41 и выбранное в качестве прототипа. Схема этого устройства представлена на фигЛ.
Устройство - прототип представляет собой схему, согласованную по входу с матрицей ФД. Оно состоит из последовательно соединённых видеоканала, малошумящего буферного каскада на ЮП-транзисторе (ШБК), дискретно-временного дифференциатора и дискретно-времеиного интегратора (JPM). Кроме сигнального входа с матрицы Щ схема имеет три управляющих входа ключей: шунтирующего ключа, ключа фиксатора ровня и ключа сброса. С помощью шунтирующего ключа на cxeiy y последовательно подаются сигналы с элементов матрицы ЗЩ. С помощью ключа фиксатора уровня обеспечивается формирование разности последующего и предыдущего значений обрабатываемого сигнала (процесс дифференцирования) . С помощью ключа сброса устанавливается длительность процесса интегрирования. В литературе I 41 рекомендуется по возможности использовать в схем для согласования вместо МШБК на ЮП-транзисторе малошумящий преобразователь тока в напряжение на операционном усилителе (так называемый трансимпедансный усилитель - ТИУ). Прототип включает в себя ряд функциональных элементов, необходимых для реализации заявляемого устройства. Однако он имеет ряд недостатков, а именно:
- малое быстродействие, обусловленное тем, что обработка сигналов со всех Щ осуществляется последовательно одной и той же схемой обработки, что неприемлемо для быстродействующих ОЭСС;
-в дискретно-временном дифференциаторе теряется информация о среднем значении принимаемого 9Щ сигнала;
-невозможность осуществления съёма неискажённых сигналов с вращающихся фотоприёмников в условиях непрерь5вного роста входного сигнала ОЭСС ввиду отсутствия в составе устройства 4 необходимых блоков.
Задачей предлагаемой полезной модели является осуществление съёма неискажённых сигналов с вршцащихся фотоприёмников в условиях непрерывного роста входного сигнала ОЭСС при одновременном повышении быстродействия, точности, помехозащищённости и удобства эксплуатации ОЭСС.
Для достижения этого технического результата предлагается устройство для съёма и обработки сигналов с фотодиодов, которое, как и наиболее близкое к нему, выбранное в качестве прототипа, содержит невращающиеся первый преобразователь тока в напряжение и первый дискретно-временной интегратор с управлением длительности интегрирования через управляющий вход его ключа. Особенностью предлагаемого устройства, отличающей его от известного, является то, что оно содержит установленное коаксиально ротору контактное устройство, состоящее из пяти контактов, электрически связывающих вращающуюся и невращающуюся части устройства. Устройство содержит первую цепочку, в которую кроме последовательно соединённых первого преобразователя тока в напряжение и первого дискретно-временного интегратора дополнительно введены и подключены последовательно к выходу дискретно-временного интегратора первый контакт, первое устройство выборки-хранения и первый полосовой фильтр. Вторая цепочка устройства содержит последовательно соединённыеувтороя
Л1е,вращагощиеояу
интегратор, второй контакт, второе устройство выборки-хранения и второй полосовой фильтр. Вход первого устройства выборки-хранения связан с последовательно соединёнными третьим устройством выборки-хранения и первым фильтром нижних частот. Схема управления длительностью интегрирования подключена к выходу первого полосового фильтра и состоит из последовательно соединённых схемы задержки, импульсного детектора, второго фильтра нижних частот/сумматора, схемы сравнения, первого одновибратора, четвёртого контакта и триггера, выход которого подключён к управляющим входам первого и второго дискретновременных интеграторов, а второй вход через пятый контакт связан с выходом схемы синхронизации и входом генератора пилообразных импульсов, выход которого подключён ко второму входу схемы сравнения. Kb второму входу сумматора подключён источник сигнала, определйющего начальное значение длительности интегрирования, с зшравляющим входом тшульсного детектора связан выход формирователя строба помехи внешнего устройства управления. Ко входу схемы синхронизации подключён генератор тактовых импульсов, а второй выход схемы синхронизации соединён с управляющими входами первого и второго устройств выборки-хранения. Управлящий вход третьего устройства выборки-хранения связан с выходом второго одновибратора, вход которого подключён к выходу первого одновибратора. Входы триггера связаны с входами схемы питания, а третий контакт является общим проводом для всех цепей устройства, выходами которого являются выходы первого и второго полосовых фильтров и фильтра нижних частот.
