Устройство для измерения пиковых значений
Владельцы патента RU 2761890:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и физике и может быть использовано для выделения и контроля коротких одиночных импульсов определенных амплитуд и длительностей на фоне случайных или периодических помех большей длительности, например, в дозиметрии, виброметрии ударных процессов, дефектоскопии. Устройство для измерения пиковых значений содержит пассивный датчик, первый вывод которого подключен к входу усилителя-преобразователя, выход которого подключен через конденсатор к первому выводу первого резистора, выход первого операционного усилителя подключен к первому выводу первого диода, второй вывод которого через параллельно соединенные последовательную RC-цепь и второй резистор подключен к общей шине, к которой подключен второй вывод пассивного датчика, третий и четвертый резисторы, второй диод, второй операционный усилитель и шину положительного или отрицательного напряжения, согласно изобретению, дополнительно введен контур ударного возбуждения, первый вывод которого подключен к общей шине, а второй вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен с третьим выводом контура ударного возбуждения, а неинвертирующий вход соединен со вторым выводом первого резистора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен либо с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, либо с выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через четвертый резистор подключен к шине положительного или отрицательного напряжения и через второй диод к общей шине. Технические результаты, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в упрощении конструкции, повышении помехоустойчивости и повышении быстродействия. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и физике и может быть использовано для выделения и контроля коротких одиночных импульсов определенных амплитуд и длительностей на фоне случайных или периодических помех большей длительности, например, в дозиметрии, виброметрии ударных процессов, дефектоскопии.
Известно устройство для измерения пиковых значений (см. ж. «Приборы и техника эксперимента» № 4, 1978 г., стр. 112, В.Г. Гольдорт и др.), содержащий пассивный датчик (приемник излучения), выполненный на фотоэлектронном умножителе (ФЭУ), выход которого подключен к неинвертирующему зарядочувствительному усилителю (ЗЧУ), выполненному на интегрирующем конденсаторе и истоковом повторителе, выход которого через первый аналоговый ключ подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к точке объединения анода диода, неинвертирующего входа второго операционного усилителя, первой обкладки первого конденсатора, входа второго аналогового ключа, выход которого подключен к общей шине, подключенной ко второй обкладке первого конденсатора, катод диода подключен к выходу первого операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к точке объединения выхода пикового вольтметра, входа третьего аналогового ключа и первой обкладки второго конденсатора, вторая обкладка которого подключена к общей шине, выход третьего аналогового ключа подключен к выходу второго операционного усилителя, управляющие входы первого, третьего и второго ключа подключены соответственно к первому, второму, третьему выходам формирователя командных импульсов, вход которого подключен к шине запуска.
Недостатками устройства являются:
1. Громоздкость из-за больших габаритов электровакуумного ФЭУ и элементов его защиты от механических нагрузок.
2. Хрупкость электровакуумного ФЭУ, не позволяющая работать в условиях высоких ударных нагружений.
3. Низкий коэффициент усиления следующих за ФЭУ каскадов, обуславливающий невозможность использования пассивных датчиков с низкой чувствительностью, например, фот одиодов, пьезо акселерометров и др., неразрушаемых при ударных нагружениях.
