ФОТОПРИЕМНОЕ ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H01J40/14 

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для адаптивных фотоэлектрических преобразователей, в которых преобразование построено на базе электронно-вакуумных трубок с применением вторичных электронных усилителей (ВЭУ), для регистрации оптических сигналов, изменяющихся в широком динамическом и временном диапазоне освещенности и контрастов в быстропротекающих процессах.

Известны фотоэлектронные устройства, в которых обеспечивается автоматическая регулировка коэффициента режима чувствительности ВЭУ в зависимости от уровня освещенностей сложившихся на входе устройства, а также поддержания квазиоптимального режима чувствительности в процессе преобразования [1]
Однако известные фотоэлектронные устройства при кратковременных засветках с широким динамическим изменением уровня освещенности и временных характеристик на входе обладают существенными недостатками:
недостаточное быстродействие регулировки режима чувствительности из-за большой постоянной времени цепей и блоков устройства;
узкий диапазон регулировки коэффициента режима чувствительности из-за ограниченного числа диодов ВЭУ, участвующих в регулировке;
отсутствует учет коэффициентов регулировки режима чувствительности в обработке сигналов;
отсутствует режим защиты устройства от кратковременных засветок большой мощности;
отсутствует стабилизация режима динодной системы при устанавливаемых коэффициентах чувствительности ВЭУ;
отсутствует возможность оценки качественного состояния фотоэлектронного преобразователя с учетом его старения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является фотоприемное устройство, которое содержит фотоэлектронный преобразователь, два переключаемых тиристора, резисторные нагрузки в анодной и катодной цепях, нагрузочные переменные резисторы для тиристоров, времязадающие RС цепи, резистивный делитель в динодной системе ВЭУ, высоковольтный источник питания, шунтирующий конденсатор, блок синхронизации [2]
Принцип работы фотоприемного устройства заключается в стробировании режима чувствительности. Стробирование осуществляется от внешнего устройства через блок синхронизации. Однако предусмотрен режим стробирующего устройства регулировки порогового значения, что предоставляет возможность регулировки режима чувствительности ФЭУ по уровню интенсивности светового потока.

Регулировка режима чувствительности фотоприемного устройства в зависимости от интенсивности светового потока на входе построена по принципу стробирования от внешнего устройства либо ступенчатой АРУ.

Недостатками этого устройства являются:
коэффициент ВЭУ имеет квадратичную зависимость от разности потенциала динодной системы, в этом случае междинодная коммутация (стробирование) с отсутствием стабилизации разности потенциала в динодной системе приводит к большим нелинейным искажениям в преобразовании "свет сигнал";
наличие в тиристорном коммутаторе в цепях его управления к резисторам подключенных параллельно конденсаторов, которые накладывают ограничение на быстродействие работы устройства;
отсутствует информация о коэффициентах, изменяющих режим чувствительности;
узкий диапазон регулировки режима чувствительности, из-за ограниченного числа динодов, участвующих в регулировке.

Предлагаемое изобретение состоит в том, что в фотоприемное программно-управляемое устройство, содержащее последовательно соединенные фотоэлектронный преобразователь с вторичным электронным усилителем, анодную нагрузку внешней синхронизации, введены видеоусилитель, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, многоканальный конверторный блок, соединенный с генератором сдвиговых импульсов, выходы каналов конверторного блока соединены последовательно и подключены соответственно к динодной системе ВЭУ, каждый канал содержит последовательно соединенные высокочастотный однотактный конвертор, блок управления, цифроаналоговый преобразователь, блок регистровой памяти, кодовый вход который соединен с входной шиной ЭВМ через сдвиговой регистр, второй выход конвертора соединен с аналоговым входом цифроаналогового преобразователя, причем вход видеоусилителя подключен к анодной нагрузке, а выход подключен одновременно к выходной клемме устройства и входной шине ЭВМ через фильтр нижних частот, при этом второй вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом генератора сдвиговых импульсов, вход которого соединен с клеммой старшего аналого-цифрового преобразователя, а цепь внешней синхронизации ЭВМ подключена к выходу генератора сдвиговых импульсов.

Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что управление режимом чувствительности фотоэлектронного программно-управляемого устройства осуществляется всей динодной системой ВЭУ, обеспечивая при этом линейный закон преобразования "свет сигнал". Регулируемый коэффициент усиления ВЭУ осуществляется изменением питания динодной системы независимо друг от друга автоматически по программе с канала ЭВМ, причем каждый канал многоканального конверторного блока обладает высоким быстродействием и высокой стабильностью устанавливаемых режимов питания динодной системы. Кроме этого производится учет текущего коэффициента режима чувствительности в обработке сигнала, а также в случае большой мощности излучения оптического сигнала на входе устройства производится отключение работы устройства путем остановки работы генератора сдвиговых импульсов, т.е. снятие питания с динодной системы ВЭУ.

