Пиковый детектор

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в качестве многофункционального пикового детектора. Заявленное устройство содержит: шину питания; (k-1) входных шин; выходную шину; (k-1) первых компараторов напряжения с открытым коллектором (КНОК); k вторых КНОК; пороговый элемент; аналоговый ключ; повторитель напряжения; первый и второй конденсаторы; первый и второй диоды; первый, второй, третий и четвертый резисторы; n-p-n-транзистор; триггер Шмита; k третьих и k четвертых диодов; k пятых, k шестых, k седьмых, k восьмых, k девятых резисторов; k третьих конденсаторов. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей пикового детектора. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в качестве многофункционального пикового детектора.

Известен пиковый детектор импульсов положительных сигналов (см. Коломбет Е.А. «Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов», М., Радио и связь, 1991 г., стр.236, рис.8.10), содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого через первый резистор подключен к источнику входного сигнала и через первый диод к выходу повторителя напряжения, выход которого через второй резистор подключен к аноду второго диода и инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого подключен к катоду второго диода и базе npn-транзистора, коллектор которого через третий резистор подключен к шине источника питания, эмиттер npn-транзистора подключен к точке объединения входа повторителя напряжения и первой обкладке запоминающего конденсатора, вторая обкладка которого подключена к общей шине.

Недостатками пикового детектора импульсов положительных сигналов являются:

- ограниченные функциональные возможности, т.к. он не выполняет функцию выделения и запоминания максимального значения амплитуды двуполярного сигнала из k-входных сигналов из-за особенностей структуры схемы;

- необходимость двуполярного питания из-за использования операционного усилителя с диодной цепью ограничения насыщения в первом каскаде;

- нестабильное напряжение смещения нуля из-за отсутствия цепей коррекции устойчивости неинвертирующего пикового детектора, охваченного общей обратной связью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразователь амплитуды прямоугольных импульсов в постоянное напряжение (см. А.С. №1265630 МПК G01R 19/04 «Преобразователь амплитуды прямоугольных импульсов в постоянное напряжение» авторов В.В.Немирова, А.И.Иванова, опубликовано 23.10.86 г. БИ №39), содержащий резистивный делитель напряжения, компаратор напряжения, разрядный ключ, а также последовательно соединенные дифференциальный операционный усилитель, диодно-емкостную зарядную ячейку и повторитель напряжения, выход которого подключен к выходной шине, инвертирующему входу дифференциального операционного усилителя, и через резистивный делитель напряжения - к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с входной шиной и неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, причем выход разрядного ключа подключен к входу повторителя напряжения, элемент И и пороговый элемент, вход которого соединен с входной шиной, причем входы элемента И соединены с выходами компаратора и порогового элемента соответственно, а его выход - с управляющим входом разрядного ключа. Аналоговый разрядный ключ выполнен с инвертирующим управляющим входом по схеме с общим эмиттером на n-p-n-транзисторе.

Недостатками преобразователя амплитуды прямоугольных импульсов в постоянное напряжение являются:

- не выполняет функцию выделения и запоминания максимального значения двуполярной амплитуды из k-входных сигналов из-за особенностей структуры схемы;

- не обеспечивает нормированное время хранения для считывания расширенного выходного импульса внешними считывающими устройствами и последующее быстрое обнуление выходного импульса за счет отсутствия времязадающих цепей;

- необходимость двуполярного питания из-за использования дифференциального операционного усилителя;

- отсутствие защиты выхода дифференциального операционного усилителя и диода диодно-емкостной зарядной ячейки от токовой перегрузки в момент разряда конденсатора диодно-емкостной зарядной ячейки разрядным ключом.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей.