4. Ограничение динамического диапазона сверху и снизу и пониженная помехоустойчивость из-за отсутствия сжатия выходной информации и отсутствия резонансной фильтрации низкочастотных помех от механических воздействий на ФЭУ, мешающих выделить короткие импульсы пассивного датчика излучения (фотоэлектронного умножителя).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для измерения пиковых значений (см. патент RU № 2343429, приоритет от 16.04.2007, авторов Гутникова А.И., Гусева В.Е., МПК: G01J 1/44, опубл. 10.01.2009, Бюл. № 1), содержащее пассивный датчик, усилитель-преобразователь, одновибратор с управляющим входом, первый операционный усилитель, первый диод, второй диод, первый аналоговый ключ, второй операционный усилитель, первый резистор, последовательную RC-цепь, второй резистор, третий резистор, активный или пассивный Г-образный RC-фильтр верхних частот, второй аналоговый ключ, неинвертирующий операционный усилитель, шину опорного напряжения, третий операционный усилитель, восьмой, седьмой, шестой, пятый, четвертый резисторы, конденсатор, третий диод. Пассивный датчик подключен к усилителю-преобразователю. Выход первого операционного усилителя подключен к катоду первого диода и аноду второго диода, катод которого подключен к входу первого аналогового ключа, неинвертирующему входу второго операционного усилителя, первому выводу первого резистора и через последовательную RC-цепь к общей шине, к которой подключен выход первого аналогового ключа. Выход второго операционного усилителя через второй резистор подключен к аноду первого диода и инвертирующему входу первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к первому выводу третьего резистора. Управляющие входы первого и второго аналоговых ключей соответственно объединены и подключены к выходу одновибратора, выход усилителя-преобразователя подключен через активный или пассивный Г-образный RC-фильтр верхних частот ко второму выводу третьего резистора, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен через второй аналоговый ключ к общей шине. Шина опорного напряжения соединена с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого соединен с катодом третьего диода, анод которого соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя и через четвертый резистор с первым выводом конденсатора, с неинвертирующим входом неинвертирующего операционного усилителя и с первым выводом пятого резистора. Второй вывод пятого резистора соединен с первыми выводами шестого резистора и седьмого резистора и с выходом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом шестого резистора 21, второй вывод седьмого резистора соединен со вторым выводом первого резистора и через восьмой резистор с общей шиной, к которой подключен второй вывод конденсатора.
Недостатками устройства являются:
- сложность из-за наличия дополнительного усилителя и кусочно-линейного аппроксиматора;
- низкая помехоустойчивость за счет низкого (не более 1) коэффициента усиления не резонансного Г-образного фильтра верхних частот, не обеспечивающего избирание полезного сигнала определенной длительности на фоне больших периодических (случайных) помех более низких частот;
- низкое быстродействие за счет полностью запертого в исходном состояний диода пикового детектора, не обеспечивающего требуемое быстродействие пикового детектора за счет наличия высокоомной «пятки» диода (несколько МОм) в начальный момент заряда через этот диод запоминающего амплитуду сигнала конденсатора последовательной RC-цепи. Низкое быстродействие за счет отсутствия расширения входного импульса резонансным контуром ударного возбуждения.
Технической проблемой является создание упрощенного устройства для измерения пиковых значений, обладающего повышенной помехоустойчивостью и повышенным быстродействием.
Технические результаты, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в упрощении, повышении помехоустойчивости и повышении быстродействия.
Данные технические результаты достигаются тем, что в устройстве для измерения пиковых значений, содержащем пассивный датчик, первый вывод которого подключен к входу усилителя-преобразователя, выход которого подключен через конденсатор к первому выводу первого резистора, выход первого операционного усилителя подключен к первому выводу первого диода, второй вывод которого через параллельно соединенные последовательную RC-цепь и второй резистор подключен к общей шине, к которой подключен второй вывод пассивного датчика, третий и четвертый резисторы, второй диод, второй операционный усилитель и шину положительного или отрицательного напряжения, новым является то, что дополнительно введен контур ударного возбуждения, первый вывод которого подключен к общей шине, а второй вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен с третьим выводом контура ударного возбуждения, а неинвертирующий вход соединен со вторым выводом первого резистора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен либо с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, либо с выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через четвертый резистор подключен к шине положительного или отрицательного напряжения и через второй диод к общей шине.
Применение контура ударного возбуждения в цепи отрицательной обратной связи первого операционного усилителя образует резонансный усилитель ударного возбуждения и обеспечивает дополнительную функцию усиления, что позволяет исключить применение дополнительного усилителя и кусочно-линейного аппроксиматора, как в наиболее близком аналоге, что упрощает схему устройства. Образованный резонансный усилитель ударного возбуждения обеспечивает селекцию импульсов определенных длительностей и амплитуд и повышает быстродействие, т.к. более чувствителен к коротким импульсам, возбуждающим контур ударного возбуждения. Так же образованный резонансный усилитель ударного возбуждения обеспечивает избирание полезного сигнала определенных длительностей и амплитуд на фоне больших периодических (случайных) помех более низкой частоты, чем в длительностях входных импульсов, что повышает помехоустойчивость.