Таким образом, при сравнении заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с доступными источниками информации автором не найдено технических решений, которые бы характеризовались предложенной совокупностью признаков, приводящей к достижению нового результата, а именно к расширению функциональных возможностей регулировки режима чувствительности в широком диапазоне, сохраняя при этом линейный закон преобразования "свет сигнал" с стабилизацией устанавливаемых режимов питания динодной системы ВЭУ с высоким быстродействием, одновременно, учитывая изменяющийся коэффициент режима чувствительности в обработке сигнала, степень его старения, а также защиту устройства от мощных интенсивных световых потоков.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 функционально-электрическая схема генератора сдвиговых импульсов; на фиг. 3 временные диаграммы работы сдвиговых импульсов; на фиг. 4 - электрическая схема блока управления конвертора; на фиг. 5 принципиальная схема высокочастотного однотактного конвертора.

Фотоэлектронное программно-управляемое устройство (фиг. 1) содержит блок сдвигового регистра 1, вход которого соединен с входной шиной ЭВМ, а выход соединен с управляющими входами блока регистровой памяти 2, кодовый выход которого соединен с входной шиной ЭВМ. Выход блока регистровой памяти 2 каждого канала многоканального конверторного блока соединены последовательно с цифроаналоговым преобразователем 4, блоком управления 7, с входом высокочастотного однотактного конвертора 9, выход которого соединен последовательно и подключен соответственно к динодной системе фотоэлектронного преобразователя 10, второй выход высокочастотного однотактного конвертора 9 подключен к аналоговому входу цифроаналогового преобразователя 4, второй вход блока управления 7 подключен соответственно к выходу генератора сдвиговых импульсов 5, тактовый выход которого подключен одновременно с цепью внешней синхронизации ЭВМ и тактовым входом аналого-цифрового преобразователя 3, в свою очередь выходная клемма старшего разряда подключена к входу генератора сдвиговых импульсов 5, выход видеоусилителя 8 соединен с выходной клеммой устройства и входной шиной ЭВМ через последовательно соединенные фильтры нижних частот 6 и аналого-цифровой преобразователь 3.

Генератор сдвиговых импульсов (фиг. 2) содержит: электронный коммутатор D1, задающий генератор тактовых импульсов D2 и D3, повторители инверторы D4
D8, которые являются буферной развязкой и инвертируют сигнал, нагрузочные резисторы R1 и R2, резистор обратной связи R3, кварцевый резонатор KВ, делительные цепочки, состоящие из резисторов R4 R35.

Блок управления (фиг. 4) содержит три транзистора V1 V3, два резистора R36, R37 импульсный трансформатор МИТ.

Высокочастотный конверторный блок (фиг. 5) содержит последовательно соединенные и подключенные к выводам блока управления 1 и 2 транзисторный ключ V4 и первичную обмотку W₁ трансформатора ТР2, вторичная обмотка W₂ которого через обратный диод V6 подключена к емкостному фильтру C4 и нагрузочному резистору R_H, и выходным выводам 4 и 5, обмотка обратной связи W₃ через обратный диод V7 подключена к емкостному фильтру C3 и нагрузочному резистору R_H, дроссель ДР1 подключен параллельно вторичной обмотке W₂ (авт.св. N 1615848, кл. H 02 М 3/335, 1990).

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии память блока регистровой памяти 2 многоканального конверторного блока обнулена, при этом на его входе получаем напряжение, соответствующее паспортному режиму питания фотоэлектронного преобразователя. При этом чувствительность фотоэлектронного преобразователя 10 является максимальной, протекаемый ток которого преобразуется в напряжение с помощью видеоусилителя 8. При этом среднее значение протекаемого тока, соответствующего пороговой чувствительности, получаем на выходе фильтра нижних частот 6 (фиг. 1), которое преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя в кодовое значение и поступает на входную шину ЭВМ. Среднее значение протекаемого тока фотоэлектронного преобразователя запоминается оперативной памятью ЭВМ и значится как опорное число. При этом задается доверительный интервал, в котором происходит сравнение текущего среднего значения тока фотоэлектронного преобразователя (ФЭП) с опорным числом.