Для достижения данного технического результата в пиковом детекторе, содержащем входную шину и шину питания, первый компаратор напряжения с открытым коллектором (КНОК), пороговый элемент, аналоговый ключ, первый выход которого соединен с общей шиной, а второй выход соединен с первым выводом первого конденсатора и входом повторителя напряжения, выход которого соединен с выходной шиной и инвертирующим входом первого КНОК, первый диод, новым является то, что дополнительно введены вторые диод и конденсатор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, n-p-n-транзистор, триггер Шмитта, (k-1) входных шин, (k-1) первых КНОК, k вторых КНОК, k третьих и k четвертых диодов, k пятых, k шестых, k седьмых, k восьмых и k девятых резисторов, k третьих конденсаторов, где k=1, 2, …, общая шина через первый резистор соединена со вторым выводом первого конденсатора, первый вывод которого соединен с эмиттером n-p-n-транзистора, база которого соединена через второй резистор с выходной шиной и с анодом первого диода, катод которого соединен с управляющим входом аналогового ключа и выходом триггера Шмитта, вход которого соединен через второй конденсатор с общей шиной и через третий резистор с анодом второго диода и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с катодом второго диода и выходом порогового элемента, вход которого соединен с первыми выводами пятых резисторов, инвертирующими входами дополнительных первых КНОК и выходной шиной, шина питания соединена с первыми выводами шестых и седьмых резисторов и коллектором n-p-n-транзистора, база которого соединена с точкой объединения катодов третьих и четвертых диодов, анод каждого третьего диода соединен со вторым выводом соответствующего шестого резистора и выходом соответствующего второго КНОК, неинвертирующий вход каждого второго КНОК соединен с общей шиной, а инвертирующий вход соединен со вторым выводом соответствующего пятого резистора и через соответствующий восьмой резистор с соответствующей входной шиной, каждая входная шина через соответствующий девятый резистор соединена с неинвертирующим входом соответствующего первого КНОК, выход которого соединен со вторым выводом соответствующего седьмого резистора, анодом соответствующего четвертого диода и через соответствующий третий конденсатор с общей шиной.

Аналоговый ключ выполнен на последовательно соединенных логическом элементе НЕ, вход которого является управляющим неинвертирующим входом аналогового ключа, и разрядном ключе с общим эмиттером на n-p-n-транзисторе.

Триггер Шмитта выполнен на логическом элементе с ограничительным резистором на входе.

Расширенные функциональные возможности обеспечиваются:

- выделением максимального значения двуполярной амплитуды аналогового сигнала по входным шинам за счет одновременной работы аналого-цифровых компараторов напряжения с открытым коллектором на суммирующий n-p-n-транзистор, защищенный от перегрузки первым диодом, и заменой аналоговой схемы операционного усилителя ближайшего аналога на аналого-цифровую схему компараторов напряжения с открытым коллектором и девятыми ограничительными резисторами. Благодаря этому количество входных шин и обрабатываемых сигналов легко наращивается параллельным подключением выходов дополнительных компараторов напряжения через соответствующие диоды в одну суммирующую точку на базу n-p-n-транзистора, ускоряющего заряд первого (запоминающего) конденсатора;

- нормированным временем хранения для считывания очередного расширенного выходного импульса внешними считывающими устройствами и последующим быстрым обнулением выходного импульса за счет введения времязадающей цепи (на пороговом элементе, резисторах, втором конденсаторе и триггере Шмитта) с медленным зарядом и быстрым разрядом второго конденсатора, подключенной к управляющему входу аналогового ключа и катоду первого диода;

- однополярным питанием без снижения быстродействия за счет введения компараторов напряжения с открытым коллектором вместо операционного усилителя ближайшего аналога;

- введением защиты n-p-n-транзистора от токовой перегрузки в момент разряда аналоговым ключом запоминающего первого конденсатора с помощью защитного первого диода, удерживающего близкое к нулевому (0,3 В) напряжение на базе n-p-n-транзистора.

Кроме того, в режиме хранения уменьшена погрешность вследствие меньшего изменения напряжения на запоминающем первом конденсаторе за счет выравнивания потенциалов на базе и эмиттере n-p-n-транзистора вторым резистором, подключенным к выходу повторителя напряжения и базе n-p-n-транзистора.

На фиг.1 представлен пример реализации функциональной схемы пикового детектора при k=2. На фиг.2 приведены временные диаграммы работы пикового детектора.