Кроме того, повышение быстродействия достигается также за счет того, что второй диод обеспечивает приоткрывание первого диода, обеспечивающего максимальное быстродействие пикового детектора на первом диоде и последовательной RC-цепи за счет исключения высокоомной «пятки» первого диода (несколько МОм) в начальный момент заряда через первый диод запоминающего амплитуду сигнала конденсатора последовательной RC-цепи.
Усилитель-преобразователь (фототока или заряда пассивного датчика в напряжение) обеспечивает стандартное преобразование заряда пассивного датчика в напряжение и выполнен на операционном усилителе, интегрирующей RC-цепи и разделительном конденсаторе, первый вывод которого является входом усилителя-преобразователя, а второй вывод соединен с входом интегрирующей RC-цепи и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход соединен с выходом интегрирующей RC-цепи и является выходом усилителя-преобразователя. Разделительный конденсатор на входе усилителя-преобразователя обеспечивает исключение влияния постоянной составляющей сигнала пассивного датчика, что повышает помехоустойчивость устройства в целом.
Контур ударного возбуждения выполнен на последовательно соединенных конденсаторе, индуктивности и резисторе, второй вывод которого является третьим выводом контура ударного возбуждения, вторым выводом которого является точка объединения резистора и индуктивности, второй вывод конденсатора является первым выводом контура ударного возбуждения. Данное выполнение контура ударного возбуждения, включенного в цепь отрицательной обратной связи первого операционного усилителя, обеспечивает максимальное достижение технических результатов, на выполнение которых направлено предлагаемое устройство. При этом требуется катушка индуктивности больших габаритов.
Контур ударного возбуждения выполнен на первом, втором, третьем и четвертом резисторах, первом, втором, третьем и четвертом конденсаторах, первый вывод первого конденсатора является первым выводом контура ударного возбуждения, точка объединения первого и второго резисторов является вторым выводом контура ударного возбуждения и соединена с первым выводом второго конденсатора, точка объединения третьих конденсатора и резистора является третьим выводом контура ударного возбуждения, точка объединения вторых выводов второго и третьего резисторов подключена к общей шине, к которой через четвертый резистор подключена точка объединения вторых выводов второго и третьего конденсатора, второй вывод первого конденсатора соединен со вторым выводом первого резистора. Данное выполнение контура ударного возбуждения, включенного в цепь отрицательной обратной связи первого операционного усилителя, обеспечивает достижение технических результатов, на выполнение которых направлено предлагаемое устройство. При этом исключается катушка индуктивности больших габаритов.
На фиг. 1 а) представлен вариант схемы заявленного устройства для измерения пиковых значений, выполненный с пассивным датчиком на фотодиоде и его конденсаторе и резисторе, и выполненный на RLC-контуре ударного возбуждения. На фиг. 1 б) представлен пассивный датчик на пьезоакселерометре (как известно, пьезоакселерометр содержит источники сигнального и помехового токов, эквивалентные емкость и сопротивление). На фиг. 1 в) представлен RC-контур ударного возбуждения, выполненный на двойном Т-образном мосте.
На фиг. 2 приведен сигнал Uвых на нагрузке 9 устройства при сигнале пассивного датчика 1 амплитудой 1 мкА, длительностью 0,25 мкс и наложенной синусоидальной помехе. При этом положение полезного сигнала пассивного датчика 1 относительно помехи произвольно (фиг. 2 а), 2 б), 2 в)). На фиг. 2 г) представлена зависимость выходного сигнала устройства от сигнала пассивного датчика 1 амплитудой 1 мкА и длительностью 0,25 мкс без помехи. Анализ диаграмм (фиг. 2 а), 2 б), 2 в)) показал, что после обработки сигнала и помехи RLC- или RC-контуром ударного возбуждения величина выходного сигнала Uвых не зависит от уровня и местоположения помехи, а зависит от амплитуды входного тока Iвх и длительности сигнала t.
На фиг. 3 приведена зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 амплитудой 2 мкА и длительностями t (0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5) мкс.
Анализ диаграмм (фиг. 3) показал, что величина сигнала Uвых на нагрузке 9 пропорционально зависит от длительности сигнала t.
На фиг. 4 приведена зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 длительностью 1 мкс и амплитудой А (1…31) мкА.
Анализ диаграмм (фиг. 4) показал, что величина сигнала Uвых на нагрузке 9 пропорционально зависит от амплитуды сигнала Iвх.