Технический результат, достигнутый в предлагаемой полезной модели, обеспечивается следующим:
-сформирована вращающаяся часть электроники минимального объёма, которая с помощью контактного устройства, состоящего из пяти контактов, электрически связана с невращающейся частью устройства, что обеспечило возможность использования устройства в малогабаритных ОЭ(Х1;
-быстродействие ОЭСС обеспечено за счёт параллельной обработки сигналов с фотодиодов, что стало возможным благодаря созданию двух цепочек, каждая из которых состоит из преобразователя тока в напряжение, дискретно-временного интегратора, устройства выборки-хранения и полосового фильтра, при этом оптимальное соотнюшение полезного сигнала и шума с учётом достаточного для работы ОЭСС ослабления воздействия наводок и фона обеспечено за счёт опт1шальных параметров первого и второго полосовых фильтров;
-введение третьего устройства выборки-хранения, управляемого сигналом, поступающим с выхода второго одновибратора, обеспечивает передачу необходимой информации среднего значения сигнала в одном (основном) приёмном канале;
-реализована система автоматического регулирования усиления (АРУ), которая обеспечивает идентичность регулировочных характеристи%риёмных каналов. Это стало возможным за счёт того, что в качестве объектов регулирования использованы дискретно-временные интеграторы;
-введение в систему АРУ строба помехи позволило улучшить помехозащищённость ОЭСС,
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.2 и 3.
На фиг.2 изображена схема связи вращающейся и невращающейся частей устройства для съёма и обработки сигналов с фотодиодов; на фир.З - функциональная схема устройства.
Устройство для съёма и обработки сигналов с двух вращающихся фотодиодов (фиг.2,3) состоит из вращающейся I и невращающейся 2 частей. Сопряжение частей I и 2 осуществляется посредством контактного устройства 3 - (КУ) Сфиг.З), представляющего собой пять контактов (I, U, Ж, ТУ, У), которые с одной стороны через жёсткий кабель 4 связаны с вращающейся I частью устройства, а с другой стороны через гибкий кабель 5 с невращающейся 2 частью устройства.
На вращающейся I части устройства расположены (фиг.З):
-первый преобразователь тока в напряжение б, в качестве которого в схеме используется трансимпедансный усилитель (ТИУ1), последовательно соединённые с ним первый дискретновременной интегратор 7 - (JOPMI) и первый контакт X контактного устройства 3;
-второй преобразователь тока в напряжение 8, в качестве которого используется также трансимпедансный усилитель (ТИУ2), последовательно соединённые с ним второй дискретно-временной интегратор 9 (ДЭИ2) и второй контакт Ц ;
-триггер 10 (Т) управления ключами первого и второго 8 ДЗИ и схема питания П (СП) трансимпедансных усилителей б, 8 и дискретно-временных интеграторов 7 и 9, которые являются объектами регулирования.
На неподвижной части 2 устройства располагаются:
-двухканальная схема восстановления сигналов с выходов первого X и второго Ц контактов контактного устройства 3,
состоящая соответственно из первого устройства выборки-хранения 12 (УВХ1) и второго устройства выборки-хранения 13 (УВХ2);
-подключённая последовательно к схеме восстановления сигналов двухканальная схема полосового оконечного фильтра, состоящая из первого полосового фильтра 14 (ПФ1), и второго полосового фильтра 15 (11Ф2);
-схема восстановления сигналов в ближней от объекта слежения зоне, подключённая к выходу первого контакта контактного устройства 3 и состоящая из последовательно соединённых третьего устройства выборки - хранения 16 (УВХЗ) и первого фильтра нижних частот 17 (ФНЧ1);
-почти все элементы схемы управления длительностью интегрирования: генератор пилообразных напряжений 18 (ГПН), схема синхронизации 19 (GC), запускаемая от генератора тактовых импульсов 20 (ГТИ), а также элементы схемы автоматической регулировки усиления,последовательно соединённые и подключённые к выходу первого полосового фильтра 14, а именно: схема задержки 21 (Сх.З), импульсный детектор 22 (ИД), второй фильтр нижних частот 23 (ФНЧ2), сумматор 24 ( 2 ), схема сравнения 25 (Сх.С), первый одновибратор 26 (OBI) и второй одновибратор 27 (ОВ2).