Пиковый детектор (фиг.1) содержит шину 1 питания, входные шины 2 и 3, первые компараторы напряжения с открытым коллектором 4 и 5 (КНОК), пороговый элемент 6, аналоговый ключ 7, первый конденсатор 8, повторитель напряжения 9, выходную шину 10, первый диод 11, второй диод 12, второй конденсатор 13, первый, второй, третий и четвертый резисторы 14, 15, 16 и 17 соответственно, n-p-n- транзистор 18, триггер Шмитта 19, вторые КНОК 20 и 21, третьи диоды 22 и 23, четвертые диоды 24 и 25, пятые 26 и 27, шестые 28 и 29, седьмые 30 и 31, восьмые 32 и 33 и девятые 34 и 35 резисторы, третьи конденсаторы 36 и 37.

Первый выход аналогового ключа 7 соединен с общей шиной, а второй выход соединен с входом повторителя напряжения 9, эмиттером n-p-n-транзистора 18 и через последовательно соединенные первые конденсатор 8 и резистор 14 с общей шиной. Выход повторителя напряжения 7 соединен с выходной шиной 10, входом порогового элемента 6, инвертирующими входами первых КНОК 4 и 5, первыми выводами пятых резисторов 26 и 27 и через второй резистор 15 с базой n-p-n-транзистора 18. База n-p-n-транзистора 18 соединена с анодом первого диода 11 и точкой объединения катодов третьих 22, 23 и четвертых 24, 25 диодов. Катод первого диода 11 соединен с управляющим входом аналогового ключа 7 и выходом триггера Шмитта 19. Вход триггера Шмитта 19 соединен через второй конденсатор 13 с общей шиной и через третий резистор 16 с анодом второго диода 12 и первым выводом четвертого резистора 17. Второй вывод четвертого резистора 17 соединен с катодом второго диода 12 и выходом порогового элемента 6. Шина 1 питания соединена с коллектором n-p-n-транзистора 18 и с первыми выводами шестых 28, 29 и седьмых 30, 31 резисторов. Аноды третьих диодов 22, 23 соединены со вторыми выводами шестых резисторов 28, 29 соответственно и выходами соответствующих вторых КНОК 20, 21. Неинвертирующие входы вторых КНОК 20, 21 соединены с общей шиной, а инвертирующие входы соединены со вторыми выводами соответствующих пятых резисторов 26, 27 и через соответствующие восьмые резисторы 32, 33 с соответствующими входными шинами 2, 3. Входные шины 2 и 3 через соответствующие девятые резисторы 34, 35 соединены с неинвертирующими входами соответствующих первых КНОК 4, 5, выходы которых соединены со вторыми выводами соответствующих седьмых резисторов 30, 31, анодами соответствующих четвертых диодов 24, 25 и через соответствующие третьи конденсаторы 36, 37 с общей шиной.

Аналоговый ключ 7 выполнен на последовательно соединенных логическом элементе НЕ 38, вход которого является управляющим неинвертирующим входом, и разрядном ключе с общим эмиттером на n-p-n-транзисторе 39.

Триггер Шмитта 19 выполнен на логическом элементе 40 с ограничительным резистором 41 на входе.

Положительные выводы питания КНОК 4, 5 и 20, 21 и повторителя напряжения 9 подключены к шине 1 питания, а отрицательные их выводы питания - к общей шине (на фиг.1 не показано).

На фигуре 2 представлены временные диаграммы работы пикового детектора (фиг.2), где:

Uвх - разнополярные импульсы напряжений произвольной амплитуды и длительности на входных шинах 2 и 3, начиная с момента t1 и далее;

Uвых - выходные импульсы, равные максимальным амплитудам импульсов с входных шин 2 и 3, расширенные по длительности до заданной временем записи запоминающего устройства (на фиг.1 не показано) tХРАН;

U13 - экспоненциальные импульсы (после момента t1) напряжения заряда и разряда конденсатора 13 напряжением логической единицы и логического нуля соответственно с выхода порогового элемента 6;

Uвкл - верхний пороговый уровень триггера Шмитта 19;

Uвыкл - нижний пороговый уровень триггера Шмитта 19;

U19 - временная диаграмма напряжения на выходе триггера Шмитта 19.