На фиг. 5 а) доказана линейно пропорциональная зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 при его длительности 1 мкс.
На фиг. 5 б) доказана линейно пропорциональная зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от длительности импульса тока пассивного датчика 1 при его амплитуде 2 мкА.
Устройство для измерения пиковых значений (фиг. 1 а)) содержит пассивный датчик 1, усилитель-преобразователь 2, первый 3 и второй 4 операционные усилители, первый 5 и второй 6 диоды, конденсатор 7, первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 резисторы, последовательную RC-цепь 12, контур 13 ударного возбуждения, шину 14 положительного или отрицательного напряжения.
Первый вывод пассивного датчика 1 подключен к входу усилителя-преобразователя 2, выход которого подключен через конденсатор 7 к первому выводу первого резистора 8. Выход первого операционного усилителя 3 подключен к аноду (первому выводу) первого диода 5 и третьему выводу контура 13 ударного возбуждения. Катод (второй вывод) первого диода 5 через параллельно соединенные последовательную RC-цепь 12 и второй резистор 9 подключен к общей шине, к которой подключен второй вывод пассивного датчика 1. Первый вывод контура 13 ударного возбуждения подключен к общей шине, а второй вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 3. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя 3 соединен со вторым выводом первого резистора 8 и первым выводом третьего резистора 10. Второй вывод третьего резистора 10 посредством условного ключа 15 соединен либо с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 4, либо с выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя 4. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 4 через четвертый резистор 11 подключен к шине 14 положительного или отрицательного напряжения и через второй диод 6 к общей шине.
Усилитель-преобразователь 2 включает операционный усилитель 16, интегрирующую RC-цепь (параллельно соединенные резистор 17 и конденсатор 18) и конденсатор 19. Первый вывод конденсатора 19 является входом усилителя-преобразователя 2, а второй вывод соединен с входом интегрирующей RC-цепи 17, 18 и инвертирующим входом операционного усилителя 16. Неинвертирующий вход операционного усилителя 16 соединен с общей шиной, а выход соединен с выходом интегрирующей RC-цепи 17, 18 и является выходом усилителя-преобразователя 2. Инвертирующий усилитель-преобразователь 2 обеспечивает согласование с пассивным датчиком 1, имеющим существенную емкостную составляющую в выходном сопротивлении. Он преобразует импульс фототока пассивного датчика 1 в импульс напряжения с коэффициентом усиления не более единицы.
Пассивный датчик 1 выполнен на параллельно включенных фотодиоде 20 в режиме с обратным смещением, его эквивалентной емкости 21 и нагрузочном резисторе 22, первые выводы которых являются первым выводом пассивного датчика 1, вторые выводы являются вторым выводом пассивного датчика 1.
Для положительного сигнала на выходе устройства полярность включения первого 5 и второго 6 диодов показана на фиг. 1 а), для отрицательного сигнала полярность первого 5 и второго 6 диодов следует изменить на противоположную ((на фиг. 1 а) не показано).
Пассивный датчик по фиг. 1 б) выполнен на пьезоакселерометре 23, первый вывод которого является первым выводом пассивного датчика 1, второй вывод пьезоакселерометра 23 является вторым выводом пассивного датчика 1.
Пассивный датчик 1 генерирует заряд в виде коротких одиночных импульсов фототока амплитудой от 1 до 31 мкА и длительностью от 0,125 до 1,5 мкс с наложенной низкочастотной (до 100 кГц) периодической или случайной помехой.
Контур 13 ударного возбуждения по фиг. 1 а) выполнен на последовательно соединенных конденсаторе 24, индуктивности 25 и резисторе 26, второй вывод которого является третьим выводом контура 13 ударного возбуждения, вторым выводом которого является точка объединения резистора 26 и индуктивности 25, второй вывод конденсатора 24 является первым выводом контура 13 ударного возбуждения.
