Асинхронный пиковый детектор
Владельцы патента RU 2646371:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники. Технический результат заключается в повышении надежности асинхронного пикового детектора в режиме разряда запоминающих конденсаторов. Асинхронный пиковый детектор содержит аналоговый вход (1) и аналоговый выход (2), первый (3) прецизионный выпрямитель, первый (6) запоминающий конденсатор, второй (7) прецизионный выпрямитель, второй (10) запоминающий конденсатор, первый (11) электронный ключ, второй (12) электронный ключ, управляющий генератор импульсных сигналов (17), первый (18) согласующий каскад, второй (19) согласующий каскад, причем в качестве первого (18) и второго (19) согласующих каскадов используются соответствующие дополнительные прецизионные выпрямители (18) и (19), выходы которых (20) и (21) соединены с аналоговым выходом устройства (2), причем первый (11) и второй (12) электронные ключи обеспечивают выключение первого (3) и второго (7) прецизионных выпрямителей на время разряда первого (6) и второго (10) запоминающих конденсаторов. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства определения амплитуды различных потенциальных сигналов в датчиковых системах.
В современной информационно-измерительной технике, приборостроении, различных аналого-цифровых интерфейсах находят широкое применение пиковые детекторы (ПД), которые обеспечивают измерение амплитуды (Um) изменяющихся напряжений и их подготовку к дальнейшей цифровой обработке [1-74]. Известны также дифференциальные ПД и «двойные» пиковые детекторы [75-78].
Классический пиковый детектор запоминает максимальное значение Um входного напряжения Uвх на определенном интервале времени Tизм, который задается пользователем. В конце интервала Tизм пиковый детектор должен сбрасываться в нулевое состояние, что обеспечивается «закорачиванием» его запоминающего конденсатора. В этот момент времени выходным напряжением ПД пользоваться нельзя.
Устройство, которое использует выходное напряжение классического ПД, должно быть согласовано по времени с управляющим генератором импульсных сигналов ПД. Такой режим работы ПД называется синхронным, а сам ПД, реализующий этот режим, также называется синхронным ПД.
Синхронный режим работы ПД создает дополнительные проблемы при вводе сигнала ПД в ЭВМ с помощью стандартных модулей ввода и протоколов обмена, которые приводят или к значительному снижению скорости ввода или к увеличению аппаратных затрат на цепи синхронизации.
В настоящей заявке на патент рассматривается асинхронный ПД (АПД), выходной сигнал которого может быть использован в любой момент времени.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является пиковый детектор, представленный в патенте US 7.126.384, фиг. 4. Он содержит (фиг. 1) аналоговый вход 1 и аналоговый выход 2 устройства, первый 3 прецизионный выпрямитель, вход 4 которого соединен с аналоговым входом 1 устройства, а выход 5 подключен к первому выводу первого 6 запоминающего конденсатора, второй вывод которого связан с общей шиной источников питания, второй 7 прецизионный выпрямитель, вход 8 которого соединен с аналоговым входом 1 устройства, а выход 9 подключен к первому выводу второго 10 запоминающего конденсатора, второй вывод которого связан с общей шиной источников питания, первый 11 электронный ключ, включенный параллельно первому 6 запоминающему конденсатору, второй 12 электронный ключ, включенный параллельно второму 10 запоминающему конденсатору, причем логические управляющие входы 13 и 14 первого 11 и второго 12 электронных ключей соединены с соответствующими выходами 15 и 16 управляющего генератора импульсных сигналов 17, первый 18 согласующий каскад, вход которого подключен к выходу 5 первого 3 прецизионного выпрямителя, второй 19 согласующий каскад, вход которого соединен с выходом 9 второго 7 прецизионного выпрямителя.
Существенный недостаток известного пикового детектора состоит в том, что он является синхронным, т.к. выход пикового детектора (analog peak signal), связанный с мультиплексором (MUX), тактируется сигналом выборки (selection signal) (фиг. 4 патента US 7.126.384).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании асинхронного пикового детектора, а также повышении надежности устройства в режиме разряда запоминающих конденсаторов.
