Способ формирования импульсов напряжения трапецеидальной формы
Владельцы патента RU 2434319:
Учреждение Российской академии наук Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Казанского научного центра РАН (КФТИ КазНЦ РАН) (RU)
Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для формирования импульсов напряжения трапецеидальной формы с независимым регулированием крутизны фронтов и амплитуды импульса. Технический результат: повышение точности регулирования амплитуды выходного напряжения и устранение искажений формы импульса в генераторах трапецеидальных импульсов, основанных на заряде и разряде конденсатора постоянным током и выключении тока заряда или разряда конденсатора по сигналу компаратора, сравнивающего напряжение на конденсаторе с напряжением, регулирующим амплитуду импульса. Данный результат достигается тем, что компаратор формирует сигнал на выключение тока заряда или тока разряда конденсатора не в момент времени, когда величина напряжения на конденсаторе станет равной напряжению, регулирующему амплитуду импульса, а с опережением на величину, равную времени задержки между моментом срабатывания компаратора и моментом выключения тока заряда или разряда конденсатора. С этой целью на компаратор дополнительно подают корректирующее напряжение, пропорциональное напряжению, регулирующему крутизну фронта импульса. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для формирования импульсов напряжения трапецеидальной формы с независимым регулированием крутизны фронтов и амплитуды импульса.
Известен способ формирования напряжения трапецеидальной формы с независимым регулированием крутизны фронтов и амплитуды импульса, включающий заряд и разряд конденсатора постоянным током. При этом напряжение на конденсаторе меняется линейно во времени со скоростью, пропорциональной силе тока, которая, в свою очередь, пропорциональна первому управляющему напряжению U1. Линейно изменяющееся напряжение на конденсаторе сравнивают со вторым управляющим напряжением U2, которое определяет амплитуду формируемого импульса. В момент равенства линейно меняющегося напряжения на конденсаторе и напряжения U2 срабатывает компаратор, который выключает ток заряда или разряда конденсатора. После этого напряжение на конденсаторе считают постоянным. Данный способ формирования трапецеидального импульса реализован, например, в [1, 2].
Недостатком описанного способа формирования трапецеидальных импульсов является зависимость амплитуды или формы импульса от крутизны фронта импульса в области малых длительностей фронтов импульса. Причина этого связана с наличием временной задержки между моментом срабатывания компаратора и моментом срабатывания ключа, выключающего ток заряда или разряда конденсатора.
Рассмотрим, для определенности, процесс формирования переднего фронта импульса (см. фиг.1). В момент времени t=0 включают постоянный ток заряда конденсатора, и напряжение на конденсаторе начинает линейно возрастать. В момент времени t0 напряжение на конденсаторе становится равным напряжению U2, и срабатывает компаратор, выходной сигнал которого выключает ток заряда конденсатора. Однако всегда существует конечный интервал времени δt между временем t0 и временем выключения тока заряда t1. В течение времени δt ток через конденсатор продолжает течь, и напряжение на конденсаторе продолжает расти (фиг.1а). Если напряжение на конденсаторе изменяется с постоянной скоростью (dU/dt)=Const, то в момент времени t1 напряжение на конденсаторе будет больше величины напряжения U2 на величину δU=(dU/dt)·δt. На фиг.1а видно, что величина δU зависит от крутизны фронта импульса. Поэтому при малой длительности фронта импульса, сравнимой с δt, амплитуда импульса в формирователе [1] зависит от крутизны фронта импульса.
В формирователь [2] введен дополнительный ключ, который после окончания фронта импульса подает напряжение U2 непосредственно на конденсатор. Поэтому в основной своей части амплитуда импульса равна U2, и в отличие от [1] не зависит от крутизны фронта. Однако и в этой схеме напряжение на конденсаторе продолжает изменяться в течение времени δt после срабатывания компаратора, поэтому в конце фронта импульса появляется искажение формы импульса в виде выброса напряжения, величина которого δU зависит от крутизны фронта (фиг.1б).
Указанные выше недостатки проявятся и при формировании заднего фронта импульса в случае, если сигнал на выключение тока разряда конденсатора формируют с помощью компаратора.
Технической задачей данного изобретения является устранение влияния временной задержки между моментом срабатывания компаратора и моментом выключения тока заряда или разряда конденсатора на амплитуду и форму импульса.
Поставленная задача решается за счет того, что компаратор формирует сигнал на выключение тока заряда или тока разряда конденсатора не в момент времени t0, когда величина напряжения на конденсаторе станет равной второму управляющему напряжению, а в момент времени t-1, опережающий время t0 на величину δt, равную времени задержки между моментом срабатывания компаратора и моментом выключения тока заряда или разряда конденсатора.