Входами устройства являются входы первого и второго ТИУ (поз.6,8). Виход второго одновибратора 27 подключён ко второму входу УВХЗ (16), выход первого одновибратора 26 подключён к четвёрт014у контакту 1У КУ и через него ко входам триггера 10 и схемы питания II. Охема синхронизации 19 одним выходом подключена ко вторым входам УВХ1 (12) и УВХ2
(13), вторым выходом - к пятому контакту У К7 и через него ко вторым входам триггера 10 и схемы питания II. Схема синхронизации 19 запускает ГШ 18, выходом подключенный ко второму входу схемы сравнения 25, а работой Щ 22 управляет строб помехи от устройства управления (УУ) всей оптикоэлектронной следящей систеш, не показанного на фиг.З.
Третий контакт Ш является общшй для электрических цепей вращающейся I и невращающейся 2 частей устройства.
Выходами устройства являются выходы первого 14 и второго 15 полосовых фильтров и первого 17 фильтра нижних частот.
ТИУ и /РИ вйполнены на основе операционных усилителей 744УД1А. Питание операционных усилителей - двухполярное, формируется диодным мостом из команд управления К1 и К2. Устройства выборки и хранения выполнешл на микросхемах ДА.1, схема сихронизации выполнена на микросхемах ДЦ1 и ДЦЗ, схема задержки АРУ - на .I, импульсный детектор - на микросхемах ДА4.2, ДА4.3,,ДА.7.1; схема сравнения - на ДАб, одновибратор - на ДЩ4,1, формирователь импульса выборки для УВХЗна ДД4.2, ГПН - на ДАб, полосовой фильтр реализован на ДА2.
Устройство работает следущим образом. Входами устройства и его вращающейся части I, расположенной на роторе, являются ТЙУ1 (6) и ТЙУ2 (8), на входы которых поступают сигналы с выходов двух вращающихся фотодиодов Щ1 и (1Щ8. ТИУ представляет собой преобразо1а1ель тока в соответствующее напряжение и по своим частотным свойствам аналогичнн фильтру нижних частот, частота среза которого меньше тактовой частоты сигнала от ГТИ (20). Тем самый выполняется условие подготовки сигнала перед дискретизацией, выполняемой в
даИ1 (7) и даш (9). Ключи дай 7и 9 включены в цепи их обратной связи параллельно накопительным конденсаторам. Ключи управляются триггером 10. На один из входов триггера 10 поступает вырабатываемый в схеме синхронизации 19 импульс KI, формируемый из сигнала от ГТИ 20, и следующий на тактовой частоте. На другой вход триггера 10 поступает импульс К2. йлпульс KS формируется из выходного сигнала схемы сравнения 25 с помощью первого одновибратора 26. На один из входов схемы сравнения 25 поступает однополярный сигнал с выхода ГШ 18, синхронизируемого импульсом KI с выхода схемы синхронизации 19. С выходным сигналом ГПН 18 сравнивается сумма сигналов с блока 24, в котором суммируется сигнал с выхода ФНЧ2 (23), куда он поступает с выхода ОД (22), с напряжением Ejjaq.   определяет начальное время формирования импульса К2 относительно импульса КХЧпока сигнал на выходе ФНЧ2 (23) равен нулю). С приходом на вход триггера 10 импульса К2 цепь обратной связи усилителя дай, в котором установлен ключ, размыкается и происходит накопление сигнала на выходе jpli. С приходом на вход триггера 10 импульса KI цепь обратной связи снова замыкается. Происходит разряд ёмкости ДВИ и на его яхйдх выходе устанавливается нулевое значение сигнала. Интервал времени между приходами импульсов К2 и KI