Без индуктивный контур 13 ударного возбуждения по фиг, 1 в) содержит первый 27, второй 28, третий 29 и четвертый 30 резисторы, первый 31, второй 32, третий 33 и четвертый 34 конденсаторы. Первый вывод первого конденсатора 31 является первым выводом контура 13 ударного возбуждения, точка объединения первого 27 и второго 28 резисторов является вторым выводом контура 13 ударного возбуждения и соединена с первым выводом второго конденсатора 32. Точка объединения третьих конденсатора 33 и резистора 29 является третьим выводом контура 13 ударного возбуждения. Точка объединения вторых выводов второго 28 и третьего 29 резисторов через четвертый конденсатор 34 подключена к общей шине, к которой через четвертый резистор 30 подключена точка объединения вторых выводов второго 32 и третьего 33 конденсатора, второй вывод первого конденсатора 31 соединен со вторым выводом первого резистора 27.
Последовательно соединенные конденсатор 7, первый 8 и третий 10 резисторы образуют дифференцирующую цепь и в то же время первый 8 и третий 10 резисторы являются неотъемлемым по функции избирательности элементом резонансного усилителя с большим усилением, выполненного на неинвертирующем первом операционном усилителе 3 с контуром 13 ударного возбуждения. Резонансный усилитель, обладая резонансной характеристикой за счет контура 13 ударного возбуждения, и в совокупности с дифференцирующей цепью обеспечивает большое усиление (выделение) полезного сигнала определенной длительности и амплитуды (заданного коротким импульсом фототока) порядка 40 дБ и существенное ослабление периодической или случайной низкочастотной помехи (до 100 кГц).
Четвертый резистор 11, второй диод 6 и шина положительного или отрицательного напряжения 14 образуют цепь смещения нуля на выходе первого операционного усилителя (ОУ) 3 непосредственно или через второй ОУ 4, устанавливающую с помощью прямосмещенного второго диода 6 первый диод 5 в полуоткрытое состояние, чем достигается термокомпенсация характеристик первого 5 и второго 6 диодов при близких токах через четвертый 11 и второй 9 резисторы и повышенное быстродействие заявленного устройства в целом за счет исключения высокоомной диодной «пятки», препятствующей быстрому заряду конденсатора 35 последовательной RC-цепи 12. За счет этого обеспечено повышенное быстродействие, т.е. способность выделения более коротких импульсов пассивного датчика 1 на фоне помех. При отсутствии повторителя напряжения 4 ток через четвертый резистор 11 должен быть выбран много большим, чем ток через второй резистор 9, чтобы не влиять на дифференцирующую цепь, выполненную на последовательно соединенных конденсаторе 7, резисторах 8, 10. За счет этого температурный коэффициент (ТКН) второго диода 6 больше ТКН первого диода 5, и в статическом состоянии (без входного сигнала) на выходе устройства имеется зависимое от температуры начальное напряжение смещения нуля, которое может быть использовано при необходимости как дополнительная функция контроля температуры до срабатывания пассивного датчика 1 (фотодиода).
За счет высокого коэффициента усиления полезного сигнала при резонансе не требуется включение дополнительного усилителя и кусочно-линейного аппроксиматора, использованных в наиболее близком аналоге, чем достигается упрощение.
Схема с RLC- или RC-контуром 13 ударного возбуждения, обладая высокой избирательностью (помехозащищенностью) и усилением, позволяет обрабатывать малые токи и длительности импульсов пассивных датчиков 1. Например, для пассивного датчика 1 на фотодиоде обрабатываются токи с одного мкА до десятков мкА с различением длительностей импульсов от 0,125 до 1,5 мкс (до 1 мкс линейная зависимость). При этом регулировка усиления осуществляется выбором соотношения первого 8 и третьего 10 резисторов. При необходимости вместо первого 8 и третьего 10 резисторов может быть использован управляемый цифровой потенциометр, плечами которого являются первый 8 и третий 10 резисторы.
Ток, протекающий через открытый второй диод 6, выбирается при помощи четвертого резистора 11. При равенстве токов первого 5 и второго 6 диодов и включенном повторителе напряжения 4 обеспечивается термокомпенсация и малое напряжение смешения нуля. При большом токе второго диода 6 на выходе устройства большее напряжение смешения нуля (около 0,6 В), зависимое от температуры с ТКН второго диода 6 около 2 мВ/°С.
Устройство для измерения пиковых значений работает следующим образом.