Для осуществления способа создают условия, при которых компаратор срабатывает не при равенстве напряжений на конденсаторе и второго управляющего напряжения U2, а при условии, когда напряжение на конденсаторе меньше напряжения U2 на величину δU. Причем, величина должна δU изменяться при изменении крутизны фронта импульса. Возможны две разновидности практической реализации предлагаемого способа. В первой разновидности на первый вход компаратора подают напряжение на конденсаторе, а на второй вход компаратора подают напряжение U2, уменьшенное на величину δU. Во второй разновидности на первый вход компаратора подают сумму напряжения на конденсаторе и напряжения δU, а на второй вход компаратора подают управляющее напряжение U2.
В основе практической реализации предлагаемого способа лежит то обстоятельство, что величина δU пропорциональна крутизне фронта импульса dU/dt, которая, в свою очередь, пропорциональна первому управляющему напряжению U1. Поэтому для управления моментом срабатывания компаратора используют корректирующее напряжение kU1=δU, где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от быстродействия используемых электронных компонентов.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлены временные диаграммы, характеризующие процесс формирования переднего фронта трапецеидального импульса для двух импульсов с различной крутизной фронта.
На фиг.2 представлен пример практической реализации предложенного способа формирования трапецеидальных импульсов в случае, когда посредством компаратора производят сравнение напряжения на конденсаторе и напряжения, регулирующего амплитуду импульса, уменьшенного на величину, пропорциональную напряжению, регулирующему крутизну фронта импульса.
На фиг.3 представлен пример практической реализации предложенного способа формирования трапецеидальных импульсов в случае, когда посредством компаратора производят сравнение напряжения на конденсаторе, увеличенного на величину, пропорциональную напряжению, регулирующему крутизну фронта импульса, и напряжения, регулирующего амплитуду импульса.
Примеры практической реализации предлагаемого способа показаны на фиг.2 и фиг.3. Здесь в качестве прототипа использован формирователь трапецеидальных импульсов [2], содержащий усилитель напряжения 1, резистор 2, конденсатор 3, аналоговые ключи 4 и 5, повторитель напряжения 6, аналоговый инвертор напряжения 7, компараторы 8 и 9, логические инверторы 10, 11, 12 и логический элемент 13.
В первой разновидности предлагаемого способа (фиг.2), в отличие от прототипа, на вход инвертора 7 подают не входное напряжение, а его часть, снимаемую с движка потенциометра 14. Такая схемная реализация предлагаемого способа связана с тем, что в прототипе [2] величина тока, заряжающего и разряжающего конденсатор, и амплитуда импульса регулируются одним и тем же напряжением. Поэтому в данном случае U1=U2. Движок потенциометра 14 устанавливают в положение, соответствующее минимальному искажению формы импульса.
Во второй разновидности предлагаемого способа, в отличие от прототипа, напряжение с конденсатора подают не на компаратор, а на первый вход суммирующего усилителя 15. На второй вход суммирующего усилителя 15 через потенциометр 14 подают напряжение с выхода усилителя 1, которое определяет ток заряда конденсатора 3. Изменением положения движка потенциометра 14 регулируют отношение между напряжением δU и напряжением U1, так, чтобы искажения формы трапецеидального усилителя были минимальны. Поскольку суммирующий усилитель 15 является инвертирующим, выходное напряжение с усилителя 15 подают на вход компаратора 8 через аналоговый инвертор 16.
Источники информации
1. Э.М.Спириденков, Н.А.Тимофеев. Формирователь импульсов с управляемой крутизной линейно-изменяющегося фронта и амплитудой сигнала. Приборы и техника эксперимента, №4, 1979, с.174-175.
2. Г.Г.Гуревич, А.Б.Микоелов, Ю.Б.Капишников. Устройство для формирования трапецеидального напряжения. Авторское свидетельство №811492. Бюллетень ОИПОТЗ №9, 1981.
1. Способ формирования трапецеидальных импульсов с независимым регулированием крутизны фронтов и амплитуды импульса, включающий заряд и разряд конденсатора постоянным током, величина которого пропорциональна первому управляющему напряжению, сравнение с помощью компаратора величины выходного напряжения с величиной второго управляющего напряжения и выключение тока заряда или разряда конденсатора по сигналу компаратора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования амплитуды выходного напряжения и устранения искажений формы импульса, компаратор формирует сигнал на выключение тока заряда или тока разряда конденсатора с опережением на время δt относительно времени t0, при котором величина выходного напряжения станет равной второму управляющему напряжению, а величина δt равна запаздыванию времени выключения тока заряда или разряда конденсатора относительно времени формирования компаратором сигнала на выключение тока.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину опережения δt устанавливают с помощью корректирующего напряжения, пропорционального первому управляющему напряжению, определяющему крутизну фронтов выходного импульса.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на первый вход компаратора подают выходное напряжение, а на второй вход компаратора подают разность между вторым управляющим напряжением и корректирующим напряжением.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на первый вход компаратора подают сумму выходного напряжения и корректирующего напряжения, а на второй вход компаратора подают второе управляющее напряжение.