Пиковый детектор работает следующим образом.

В исходном статическом состоянии до момента t1 на фиг.2 напряжение на входных шинах 2, 3 равно нулю. КНОК 4, 5 и 20, 21 находятся в состоянии логического нуля по выходу за счет небольшого (несколько милливольт) напряжения смещения на их инвертирующих входах, образуемого входными вытекающими токами смещения КНОК, протекающими по большим сопротивлениям резисторов 32, 33 и 26, 27.

Сопротивление резисторов 34, 35 много меньше сопротивления каждого из резисторов 32, 33 и 26, 27, что не влияет на устойчивое статическое состояние КНОК 4, 5 и 20, 21.

На объединенных катодах диодов 22, 23 и 24, 25, входе и выходе повторителя напряжения 9 (неинвертирующего) также присутствует «нулевое» (несколько милливольт) напряжение. «Нулевое» напряжение с выхода повторителя напряжения 9 ниже величины (0,2 В) порогового напряжения Uпор (см. Uвых на фиг.2) порогового элемента 6 (неинвертирующего), то есть на выходе его и конденсаторе 13 также «нулевое» напряжение, а значит на инверсном выходе триггера Шмитта 19 напряжение логической единицы, которым заперт диод 11, и через логический элемент НЕ 38 логическим нулем заперт n-p-n-транзистор 39 аналогового ключа 7.

Резисторы 34, 35 ограничительные для КНОК 4, 5 при отрицательной полярности входного сигнала на входных шинах 2, 3. Пороговый элемент 6 - компаратор напряжения, подобный элементам 4, 5 и 20, 21 или подобный аналоговому ключу 7 с общим эмиттером на n-p-n-транзисторе 39. Корректирующие резистор 14 и конденсаторы 36, 37 обеспечивают устойчивую работу пикового детектора в широком диапазоне входных сигналов и температур окружающей среды. КНОК 4, 5 выполняют функцию сравнения напряжений, а КНОК 20, 21 с резисторами 26, 27 и 32, 33 выполняют функцию сравнения токов.

При поступлении на входные шины 2, 3 и неинвертирующие входы КНОК 4, 5 положительных импульсов (см. t1 на Uвх на фиг.2) КНОК 4, 5 переключаются в состояние логической единицы по выходу и через диоды 24, 25 и n-p-n-транзистор 18 заряжают конденсатор 8. Через повторитель напряжения 9 это напряжение в виде сигнала отрицательной обратной связи подается на инвертирующие входы КНОК 4, 5, возвращая их в состояние логического нуля при выравнивании амплитуд импульсов напряжений входных шин 2, 3 и сигнала обратной связи на дифференциальных входах КНОК 4, 5.

В течение положительных входных импульсов, поступающих на инвертирующий вход КНОК 20, 21, которые, находятся в состоянии логического нуля, диоды 22, 23 заперты и не участвуют в работе.

Напряжение на конденсаторе 8 существует в течение времени хранения tхран, длительность которого определяется постоянной времени заряда конденсатора 13 через резисторы 16, 17 напряжением логической единицы с выхода неинвертирующего порогового элемента 6, т.к. превышен пороговый уровень Uпор на его входе. При достижении напряжением U13 конденсатора 13 величины Uвкл триггер Шмитта 19 переключается в состояние логического нуля по выходу и через элемент НЕ 38 открывает разрядный ключ на n-p-n-транзисторе 39, разряжая конденсатор 8 за короткое время t2-t3. При этом диод 11 открыт, а значит, напряжение на базе n-p-n-транзистора 18 равно 0,3 В, что недостаточно для его отпирания, и следовательно, n-p-n-транзистор 18 защищен от токовой перегрузки даже в случае длинных входных положительных импульсов на входных шинах 2, 3 (на фиг.2 не показаны).