В исходном статическом состоянии сигнал на выходе пассивного датчика (фотодиода) 1 отсутствует, на выходе усилителя-преобразователя 2 также нулевой сигнал. На аноде прямосмещенного напряжением с шины положительного или отрицательного напряжения 14 диода 6 присутствует напряжение (как с повторителем напряжения 4, так и без него), равное 650 мВ. Это напряжение повторяется на выходе первого ОУ 3. На катоде первого диода 5 напряжение около 250 мВ, зависящее от тока через второй диод 6 при выборе четвертого резистора 11 и второго резистора 9.
При коротком импульсе тока с пассивного датчика 1 определенной длительности и амплитуды на выходе усилителя-преобразователя 2 появляется эквивалентный импульс напряжения, поступающий через дифференцирующую цепь на конденсаторе 7 первом 8 и третьем 10 резисторах на вход резонансного неинвертирующего усилителя на первом ОУ 3 с RLC-контуром 13 ударного возбуждения в цепи его отрицательной обратной связи.
Начальная фаза напряжения в момент поступления импульса с усилителя-преобразователя 2, возникающего на RLC-контуре 13 ударного возбуждения, совпадает с фазой входного импульса на дифференцирующей цепи, т.к. резонансный усилитель на первом ОУ 3 неинвертирующий. В момент окончания входного импульса с пассивного датчика 1 сигнал на выходе усилителя-преобразователя 2 также отсутствует, а на LC-цепи RLC-контура 13 ударного возбуждения и выходе первого ОУ 3 за счет запасенной индуктивностью 25 энергии продолжаются затухающие колебания, интенсивность (амплитуда и длительность) которых зависит от начальных условий, последние определяются током в LC-цепи RLC-контура 13 ударного возбуждения в момент окончания входного импульса.
Амплитуда первого (после воздействия входного импульса) полу периода напряжения на выходе первого ОУ 3 имеет максимальное значение, если длительность входного импульса с усилителя-преобразователя 2 удовлетворяет условию: t=0,5T0, где Т0 - период свободных (затухающих) колебаний в RLC-контуре 13 ударного возбуждения на конденсаторе 24, индуктивности 25, резисторе 26, и первом ОУ 3. При уменьшении длительности t до величины 0,051Т0 (в 10 раз) пропорционально уменьшается максимальное значение амплитуды колебательного напряжения на выходе первого ОУ 3. Если длительность t постоянна, а амплитуда возбуждающего импульса пассивного датчика 1 и усилителя-преобразователя 2 растет, то также пропорционально растет максимальная амплитуда колебаний на выходе неинвертирующего резонансного усилителя на ОУ 3 с RLC-контуром 13 ударного возбуждения в его цепи отрицательной обратной связи. Т.е. устройство в целом является как селектором импульсов из диапазона известных длительностей при постоянной амплитуде, так и селектором импульсов из диапазона известных амплитуд при их постоянной длительности t (см. фиг. 2 - фиг. 5).
В итоге определяется площадь импульса, оценивающая в целом плотность мощности импульса фототока, поступающего с пассивного датчика 1, или оценивающая площадь импульса (энергию), поступающего с пьезоакселерометра.
В исходном статическом состоянии на выходе устройства отсутствует сигнал, на выходе усилителя-преобразователя 2 также нулевой уровень. На выходе резонансного усилителя (аноде первого диода 5) имеется напряжение, равное падению напряжения на втором диоде 6 за счет протекания тока от шины положительного или отрицательного напряжения 14 через второй диод 6, т.к. каскад представляет собой повторитель напряжения для постоянного тока. На катоде первого диода 5 за счет протекания через большой второй резистор 9 меньшего тока, чем через второй диод 6, задаваемого четвертым резистором 11, имеется небольшое напряжение (около 0,2 В), величина которого стабилизирована при температурных изменениях за счет близкого совпадения ТКН обоих диодов 5, 6. При большей разнице токов диодов 5, 6 температурной компенсации нет, но есть функция дополнительного контроля температуры по величине большого напряжения смещения нуля (около 0,6 В).
При появлении сигнала от пассивного датчика 1, представляющего собой смесь одиночных коротких импульсов фототока (от 0,25 до 2 мкс) амплитудой от 1 до 31 мкА и периодического (случайного) шума с полосой менее 100 кГц амплитудой от 1 до 31 мкА, начинается преобразование.
