Согласующее устройство для пьезоакселерометра

Изобретение относится к устройствам согласования пьезопреобразователей с электронными блоками, в частности к устройствам, обеспечивающим передачу сигналов по двухпроводным линиям связи. Согласующее устройство содержит полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом первого резистора, дополнительный транзистор, два конденсатора и дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора. Второй вход устройства является его общим выходом, а сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства. Технический результат состоит в повышении достоверности функционирования устройства за счет снижения риска перегрузки высокочастотными составляющими и расширения частотного и динамического диапазона. 5 н. и 15 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к устройствам согласования пьезопреобразователей с электронными блоками, выполняющими анализ сигналов, в частности к устройствам, обеспечивающим передачу сигналов по двухпроводным линиям связи.

Известно согласующее устройство для пьезодатчика для двухпроводной линии связи, содержащее модулятор напряжения, вход которого соединен с пьезодатчиком, а выход с линией связи, которая подключена к источнику тока [Патент США 6107881, кл. 330/174, приоритет 1999 г.].

Недостатком этого устройства является относительно низкая достоверность функционирования, что связано с возможностью перегрузки устройства при воздействии высокочастотных вибраций или акустического шума на пьезопреобразователь, что ограничивает область возможных применений.

Действительно, собственно датчик имеет резонансную область, характеризующуюся значительным подъемом чувствительности, что ограничивает частотный диапазон величиной от 0,2 до 0,3 от частоты резонанса.

Кроме того, опасность вибрационных воздействий определяется энергией колебаний. Эта энергия пропорциональна величине виброскорости, в связи с чем большинство нормативных документов определяет в качестве контролируемой величины именно виброскорость, а не виброускорение. Таким образом, в измерительной аппаратуре поступающий от акселерометра сигнал необходимо интегрировать. Так как датчик обычно находится на значительном удалении от контролирующей аппаратуры, согласующее устройство располагают в непосредственной близости от датчика или встраивают в него. Если интегрирование сигнала не выполняется в этом согласующем устройстве или хотя бы не ограничивается измеряемая полоса частот сверху, по линии связи передаются низкочастотные сигналы сравнительно низкого уровня на фоне высокочастотных составляющих, что ограничивает динамический диапазон и, как было отмечено выше, может привести к перегрузке электронной схемы.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа к предложенному техническому решению является согласующее устройство для пьезоакселерометра, содержащее полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, а второй вход устройства является его общим выходом, сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства [Accelerometer User's Manual, Rev.2, June, 2004, Vibra-Metrics, Part #9350-1000, p.9, fig.6].

Недостатком этого устройства является относительно низкая достоверность функционирования, это связано с возможностью перегрузки устройства при воздействии высокочастотных вибраций или акустического шума на пьезопреобразователь, что ограничивает область возможных применений.

Техническим результатом, достигаемым в предлагаемом техническом решении, является повышение достоверности функционирования и области применения за счет снижения вероятности перегрузки, расширения частотного и динамического диапазона входных сигналов.

Поставленная цель достигается в соответствии с п.1 формулы изобретения тем, что в согласующем устройстве для пьезоакселерометра, содержащем полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, второй ввод которого соединен с общим выходом устройства, а второй вход устройства является его общим выходом, сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства, введены дополнительный транзистор, первый и второй конденсаторы и дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора, а второй вывод дополнительного резистора соединен с общим электродом дополнительного транзистора и общим выходом устройства.

Поставленная цель достигается в соответствии с п.2 формулы изобретения тем, что в согласующем устройстве для пьезоакселерометра, содержащем полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, а второй вход устройства является его общим выходом, сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства, введены дополнительный транзистор, первый и второй конденсаторы и дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора, а второй вывод дополнительного резистора соединен с общим электродом дополнительного транзистора и общим выходом устройства, причем второй вывод резистора соединен с сигнальным выходом устройства.

Поставленная цель достигается в соответствии с п.3 формулы изобретения тем, что в согласующем устройстве для пьезоакселерометра, содержащем полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общим выходом устройства, а второй вход устройства является его общим выходом, сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства, введены дополнительный транзистор, первый и второй конденсаторы, вспомогательный резистор и дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора, а второй вывод дополнительного резистора соединен с общим электродом дополнительного транзистора и общим выходом устройства, причем затвор полевого транзистора соединен с сигнальным выходом через вспомогательный резистор.

Поставленная цель достигается в соответствии с п.4 формулы изобретения тем, что в согласующем устройстве для пьезоакселерометра, содержащем полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, а второй вход устройства является его общим выходом, сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства, дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора, а второй вывод дополнительного резистора соединен с общим электродом дополнительного транзистора и общим выходом устройства, причем второй вывод резистора соединен с управляющим электродом дополнительного транзистора.