С увеличением уровня интенсивности регистрируемого светового потока среднее значение протекаемого тока фотоэлектронного преобразователя увеличивается, текущее значение которого сравнивается с опороным числом по алгоритму, предварительно занесенному в ЭВМ. При превышении границы верхнего числа в доверительном интервале производится оперативная перезапись числа в блоке регистровой памяти 2 в канале конверторного блока автоматически с помощью блока сдвигового регистра 1. В результате этого происходит изменение напряжения на выходе канала и изменяется режим чувствительности фотоэлектронного преобразователя. При этом полученный коэффициент изменения режима чувствительности ФЭП запоминается в ЭВМ и учитывается в обработке сигнала. Приоритетно осуществляется регулировка режима чувствительности ФЭП, начиная с последнего динода ВЭУ.

Например, задаем число верхней границы доверительного интервала, соответствующего десятикратному изменению протекаемого среднего тока ФЭП, по отношению опорного числа. При достижении текущего среднего тока числа верхней границы доверительного интервала автоматически производится изменение напряжения на выходе приоритетного канала конверторного блока. Следовательно получаем коэффициент изменения режима чувствительности равным десяти, а текущий средний ток ФЭП находится снова в доверительном интервале. При исчерпанной возможности регулировки в линейном режиме чувствительности приоритетного канала автоматически осуществляется переход в последующий канал конверторного блока с помощью сдвигового регистра 1, при этом полученный коэффициент регулировки режима чувствительности возводится в степень число соответствует номеру канала (в втором канале коэффициент равен 10²).

Кодовые числа с выхода регистровой памяти 2 преобразуются в аналоговое напряжение с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 4, которое поступает на вход блока управления 7, а на второй вход поступают импульсы с выхода генератора сдвиговых импульсов 5. На выходе блока 7 получаем прямоугольные импульсы, амплитуда которых прямо пропорциональна аналоговому напряжению, и они поступают на вход высокочастотного однотактного конверторного блока 9.

Стабилизация установленного напряжения на выходе конвертора 9 осуществляется с помощью обратной связи, которая построена с второго выхода конвертора 9, и аналогового входа ЦАП 4. Работа всех каналов конверторного блока идентична.

Выходы всех каналов конверторного блока соединены последовательно, при этом фазовая пульсация в общей цепи питания динодной системы ВЭУ сдвинута относительно друг друга

где n число каналов конверторного блока;
Φ вносимый фазовый сдвиг блоками в канале конвертора.

Пульсации в цепи питания динодной системы ВЭУ в отличие от постоянных напряжений не суммируются, что соответствует падению коэффициента пульсаций выходного напряжения многоканального конверторного блока с увеличением числа каналов [3]
Получаемые коэффициенты изменения режима чувствительности ФЭП синхронно учитываются в обработке сигналов. Учитывая старение ФЭП, опорные числа в доверительном интервале изменяются, т.к. изменяется пороговая чувствительность.

Синхронизация работы устройства с ЭВМ осуществляется импульсами задающего тактового генератора сдвиговых импульсов. В случае большой мощности интенсивности регистрируемого светового потока на входе ФЭП при исчерпанных возможностях регулировки режима его чувствительности в линейном режиме преобразования "свет сигнал" производится автоматическое отключение питания с динодной системой ВЭУ. Это происходит путем прекращения работы генератора сдвиговых импульсов 5 по сигналу старшего разряда с выхода АЦП 3.

Разработанное фотоэлектронное программно-управляемое устройство предназначено для использования в составе комплекса аппаратуры обработки пространственных оптических полей изображения с динамическим изменением яркостей и контраста деталей в них, в качестве фотоэлектронного преобразователя используется телевизионная трубка мгновенного действия диссектор ЛИ620/12.

Сдвиговый регистр выполнен на ИМС К155 ИДЗ. Генератор сдвиговых импульсов выполнен на коммутаторе ИМС D1 591 КН1, задающий генератор тактовых импульсов построен на ИМС D2 КМ555 ТЛ2 и D3 КМ555 ЛН2, повторители инверторы и в то же время буферная развязка построена на ИМС D4 D8 КМ555 ЛН2.

Работа генератора сдвиговых импульсов построена в режиме последовательной коммутации ИМ D1 резисторных делителей напряжения R4 R35, к которым подключены входы повторителей инверторов D4 D8, с общей шиной питания. Коммутация осуществляется сигналом с выхода задающего генератора тактовых импульсов с выхода D3 (фиг.3, а).

На выходе повторителей инверторов D4 D8 получаем импульсы, которые сдвинуты друг относительно друга на 22,5 360^o (фиг.3), номера выходных клемм повторителей указывают входы каналов многоканального конверторного блока. Блокирующим входом генератора сдвиговых импульсов является вход E₁ ИМС D1.