Резонансный усилитель имеет асимметричную (за счет встроенной дифференцирующей цепи) амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) с большей крутизной завала низких частот для повышения помехоустойчивости в области низких частот. Максимум АЧХ 40 дБ находится в полосе пропускания одиночных коротких импульсов фототока пассивного датчика 1, а низкочастотный сигнал помехи подавлен, т.е. коэффициент усиления много меньше единицы в полосе более 75 кГц. При этом для повышения эффекта подавления низкочастотной помехи до 120 кГц используется встроенная дифференцирующая цепь на конденсаторе 7, первом резисторе 8 и третьем резисторе 10 резонансного усилителя. Т.к. параллельно с избиранием полезного сигнала из наложенных помех производится его усиление по амплитуде и раскачка по длительности, то дополнительный усилитель и кусочно-линейный ампроксиматор наиболее близкого аналога исключены (избыточны), что упрощает устройство, делает его более быстродействующим.
Второй диод 6 обеспечивает приоткрывание первого диода 5, обеспечивая небольшое напряжение смещения нуля на втором резисторе 9 и конденсаторе 35 последовательной RC-цепи 12. При этом имеется температурная компенсация в диапазоне от минус 40 до 50°С окружающей среды за счет близкого равенства ТКН диодов при близких токах.
Небольшой резистор 36 последовательной RC-цепи 12 убирает выброс и обеспечивает устойчивость на выходе первого ОУ 3 при крутом фронте сигнала на его входе.
При большом сигнале пассивного датчика 1 регулировка напряжения на нагрузке 9 устройства может производиться как изменением соотношения сопротивлений первого 8 и третьего 10 резисторов, так и изменением резистора 17 интегрирующей RC-цепи усилителя-преобразователя 2 дополнительно.
Входной конденсатор 19 усилителя-преобразователя 2 разделительный, предотвращает смещение выхода усилителя-преобразователя 2 от возможного постоянного тока пассивного датчика 1.
В пассивном датчике 1 фотодиод 20 обратно смещен, на фиг. 1 а) не показано, т.к. следует из определения фотодиода), конденсатор 21 составляет около 400 пФ, резистор 22 небольшой (примерно 10 кОм) - предотвращает накопление низкочастотного сигнала помехи на суммарной емкости обратно смешенного диода 20 пассивною датчика 1 (конденсаторе 21).
Фактически пассивный датчик 1 является суммарным источником коротких импульсов сигнальных и низкочастотных помеховых источников фототока или заряда пьезоакселерометра.
Инвертирующий усилитель-преобразователь 2 превращает суммарный фототок или заряд пассивного датчика 1 в напряжение для последующей обработки резонансным усилителем с RLC-контуром 13 ударного возбуждения в цепи отрицательной обратной связи. При этом последовательно соединенные конденсатор 7, первый 8 и третий 10 резисторы образуют дифференцирующую цепь и, в то же время, первый 8 и третий 10 резисторы является неотъемлемым функциональным элементом резонансного усилителя. Если сигнал тока пассивного датчика 1 избыточно велик, то сопротивление первого резистора 8 устанавливается большим, чем сопротивление третьего резистора 10. Если сигнал тока пассивного датчика 1 мал, то сопротивление первого резистора 8 устанавливается меньшим, чем сопротивление третьего резистора 10. Меняется отношение сопротивлений этих резисторов.
Повышение помехоустойчивости достигается за счет введения в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя контура ударного возбуждения с периодом Т свободных колебаний, обеспечивающего эффективное избирание полезного сигнала определенной амплитуды и длительности I на фоне больших периодических (случайных) помех, при этом длительность t=(0,05…0,5)T.
Повышение быстродействия достигается за счет того, что второй диод 6 обеспечивает приоткрывание первого диода 5, обеспечивающего максимальное быстродействие пикового детектора за счет исключения высокоомной «пятки» первого диода 5 (несколько МОм) в начальный момент заряда запоминающего амплитуду сигнала пассивного датчика 1 конденсатора 35 последовательной RC-цепи 12. Повышение быстродействия достигается также за счет возбуждения резонансного RLC- или RC-контура ударного возбуждения 13 одиночным импульсом меньшей длительности, чем полупериод свободных колебаний резонансного контура 13.