Поставленная цель достигается в соответствии с п.5 формулы изобретения тем, что в согласующем устройстве для пьезоакселерометра, содержащем полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, а второй вход устройства является его общим выходом, сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства, отличающееся тем, что с целью повышения достоверности функционирования в него введены дополнительный транзистор, первый и второй конденсаторы, вспомогательный резистор и дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора, а второй вывод дополнительного резистора соединен с общим электродом дополнительного транзистора и общим выходом устройства, причем затвор полевого транзистора соединен с сигнальным выходом через вспомогательный резистор, а второй вывод резистора соединен с управляющим электродом дополнительного транзистора.

В качестве полевого транзистора может быть использован МОП-транзистор.

Возможно также использование полевого транзистора с р-п-переходом.

В качестве дополнительного транзистора может быть использован п-р-п биполярный транзистор.

Возможно также использование полевого транзистора с р-п-переходом или МОП-транзистора.

Для дополнительного ограничения высокочастотных составляющих и повышения достоверности функционирования при высоком уровне, в том числе за счет ограничения входного тока, затвор транзистора может быть соединен с входом устройства через ограничивающий резистор.

Предлагаемое изобретение в соответствии с п.1-5 формулы иллюстрируется чертежом на фиг.1-5 соответственно.

На фиг.6-9 показаны амплитудно-частотные характеристики предлагаемого устройства в различных режимах работы для пояснения приведенного ниже описания работы.

На фиг.10 приведена схема устройства, поясняющая техническое решение с учетом предлагаемых дополнительных пунктов изобретения п.16-20.

Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.1 формулы (фиг.1) содержит полевой транзистор 1, затвор которого соединен с первым выводом резистора 2 и является первым входом 3 устройства, второй вход 4 которого соединен с общим выходом 5 устройства, а сток полевого транзистора 1 является сигнальным выходом 6 устройства. Устройство также содержит дополнительный транзистор 7, первый 8 и второй 9 конденсаторы и дополнительный резистор 10, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора 1, управляющим электродом дополнительного транзистора 7 и первым выводом второго конденсатора 9, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора 7, который соединен с сигнальным выходом 6 устройства, который соединен через первый конденсатор 8 с затвором полевого транзистора 1, а второй вывод дополнительного резистора 10 соединен с общим электродом дополнительного транзистора 7 и общим выходом 5 устройства.

Пьезоакселерометр 11 при использовании предлагаемого устройства подключается к входам 3 и 4, питание предлагаемого устройства выполняется по линии связи, подключаемой к сигнальному выходу 6 от источника тока 12, который питается от источника напряжения 13, а вибрационный сигнал с линии связи поступает потребителю через разделительный конденсатор 14.

Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.2 формулы (фиг 2.) содержит полевой транзистор 1, затвор которого является первым входом 3 устройства и соединен с первым выводом резистора 2, второй вход 4 устройства является его общим выходом 5, а сток полевого транзистора 1 является сигнальным выходом 6 устройства. Устройство также содержит дополнительный транзистор 7, первый 8 и второй 9 конденсаторы и дополнительный резистор 10, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора 1, управляющим электродом дополнительного транзистора 7 и первым выводом второго конденсатора 9, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора 7, который соединен с сигнальным выходом 6 устройства, который соединен через первый конденсатор 8 с затвором полевого транзистора 1, а второй вывод дополнительного резистора 10 соединен с общим электродом дополнительного транзистора 7 и общим выходом 5 устройства, причем второй вывод резистора 2 соединен с сигнальным выходом 6 устройства.

Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.3 формулы (фиг.3) содержит полевой транзистор 1, затвор которого является первым входом 3 устройства и соединен с первым выводом резистора 2, второй ввод 4 которого соединен с общим выходом 5 устройства, а сток полевого транзистора 1 является сигнальным выходом 6 устройства. Устройство также содержит дополнительный транзистор 7, первый 8 и второй 9 конденсаторы, вспомогательный резистор 15 и дополнительный резистор 10, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора 1, управляющим электродом дополнительного транзистора 7 и первым выводом второго конденсатора 9, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора 7, который соединен с сигнальным выходом 6 устройства, который соединен через первый конденсатор 8 с затвором полевого транзистора 1, второй вывод дополнительного резистора 10 соединен с общим электродом дополнительного транзистора 7 и общим выходом 5 устройства, причем затвор полевого транзистора 1 соединен с сигнальным выходом 6 через вспомогательный резистор 15.

Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.4 формулы (фиг.4) содержит полевой транзистор 1, затвор которого является первым входом 3 устройства и соединен с первым выводом резистора 2, а второй вход 4 устройства является его общим выходом 6, сток полевого транзистора 1 является сигнальным выходом 6 устройства. Устройство также содержит дополнительный транзистор 7, первый 8 и второй 9 конденсаторы и дополнительный резистор 10, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора 1, управляющим электродом дополнительного транзистора 7 и первым выводом второго конденсатора 9, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора 7, который соединен с сигнальным выходом 6 устройства, который соединен через первый конденсатор 8 с затвором полевого транзистора 1, а второй вывод дополнительного резистора 10 соединен с общим электродом дополнительного транзистора 7 и общим выходом 5 устройства, причем второй вывод резистора 2 соединен с управляющим электродом дополнительного транзистора 7.

Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.5 формулы (фиг.5) содержит полевой транзистор 1, затвор которого является первым входом 3 устройства и соединен с первым выводом резистора 2, а второй вход 4 устройства является его общим выходом 5, сток полевого транзистора является сигнальным выходом 6 устройства. Устройство также содержит дополнительный транзистор 7, первый 8 и второй 9 конденсаторы, вспомогательный резистор 15 и дополнительный резистор 10, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора 1, управляющим электродом дополнительного транзистора 7 и первым выводом второго конденсатора 9, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора 7, который соединен с сигнальным выходом 6 устройства, который соединен через первый конденсатор 8 с затвором полевого транзистора 1, а второй вывод дополнительного резистора 10 соединен с общим электродом дополнительного транзистора 7 и общим выходом 5 устройства, причем затвор полевого транзистора 1 соединен с сигнальным выходом 6 через вспомогательный резистор 15, а второй вывод резистора 1 соединен с управляющим электродом дополнительного транзистора 7.

Затвор транзистора 1 может быть соединен с входом 3 устройства через ограничивающий резистор.

Если в качестве дополнительного транзистора 7 использован полевой транзистор, то его управляющий электрод является затвором, общий электрод является истоком, а выходной вывод является стоком. Если в качестве дополнительного транзистора использован биполярный транзистор, его управляющим электродом является база, общим электродом является эмиттер, а выходным выводом - коллектор.

Резисторы 2 и 15 определяют рабочую точку согласующего устройства и их выбор позволяет в зависимости от конкретных характеристик полевого транзистора 1 получать требуемое выходное смещение на сигнальном выходе 6. Кроме того, эти резисторы для входа 3 устройства определяют входное сопротивление, и их выбор позволяет задать требуемую нижнюю граничную частоту пропускания согласующего устройства. Коэффициент передачи и нижняя граничная частота пропускания также зависят от величины конденсатора 8, который определяет коэффициент преобразования согласующего усилителя по заряду. Резистор 10 и конденсатор 9 определяют свойства предлагаемого согласующего усилителя в области верхних частот. Если устройство должно обеспечить на своем выходе сигнал, пропорциональный ускорению, произведение величины емкости конденсатора 9 на величину резистора должно быть сопоставимо (близко по величине) с величиной обратной верхней граничной частоте требуемой полосы пропускания (конкретное значение определяется допустимым спадом АЧХ в области верхних частот). В этом случае АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) согласующего устройства имеет участок в полосе пропускания, близкий к постоянному для виброускорения (фиг.6). В этом случае при наличии в выходном сигнале от пьезоакселерометра частотных составляющих с частотой выше, чем его верхняя граничная частота, уменьшающийся коэффициент передачи позволяет, во-первых, скорректировать подъем АЧХ пьезоакселерометра, а во-вторых, подавить составляющие попадающие в область резонанса датчика, следовательно, исключить возможность перегрузки согласующего устройства.

Если указанное произведение выбрано сопоставимым с величиной, обратной нижней граничной частоте полосы пропускания, АЧХ согласующего устройства будет иметь вид, показанный на фиг.7, что соответствует, реализации интегрирования для входного сигнала от пьезоакселерометра, а следовательно, на выходе сигнал пропорционален виброскорости. В этом случае тем более снижается вероятность перегрузки согласующего устройства высокочастотными составляющими зарядового сигнала, поступающего с пьезоакселерометра. На фиг.8 приведена зависимость, соответствующая показанной на фиг.7, но с логарифмической шкалой по оси ординат, показывающая, что для, например, полосы частот 10-1000 Гц наклон спада АЧХ близок к 6 дБ/октаву, что определяет характеристику по виброскорости, близкую к линейной (фиг.9).