есть время накопления Т„. Схема синхронизации 19 кроме импульсов КГ вырабатывает также импульсы ynpl, следующие непосредственно перед импульсами KI и поступающие на управляющие входы устройств выборки хранения УВХ1 и УВХ2 (12 и 13). На вторые входы УВХ1 и УВХ2 поступают выходные сигналы ДЗИ (7) и ДВИ2 (9), прошедшие через контакты I и Л КУ (3). Таким образом, в конце интервала времени Т происходит считывание накопленного дискретно-временными интеграторами 7 и 9 сигнала в УВХ1 и УВХ2 (12 и 13). Выходные сигналы с этих блоков проходят через полосовые фильтры 14 и 15, оптимизирующие соотношения сигнал/ шум (с учётом шума КУ) и подавляющие низкочастотные сигналы от фона и наводки электромагнитных систем ОЭСС. Выходной сигнал ПФ1 (14) поступает на схему задержки 21, выполненную, например, в виде схемы сравнения входного сигнала с установленной величиной EQ. Превышение сигнала над величиной Ео накапливается импульсным детектором 22, постоянная времени цепи разряда в котором больше постоянной времени цепи заряда. Фильтр ФНЧ2 (23), включённый между выходом ийпульсного детектора 22 и входом сумматора 24, сглаживает пульсации с импульсного детектора 22. Таким образом, величина сигнала на выходе сумматора 24 относительно Е возрастает и временной интервал между импульсами КГ и К2 также увеличивается. Следовательно, уменьшается величина Т„ и величина
сигнала, накопленного ДРИ, то есть в схеме происходит автоматическая регулировка усиления.
Нарастающий фронт сигнала с ГШ (18) имеет специальную форму, например, квадратичную, выбранную в соответствии с требованиями к регулировочной характеристике регулируемого элемента, В имг гльсном детекторе 22 предусмотрено запоминание величины его выходного сигнала, предшествующей появлению внешнего строба помехи, в течение времени существования строба.
Кроме сигнала в двух каналах схема формирует также нецентрированный сигнал, обычно используемый при больших (не пороговых) значениях сигнала на выходе Щ1. Сигнал формируется с помощью последовательно соединённых УВХЗ (16) и ФНЧ1 (17), причём вход УВХЗ (16) соединён с выходом ДВИ1 (7) после контактного устройства 3. Считывание в УВХЗ (16) сигнала с даИ1 (7) происходит в стробе упр2, формируемом вторым одновибратором 27 из импульса К2 по его заднек фронту. Фильтр ФНЧ1 (17) сглаживает форму выходного сигнала УВХЗ (16), апроксимируемую ступенчатой функцией. Таким образом, с ДрИХсчитывается сигнал, накопленный им за время существования импульса KS постоянной длительности. Двухполярное питание всей схемы, необходимое при использовании фотодиодов, формируется из импульсов КГ и К2, схемой питания II.
образом, предлагаемая полезная модель позволяет осуществить снятие неискажённых сигналов с выходов вращающихся фотодиодов и их передачу на электронный тракт ОЭСС, а также повысить быстродействие, точность и помехозащищённость ОЭСС.
Макеты описанного выше устройства прошли успешные испытания в составе ОЭСС при изменении амплитуды входного сигнала на 100 дб.
Использованные источники:
I. В.П.Лазарев. Оптикоэлектронные приборы наведения.-М.: Машиностроение, 1989, с.347-348. г. Патент США f 4009393, кл. 50IJ 1/00, P4ie 7/00,on.1977г.
3.Г.П.Катыс. Инфорлационные сканирующие системы.-хМ.: Машиностроение, 1965, с.1X2.