На фиг. 2 приведена зависимость выходного сигнала устройства от сигнала пассивного датчика 1, где:
Uвх - сигнал пассивного датчика 1 в виде короткого одиночного импульса фототока (заряда) с наложенной низкочастотной (до 100 кГц) периодической или случайной помехой;
Uвых - напряжение на нагрузке 9 устройства, соответствующее полезному импульсу фототока (заряда) пассивного датчика 1.
Анализ диаграммы (фиг. 2) показывает, что выделение полезного сигнала фототока длительностью от 0,25 мкс и амплитудой от 1 мкА происходит на фоне периодической (случайной) помехи с амплитудой, близкой к амплитуде полезного сигнала, и частотой до 100 кГц. При этом положение полезного сигнала пассивного датчика 1 относительно помехи произвольно (фиг. 2 а, 2 б, 2 в). На фиг. 2 г) представлена зависимость напряжения на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 амплитудой 1 мкА и длительностью 0,25 мкс без помехи. Анализ диаграмм (фиг. 2 а, 2 б, 2 в) показал, что величина напряжения Uвых на нагрузке 9 устройства не зависит от местоположения и уровня помехи, а зависит от амплитуды входного фототока Iвх и его длительности t.
На фиг. 3 приведена зависимость напряжения на нагрузке 9 устройства от сигнала фототока пассивного датчика 1 амплитудой 2 мкА и длительностями (0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5) мкс.
Анализ диаграмм (фиг. 3) показал, что величина напряжения Uвых на нагрузке 9 устройства пропорционально зависит от длительности сигнала t (до 1 мкс линейно).
На фиг. 4 приведена зависимость напряжения на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 длительностью 1 мкс и амплитудой (1…31) мкА.
Анализ диаграмм (фиг. 4) показал, что величина напряжения Uвых на нагрузке 9 устройства пропорционально зависит от амплитуды сигнала Iвх.
На фиг. 5 а) доказана линейно пропорциональная зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 при его длительности 1 мкс.
На фиг. 5 б) доказана линейно пропорциональная зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от длительности импульса тока пассивного датчика 1 при его амплитуде 2 мкА.
Был собран макет заявленного устройства, исследование характеристик которого при воздействии механического и теплового нагружения подтвердили возможность его осуществления и достижения вышеописанных характеристик. Элементная база заявленного устройства содержит типовые отечественные электрорадиоэлементы: сдвоенные операционные усилители типа 544УД 15 или 544УД2, диоды 2Д419 В или 2Д522А, бескорпусные резисторы Р1-12 или Р1-8П, прецизионные малогабаритные бескорпусные конденсаторы К10-43 В, пассивный датчик на элементах 2X701, индуктивность выполнена величиной 8 мкГн.
В результате макетирования выявлено, что быстродействие повышено в восемь раз (до 0,125 мкс вместо 1 мкс), упрошена схема на три операционных усилителя при более высоком коэффициенте усиления, повышена помехоустойчивость в полосе помех более 100 кГц вместо 40 кГц у наиболее близкого аналога.
1. Устройство для измерения пиковых значений, содержащее пассивный датчик, первый вывод которого подключен к входу усилителя-преобразователя, выход которого подключен через конденсатор к первому выводу первого резистора, выход первого операционного усилителя подключен к первому выводу первого диода, второй вывод которого через параллельно соединенные последовательную RC-цепь и второй резистор подключен к общей шине, к которой подключен второй вывод пассивного датчика, третий и четвертый резисторы, второй диод, второй операционный усилитель и шину положительного или отрицательного напряжения, отличающееся тем, что дополнительно введен контур ударного возбуждения, первый вывод которого подключен к общей шине, а второй вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен с третьим выводом контура ударного возбуждения, а неинвертирующий вход соединен со вторым выводом первого резистора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен либо с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, либо с выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через четвертый резистор подключен к шине положительного или отрицательного напряжения и через второй диод к общей шине.
2. Устройство для измерения пиковых значений по п. 1, отличающееся тем, что усилитель-преобразователь включает операционный усилитель, интегрирующую RC-цепь и конденсатор, первый вывод которого является входом усилителя-преобразователя, а второй вывод соединен с входом интегрирующей RC-цепи и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход соединен с выходом интегрирующей RC-цепи и является выходом усилителя-преобразователя.