Для дополнительного ограничения коэффициента передачи в области верхних частот и повышения устойчивости согласующего устройства к воздействию больших по амплитуде входных сигналов соединение затвора транзистора 1 с входом 3 может быть выполнено через резистор 16.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения состоит в повышении достоверности функционирования, поскольку заявленная совокупность признаков позволяет снизить вероятность перегрузки высокочастотными составляющими вибросигнала, расширяет линейный участок частотного диапазона и позволяет расширить динамический диапазон в измерительной полосе частот согласующего устройства.

1. Согласующее устройство для пьезоакселерометра, содержащее полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общим выходом устройства, а второй вход устройства является его общим выходом, а сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности функционирования, в него введены дополнительный транзистор, первый и второй конденсаторы и дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора, а второй вывод дополнительного резистора соединен с общим электродом дополнительного транзистора и общим выходом устройства.

2. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.1, отличающееся тем, что в качестве полевого транзистора использован МОП транзистор.

3. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.1, отличающееся тем, что в качестве дополнительного транзистора использован n-р-n биполярный транзистор.

4. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.1, отличающееся тем, что затвор транзистора соединен с входом устройства через ограничивающий резистор.

5. Согласующее устройство для пьезоакселерометра, содержащее полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, а второй вход устройства является его общим выходом, сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности функционирования, в него введены дополнительный транзистор, первый и второй конденсаторы и дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора, а второй вывод дополнительного резистора соединен с общим электродом дополнительного транзистора и общим выходом устройства, причем второй вывод резистора соединен с сигнальным выходом устройства.

6. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.5, отличающееся тем, что в качестве полевого транзистора использован МОП транзистор.

7. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.5, отличающееся тем, что в качестве дополнительного транзистора использован n-р-n биполярный транзистор.

8. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.5, отличающееся тем, что затвор транзистора соединен с входом устройства через ограничивающий резистор.

9. Согласующее устройство для пьезоакселерометра, содержащее полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общим выходом устройства, а второй вход устройства является его общим выходом, а сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности функционирования, в него введены дополнительный транзистор, первый и второй конденсаторы, вспомогательный резистор и дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора, а второй вывод дополнительного резистора соединен с общим электродом дополнительного транзистора и общим выходом устройства, причем затвор полевого транзистора соединен с сигнальным выходом через вспомогательный резистор.

10. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.9, отличающееся тем, что в качестве полевого транзистора использован МОП транзистор.

11. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.9, отличающееся тем, что в качестве дополнительного транзистора использован n-р-n биполярный транзистор.

12. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.9, отличающееся тем, что затвор транзистора соединен с входом устройства через ограничивающий резистор.

13. Согласующее устройство для пьезоакселерометра, содержащее полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, а второй вход устройства является его общим выходом, а сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности функционирования, в него введены дополнительный транзистор, первый и второй конденсаторы и дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора, а второй вывод дополнительного резистора соединен с общим электродом дополнительного транзистора и общим выходом устройства, причем второй вывод резистора соединен с управляющим электродом дополнительного транзистора.

14. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.13, отличающееся тем, что в качестве полевого транзистора использован МОП транзистор.

15. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.13, отличающееся тем, что в качестве дополнительного транзистора использован n-р-n биполярный транзистор.

16. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.13, отличающееся тем, что затвор транзистора соединен с входом устройства через ограничивающий резистор.

17. Согласующее устройство для пьезоакселерометра, содержащее полевой транзистор, затвор которого является первым входом устройства и соединен с первым выводом резистора, а второй вход устройства является его общим выходом, а сток полевого транзистора является сигнальным выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности функционирования, в него введены дополнительный транзистор, первый и второй конденсаторы, вспомогательный резистор и дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с истоком полевого транзистора, управляющим электродом дополнительного транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с выходным выводом дополнительного транзистора, который соединен с сигнальным выходом устройства, который соединен через первый конденсатор с затвором полевого транзистора, а второй вывод дополнительного резистора соединен с общим электродом дополнительного транзистора и общим выходом устройства, причем затвор полевого транзистора соединен с сигнальным выходом через вспомогательный резистор, а второй вывод резистора соединен с управляющим электродом дополнительного транзистора.

18. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.17, отличающееся тем, что в качестве полевого транзистора использован МОП транзистор.

19. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.17, отличающееся тем, что в качестве дополнительного транзистора использован n-р-n биполярный транзистор.

20. Согласующее устройство для пьезоакселерометра по п.17, отличающееся тем, что затвор транзистора соединен с входом устройства через ограничивающий резистор.