Поставленная задача достигается тем, что в пиковом детекторе фиг. 1, содержащем аналоговый вход 1 и аналоговый выход 2 устройства, первый 3 прецизионный выпрямитель, вход 4 которого соединен с аналоговым входом 1 устройства, а выход 5 подключен к первому выводу первого 6 запоминающего конденсатора, второй вывод которого связан с общей шиной источников питания, второй 7 прецизионный выпрямитель, вход 8 которого соединен с аналоговым входом 1 устройства, а выход 9 подключен к первому выводу второго 10 запоминающего конденсатора, второй вывод которого связан с общей шиной источников питания, первый 11 электронный ключ, включенный параллельно первому 6 запоминающему конденсатору, второй 12 электронный ключ, включенный параллельно второму 10 запоминающему конденсатору, причем логические управляющие входы 13 и 14 первого 11 и второго 12 электронных ключей соединены с соответствующими выходами 15 и 16 управляющего генератора импульсных сигналов 17, первый 18 согласующий каскад, вход которого подключен к выходу 5 первого 3 прецизионного выпрямителя, второй 19 согласующий каскад, вход которого соединен с выходом 9 второго 7 прецизионного выпрямителя, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве первого 18 и второго 19 согласующих каскадов используются соответствующие дополнительные прецизионные выпрямители 18 и 19, выходы которых 20 и 21 соединены с аналоговым выходом устройства 2. Кроме этого, в соответствии с п. 2 и п. 3 формулы изобретения, в заявляемом устройстве приняты меры, повышающие надежность его работы в режиме разряда первого 6 и второго 10 запоминающих конденсаторов.
На чертеже фиг. 1 показана схема пикового детектора-прототипа, а на чертеже фиг. 2 схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1, п. 2, п. 3 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведены временные диаграммы работы схемы фиг. 2.
На чертежах фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8 показаны частные варианты построения первого 3 и второго 7 прецизионных выпрямителей, а также первого 18 и второго 19 дополнительных прецизионных выпрямителей.
На чертеже фиг. 9 представлена схема фиг. 2 для случая, когда в качестве первого 3 и второго 7 прецизионных выпрямителей, а также первого 18 и второго 19 дополнительных прецизионных выпрямителей используется схема фиг. 4.
Асинхронный пиковый детектор (фиг. 2) содержит аналоговый вход 1 и аналоговый выход 2 устройства, первый 3 прецизионный выпрямитель, вход 4 которого соединен с аналоговым входом 1 устройства, а выход 5 подключен к первому выводу первого 6 запоминающего конденсатора, второй вывод которого связан с общей шиной источников питания, второй 7 прецизионный выпрямитель, вход 8 которого соединен с аналоговым входом 1 устройства, а выход 9 подключен к первому выводу второго 10 запоминающего конденсатора, второй вывод которого связан с общей шиной источников питания, первый 11 электронный ключ, включенный параллельно первому 6 запоминающему конденсатору, второй 12 электронный ключ, включенный параллельно второму 10 запоминающему конденсатору, причем логические управляющие входы 13 и 14 первого 11 и второго 12 электронных ключей соединены с соответствующими выходами 15 и 16 управляющего генератора импульсных сигналов 17, первый 18 согласующий каскад, вход которого подключен к выходу 5 первого 3 прецизионного выпрямителя, второй 19 согласующий каскад, вход которого соединен с выходом 9 второго 7 прецизионного выпрямителя. В качестве первого 18 и второго 19 согласующих каскадов используются соответствующие дополнительные прецизионные выпрямители 18 и 19, выходы которых 20 и 21 соединены с аналоговым выходом устройства 2.
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 3 и второй 7 прецизионные выпрямители содержат соответственно первый 22 и второй 23 логические входы для переключения первого 3 и второго 7 прецизионных выпрямителей в высокоимпедансное состояние по их соответствующим выходам 5 и 9.