При поступлении на входные шины 2, 3 и инвертирующие входы КНОК 20, 21 отрицательных импульсов (см. t4 на Uвх на фиг.2) КНОК 20, 21 переключаются в состояние логической единицы по выходу и через открытые диоды 22, 23 и n-p-n-транзистор 18 заряжается конденсатор 8. Через повторитель напряжения 9 это напряжение в виде сигнала отрицательной обратной связи подается на резисторы 32, 33 и 26, 27 и инвертирующие входы КНОК 20, 21, возвращая их в состояние логического нуля при выравнивании амплитуд импульсов токов на инвертирующих входах в резисторах 32, 33 и 26, 27.

В течение отрицательных входных импульсов, поступающих на неинвертирующие входы КНОК 4, 5, которые находятся в состоянии логического нуля, диоды 24, 25 закрыты и не участвуют в работе.

Положительное напряжение на конденсаторе 8 существует в течение времени хранения tхран, длительность которого определяется постоянной времени заряда конденсатора 13 через резисторы 16, 17 напряжением логической единицы с выхода порогового элемента 6, т.к. превышен пороговый уровень Uпор на его входе. При достижении напряжением U13 конденсатора 13 величины Uвкл триггер Шмитта 19 переключается в состояние логического нуля по выходу и через элемент НЕ 38 открывает разрядный ключ на n-p-n-транзисторе 39, разряжая конденсатор 8 за короткое время tсброса. При этом диод 11 открыт, а значит, напряжение на базе n-p-n-транзистора 18 равно 0,3 В, что недостаточно для его отпирания, и следовательно, n-p-n-транзистор 18 защищен от токовой перегрузки даже в случае длинных входных отрицательных импульсов на входных шинах 2, 3 (на фиг.2 не показаны).

Величина tХРАН на порядок меньше, чем постоянная времени разряда запоминающего конденсатора 8 на высоком входном сопротивлении повторителя напряжения, что обеспечивает стабильность запомненной амплитуды. Импульсы стабилизированы по амплитуде и длительности выбранной величиной tхран задержки сброса напряжения запоминающего конденсатора 8 (tсброса) при заряде вспомогательного конденсатора 13 (см. U13 на фиг.2) через резисторы 17, 16 с нижнего до верхнего порогового уровня триггера Шмитта 19. Эти же импульсы присутствуют на входе и выходе повторителя напряжения 9, начиная с момента t1 и далее. Длительность этих импульсов определяет время хранения tХРАН (время задержки сброса) и должна быть достаточна для переноса во внешнее запоминающее устройство максимальной амплитуды очередных запомненных импульсов.

Короткие импульсы tСБРОСА образуются в результате быстрого разряда конденсатора 13 через резистор 16 и диод 12 с верхнего до нижнего порогового уровня триггера Шмитта 19. Длительность этих импульсов (см. на фиг.2) определяет время открытого состояния аналогового ключа 7 и должна быть достаточна для полного разряда (сброса напряжения) конденсатора 8.

При поступлении в момент t5 на входные шины 2, 3 импульсов с амплитудой, меньшей амплитуды предыдущих импульсов, в схеме происходит процесс, аналогичный вышеописанному, но, в отличие от ближайшего аналога, обеспечивается гарантированное время хранения tхран для переноса в запоминающее устройство предыдущего импульса большей амплитуды.

В предлагаемом пиковом детекторе расширены функциональные возможности:

- обеспечена функция выделения максимальной по абсолютному значению и разнополярной амплитуды благодаря одновременной работе КНОК 20, 21 и 4, 5, диодов 22, 23 и 24, 25 на суммирующий транзистор 18;

- обеспечивается слежение за амплитудой входных сигналов и надежный перенос хранимых значений во внешнее запоминающее устройство благодаря нормализации по длительности времени хранения;

- обеспечивается защита от токовой перегрузки путем запирания n-p-n-транзистора 18 при разряде конденсатора 8 аналоговым ключом 7, защитным диодом 11.

Испытания макета пикового детектора подтвердили его работоспособность и заявленные преимущества в диапазоне рабочих температур от -40° до +50°С.