Работа генератора прекращается при наличии на его входе E₁ логической единицы (+1).

Аналого-цифровой преобразователь 1107ПВ2, фильтр нижних частот КР 544УД2, регистровая память выполнена на микросхемах серии К 155 РУ2. цифроаналоговый преобразователь КР 572ПА1А, блок управления выполнен на транзисторной сборке V1 и V2 К1НТ591, V3 КТ361А, импульсный трансформатор МИТ-6, высокочастотный однотактный конвертор выполнен на транзисторе КТ630А, диод защиты КД521, полумостовые выпрямители КД9, видеоусилитель построен на микросхеме К 544 УД2А.

В настоящее время изготовлен макет предлагаемого устройства, испытания которого проводились в составе системы оперативной оценки качества пространственных оптических полей изображения с динамическим изменением яркости и контраста деталей в них с канала управления AT/PS-286, входящий в состав системы.

Макет устройства подтвердил достигаемый эффект и показал следующие характеристики:
динамический диапазон регулировки чувствительности в токовом режиме 120 дБ,
число каналов многоканального конверторного блока 16,
быстродействие 0,1 мс,
амплитуда пульсации в номинальном режиме динодной системы составляет 0,005%
В сравнении с прототипом предлагаемое устройство имеет широкий динамический диапазон регулировки режима чувствительности и высокое быстродействие. Предоставляется возможность изменять передаточную характеристику из линейной в логарифмическую и другие, кроме этого, производить корректировку режима чувствительности с учетом его старения и учитывать ее в обработке регистрируемых сигналов.

Использование: изобретение относится к электронной технике, предназначено для расширения функциональных возможностей фотоэлектронных устройств, используемых в системах регистрации оптических сигналов, изменяющихся с широким диапазоном освещенностей и контрастов в быстропротекающих процессах. Сущность изобретения: устройство содержит сдвиговый регистр 1, регистровую память 2, аналого-цифровой преобразователь 3, цифроаналоговый преобразователь 4, генератор сдвиговых импульсов 5, фильтр нижних частот 6, блок управления 7, видеоусилитель 8, высокочастотный однотактный конвертор 9, фотоэлектронный преобразователь 10, выходом устройства является аналоговый выход видеоусилителя 8, кодовый выход с аналогово-цифрового преобразователя 3, цепь внешней синхронизации, выход задающего генератора тактового сигнала генератора сдвиговых импульсов. Регулировка режима чувствительности с учетом коэффициента изменения в широком диапазоне осуществляется изменением напряжения в динодной системе (ВЭУ) по многоканальному принципу, управление с канала ЭВМ. Высокое быстродействие достигается за счет малой постоянной времени высокочастотного однотактного конвертора. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Фотоприемное программно-управляемое устройство, содержащее последовательно соединенные фотоэлектронный преобразователь с вторичным электронным усилителем и анодную нагрузку, отличающееся тем, что в него введены видеоусилитель, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь, сдвиговый регистр, генератор сдвиговых импульсов, многоканальный конверторный блок, выходы каждого последующего канала которого соединены последовательно с выходами предыдущего канала и соответствующими входами вторичного электронного усилителя, а первый выход последнего канала соединен с анодом фотоэлектронного преобразователя с вторичным фотоэлектронным усилителем, управляющий вход каждого канала соединен с соответствующим выходом сдвигового регистра, информационный вход каждого канала соединен с клеммой подключения ЭВМ, а импульсный вход каждого канала соединен с соответствующим выходом генератора сдвиговых импульсов, вход сдвигового регистра соединен с клеммой подключения ЭВМ, вход видеоусилителя соединен с анодной нагрузкой, а выход с выходной клеммой устройства и через последовательно соединенные фильтр нижних частот и аналого-цифровой преобразователь с клеммой подключения ЭВМ, причем старший разряд аналого-цифрового преобразователя соединен с входом управления генератора сдвиговых импульсов, выход синхронизании которого соединен с клеммой подключения ЭВМ и вторым входом аналого-цифрового преобразователя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что многоканальный конверторный блок содержит последовательно соединенные высокочастотный однотактный конвертор, блок управления, цифроаналоговый преобразователь и блок регистровой памяти, входы которого являются управляющим и информационным входами каждого канала многоканального конверторного блока, второй вход блока управления является импульсным входом каждого канала многоканального конверторного блока, а первый и второй выходы высокочастотного однотактного конвертора являются выходами каналов, третий выход соединен с аналоговым входом цифроаналогового преобразователя.