Кроме этого, на чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, первый 22 логический вход для переключения первого 3 прецизионного выпрямителя в высокоимпедансное состояние по его выходу 5 связан с управляющим входом 13 первого 11 электронного ключа, а второй 23 логический вход для переключения второго 7 прецизионного выпрямителя в высокоимпедансное состояние по его выходу 9 связан с управляющим входом 14 второго 12 электронного ключа.
Схема прецизионного выпрямителя фиг. 4 содержит операционный усилитель 25 и р-n переход 26.
В прецизионном выпрямителе фиг. 5 используется операционный усилитель 27 и выходной транзистор 28, обеспечивающий заряд запоминающего конденсатора 6.
Схема прецизионного выпрямителя фиг. 6 содержит операционный усилитель 29 и выходной полевой транзистор 30.
В прецизионном выпрямителе фиг. 7 используется операционный усилитель 31 и выходной транзистор 32.
Схема прецизионного выпрямителя фиг. 8 содержит токовое зеркало на полевых транзисторах 34 и 35, которое обеспечивает заряд запоминающего конденсатора 6.
В пиковом детекторе фиг. 9, который характеризует частный пример построения заявляемого устройства фиг. 2, используются прецизионные выпрямители 3, 7, а также дополнительные прецизионные выпрямители 18, 19, соответствующие схеме на чертеже фиг.4. При этом прецизионный выпрямитель 3 включает операционный усилитель 36 и p-n переход 37. Прецизионный выпрямитель 7 содержит операционный усилитель 38 и p-n переход 39. Дополнительный прецизионный выпрямитель 18 реализован на операционном усилителе 40 и p-n переходе 41, а прецизионный выпрямитель 19 содержит операционный усилитель 42 и p-n переход 43.
Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг. 2.
Асинхронный пиковый детектор фиг. 2 состоит из двух пиковых детекторов (ПД1 и ПД2), которые реализуются на основе первого 3 и второго 7 прецизионных выпрямителей. Данные выпрямители обеспечивают измерение пиковых значений (Um) одного и того же входного напряжения Uвх. Состояния электронных ключей 11 и 12 в схеме фиг. 2 определяются внутренним управляющим генератором импульсных сигналов 17, который выдает двухтактные управляющие импульсы в соответствии с фиг. 3.
Управляющий генератор импульсных сигналов 17 (внутренний тактовый генератор) не связан по времени ни с входным, ни с выходным напряжениями, ни с командами интерфейса ввода сигналов в ЭВМ, который подключается к аналоговому выходу 2 устройства.
Особенность предлагаемого АПД состоит в том, что вместо двухвходового мультиплексора (MUX фиг. 1) с двумя повторителями на входе у него используются дополнительные прецизионные выпрямители 18 и 19, которые обеспечивают сбор максимальных значений Um двух напряжений на запоминающих конденсаторах 6 и 10. В этом случае нет необходимости в тактировании выхода заявляемого устройства и поэтому предлагаемый пиковый детектор становится асинхронным.
В соответствии с п. 2 и п. 3 формулы изобретения, в заявляемом устройстве фиг.2 предусмотрено выключение первого 3 и второго 7 прецизионных выпрямителей на время разряда первого 6 и второго 10 запоминающих конденсаторов - переведение их в высокоимпедансное состояние. Это позволяет исключить большие выходные токи данных функциональных узлов, протекающие через электронные ключи 11 и 12 в моменты их замыкания. В конечном итоге, это повышает надежность заявляемого устройства. В ПД-прототипе такой режим защиты не предусмотрен.