Пиковый детектор, содержащий шину питания, входную шину и первый компаратор напряжения с открытым коллектором (КНОК), пороговый элемент, аналоговый ключ, первый выход которого соединен с общей шиной, а второй выход соединен с первым выводом первого конденсатора и входом повторителя напряжения, выход которого соединен с выходной шиной и инвертирующим входом первого КНОК, первый диод, отличающийся тем, что дополнительно введены вторые диод и конденсатор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, n-p-n-транзистор, триггер Шмитта, (k-1) входных шин, (k-1) первых КНОК, k вторых КНОК, k третьих и k четвертых диодов, k пятых, k шестых, k седьмых, k восьмых и k девятых резисторов, k третьих конденсаторов, где k=1, 2, …, общая шина через первый резистор соединена со вторым выводом первого конденсатора, первый вывод которого соединен с эмиттером n-p-n-транзистора, база которого соединена через второй резистор с выходной шиной и с анодом первого диода, катод которого соединен с управляющим входом аналогового ключа и выходом триггера Шмитта, вход которого соединен через второй конденсатор с общей шиной и через третий резистор - с анодом второго диода и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с катодом второго диода и выходом порогового элемента, вход которого соединен с первыми выводами пятых резисторов, инвертирующими входами дополнительных первых КНОК и выходной шиной, шина питания соединена с первыми выводами шестых и седьмых резисторов и коллектором n-p-n-транзистора, база которого соединена с точкой объединения катодов третьих и четвертых диодов, анод каждого третьего диода соединен со вторым выводом соответствующего шестого резистора и выходом соответствующего второго КНОК, неинвертирующий вход каждого второго КНОК соединен с общей шиной, а инвертирующий вход соединен со вторым выводом соответствующего пятого резистора и через соответствующий восьмой резистор - с соответствующей входной шиной, каждая входная шина через соответствующий девятый резистор соединена с неинвертирующим входом соответствующего первого КНОК, выход которого соединен со вторым выводом соответствующего седьмого резистора, анодом соответствующего четвертого диода и через соответствующий третий конденсатор - общей шиной.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам измерительной техники и может быть использовано для измерения напряжений в диапазонах крайне низких, сверхнизких, инфранизких и очень низких частот.

Изобретение относится к радиолокационной телевизионной и измерительной технике. .

Изобретение относится к способам работы датчиков тока с гальванической развязкой без дополнительного питания и может использоваться как способ работы датчика для измерения импульсного однополярного тока.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерениям больших постоянных и переменных токов. .

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и предназначено для выявления и подсчета выбросов или провалов напряжения, длительность превышения которыми различных уровней анализа больше заданных критических значений, а также определения суммарного времени пребывания электрооборудования в нерабочем состоянии при нестационарном напряжении в электрической сети.

Изобретение относится к области измерительной техники, касается, в частности, преобразователей переменного напряжения в постоянное на основе термопреобразователей, и может быть использовано в радиотехнике, энергетике и в автоматике.

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к измерениям характеристик электрических машин, и может быть использовано для постоянного контроля качества работы щеточно-контактных аппаратов в электрических машинах.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерениям переменных и импульсных токов в электроэнергетике. .

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению переменных токов в электроэнергетике. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах автоматики и силовой техники для детектирования, а также для определения канала с экстремальным напряжением и его полярности. Техническим результатом заявленного изобретения выступает расширение функциональных возможностей, за счет изменения структуры схемы и введения дополнительных элементов происходит выделение не только максимального пикового значения из k входных каналов, но и полярности и номера канала с максимальной амплитудой. Технический результат достигается благодаря тому, что пиковый детектор содержит шину питания, две входные шины, два блока сравнения напряжений и сравнения токов, аналоговый ключ, n-p-n-транзистор, конденсатор, резистор, повторитель напряжения, первую выходную шину, второй резистор, первый диод, управляющий вход, четыре вторых диода, четыре схемы задержки импульса, вторую выходную шину, третий резистор, логический элемент ИЛИ, формирователь коротких импульсов, четыре RS-триггера, преобразователь кода в напряжение. 2 ил.
Наверх