Таким образом, заявляемый асинхронный пиковый детектор имеет существенные преимущества в сравнении с известным техническим решением.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 8614592
2. Патент US 8854130
3. Патент US 8884654
4. Патент US 8350597
5. Патент US 8310277
6. Патент US 7443208
7. Патент US 5302863
8. Патент US 5561383
9. Патентная заявка US 2007/0126481
10. Патентная заявка US 2004/0212401
11. Патентная заявка US 2007/0030033
12. Патентная заявка US 2012/0034895
13. Патент US 5331210
14. Патент US 7737731
15. Патент US 5546027
16. Патент US 6542009
17. Патент US 7053674
18. Патент US 6429696
19. Патент US 7135892
20. Патент US 3611164
21. Патент US 4603299
22. Патент US 4996448
23. Патент US 6134279
24. Патент US 6208173
25. Патент US 6956905
26. Патент US 4992674
27. Патент US 4420698
28. Патент US 6188250
29. Патент US 5120995
30. Патент US 5254881
31. Патент US 4605867
32. Патент US 4372324
33. Патент US 6535033
34. Патент US 6614851
35. Патент US 5717349
36. Патент US 5502746
37. Патент US 4634895
38. Патент US 6051998
39. Патент US 5801587
40. Патент US 6977531
41. Патент US 6642703
42. Патент US 6472861
43. Патент US 7439776
44. Патент US 6538478
45. Патент US 6788115
46. Патент US 6774617
47. Патент US 7180635
48. Патент US 6191621
49. Патент US 7525347
50. Патент ЕР 0313792
51. Патент ЕР 1385174
52. Патент EP 1817548
53. Патент SU 849083
54. Патент SU 444301
55. Патент SU 951161
56. Патент SU 662875
57. Патент SU 1272259
58. Патент SU 819948
59. Патент SU 597080
60. Патент SU 1205037
61. Патент SU 1145294
62. Патент SU 1325370
63. Патент SU 1275749
64. Патент SU 815648
65. Патент SU 1167712
66. Патент SU 1350618
67. Патент SU 1026067
68. Патент SU 1174869
69. Патент SU 911349
70. Патент SU 1377756
71. Патент SU 488150
72. Патент SU 1332240
73. Патент SU 1122978
74. Патент SU 1180799
75. Патент US 5025176
76. Патент US 5828240
77. Патентная заявка US 2008/0012602
78. Патент US 7126384.
1. Асинхронный пиковый детектор, содержащий аналоговый вход (1) и аналоговый выход (2) устройства, первый (3) прецизионный выпрямитель, вход (4) которого соединен с аналоговым входом (1) устройства, а выход (5) подключен к первому выводу первого (6) запоминающего конденсатора, второй вывод которого связан с общей шиной источников питания, второй (7) прецизионный выпрямитель, вход (8) которого соединен с аналоговым входом (1) устройства, а выход (9) подключен к первому выводу второго (10) запоминающего конденсатора, второй вывод которого связан с общей шиной источников питания, первый (11) электронный ключ, включенный параллельно первому (6) запоминающему конденсатору, второй (12) электронный ключ, включенный параллельно второму (10) запоминающему конденсатору, причем логические управляющие входы (13) и (14) первого (11) и второго (12) электронных ключей соединены с соответствующими выходами (15) и (16) управляющего генератора импульсных сигналов (17), первый (18) согласующий каскад, вход которого подключен к выходу (5) первого (3) прецизионного выпрямителя, второй (19) согласующий каскад, вход которого соединен с выходом (9) второго (7) прецизионного выпрямителя, отличающийся тем, что в качестве первого (18) и второго (19) согласующих каскадов используются соответствующие дополнительные прецизионные выпрямители (18) и (19), выходы которых (20) и (21) соединены с аналоговым выходом устройства (2), причем первый (11) и второй (12) электронные ключи обеспечивают выключение первого (3) и второго (7) прецизионных выпрямителей на время разряда первого (6) и второго (10) запоминающих конденсаторов.
2. Асинхронный пиковый детектор по п. 1, отличающийся тем, что первый (3) и второй (7) прецизионные выпрямители содержат соответственно первый (22) и второй (23) логические входы для переключения первого (3) и второго (7) прецизионных выпрямителей в высокоимпедансное состояние по их соответствующим выходам (5) и (9).
3. Асинхронный пиковый детектор по п. 2, отличающийся тем, что первый (22) логический вход для переключения первого (3) прецизионного выпрямителя в высокоимпедансное состояние по его выходу (5) связан с управляющим входом (13) первого (11) электронного ключа, а второй (23) логический вход для переключения второго (7) прецизионного выпрямителя в высокоимпедансное состояние по его выходу (9) связан с управляющим входом (14) второго (12) электронного ключа.
