ПИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2000 года по МПК H03K5/1532 H03D1/02 

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к детекторам амплитудных значений сигнала.

Известны устройства для определения амплитудных значений сигнала на основе использования диода и конденсатора (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1983. - Т. 1. - С. 202-203). Такие устройства имеют ряд недостатков: малое входное сопротивление, зависимость параметров от температуры, невозможность обновления информации о максимальном значении при подключении на выход устройства прибора с большим входным сопротивлением.

Известны амплитудные детекторы, которые, кроме перечисленных выше элементов, содержат повторители напряжения на основе операционных усилителей (см. там же, стр. 203). Такое решение позволяет повысить входное сопротивление, устранить влияние падения напряжения на диоде, но недостаток, касающийся трудности обновления информации о максимальном значении, остается.

Известен также пиковый детектор на основе использования RC дифференциатора и компаратора (см. патент США 4315220, рис. 2a), принцип действия которого заключается в изменении выходного состояния компаратора при достижении входным сигналом максимального значения, поскольку при этом его производная равна нулю. Недостатком такого детектора является погрешность из-за неточного выполнения операции дифференцирования, которая зависит также от частоты входного сигнала.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению является пиковый детектор, содержащий фазосдвигающую RC цепь и дифференциальный компаратор (см. патент США 4315220, рис. 2c), который выбран в качестве прототипа (фиг. 1). Принцип действия устройства заключается в смене состояния компаратора в моменты времени t_k около перехода входного напряжения u_вх через максимальное значение (фиг. 2). Погрешность такого устройства заключается в наличии задержки Δt, которая зависит от сдвига фаз между прямым u_вх и задержанным u_зад сигналами и соотношения амплитуд этих сигналов. Причем погрешность существенно зависит от частоты входного сигнала. На фиг. 3 приведены амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ) фазосдвигающей RC цепи. Из анализа зависимостей видно, что прототип работоспособен в относительно узком частотном диапазоне, поскольку при снижении амплитуды задержанного сигнала погрешность возрастает особенно существенно (фиг. 2б). Отмеченные факторы являются недостатком прототипа. Отметим, что для снижения погрешности детектирования пикового значения необходимо стремиться к выполнению условий:
K(ω) = 1,ϕ(ω) = ϕ = const, (1)
где K(ω) и ϕ(ω) - АЧХ и ФЧХ канала задержки.

Сущность решения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности детектирования пикового значения сигнала, что выражается в меньшей зависимости погрешности детектирования пикового значения от частоты входного сигнала.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном пиковом детекторе, содержащем источник сигнала, компаратор на основе операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подсоединен к источнику сигнала, первый резистор и первый конденсатор, причем один из выводов первого резистора соединен с источником сигнала, а другой через первый конденсатор - с земляной шиной, особенность заключается в том, что в него введены: второй резистор, второй конденсатор, инвертирующий сумматор напряжений и аналоговый инвертор напряжений на основе операционных усилителей, причем один из выводов второго конденсатора соединен с источником сигнала, а другой через второй резистор - с земляной шиной, точка соединения первого резистора и первого конденсатора подключена к первому входу сумматора, а точка соединения второго резистора и второго конденсатора - ко второму входу сумматора, выход которого через аналоговый инвертор соединен с инвертирующим входом компаратора.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного решения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах представлено: на фиг. 1 изображена схема прототипа; на фиг. 2 изображены временные диаграммы напряжений, поясняющие работу прототипа; на фиг. 3 изображены АЧХ и ФЧХ фазосдвигающей RC цепи; на фиг. 4 изображена схема предложенного устройства; на фиг. 5 изображены суммарные АЧХ и ФЧХ фазосдвигающих цепей предложенного устройства; на фиг. 6 изображены варианты выполнения узлов предложенного устройства.

Пиковый детектор (фиг. 4) содержит: источник входного сигнала 1, первый резистор 2, первый конденсатор 3, второй конденсатор 4, второй резистор 5, инвертирующий сумматор напряжений 6 на основе операционного усилителя, аналоговый инвертор напряжения 7 на основе операционного усилителя, компаратор 8.

Устройство (фиг. 4) работает следующим образом.

Входное напряжение с источника 1 подается на две фазосдвигающие цепи: интегрирующую R₂C₃, состоящую из первого резистора 2 и первого конденсатора 3, и дифференцирующую C₄R₅, состоящую из второго конденсатора 4 и второго резистора 5. Причем постоянные времени этих цепей выбираются различными, например
R₂C₃ > C₄R₅ (2)
АЧХ и ФЧХ интегрирующей цепи R2C3 могут быть найдены из ее частотной передаточной функции

Эти характеристики показаны соответственно на фиг. 3а и 3б. Частотная передаточная функция дифференцирующей цепи C₄R₅ определяется выражением

а ее АЧХ и ФЧХ показаны соответственно на фиг. 5а и 5б.

Напряжения с этих цепей подаются на сумматор 6. Вследствие противоположности характеристик этих цепей фазовые сдвиги и неравномерности АЧХ будут компенсироваться и при одинаковых постоянных времени получим, что суммарная АЧХK(ω) = 1, а суммарная ФЧХ f(ω) = 0. Но при наличии некоторого разбаланса [например, условие (2)] суммарные характеристики будут отличаться от этих значений. Для примера они показаны на фиг. 5в и 5г при
Как видно из приведенных характеристик, в предлагаемом устройстве выбором параметров элементов, в отличие от прототипа, возможно приближение к выполнению условия (1) в значительно более широком частотном диапазоне входного напряжения, т.е. погрешность детектирования пикового значения значительно снижается. Анализ показал, что оптимальным является соотношение постоянных времени интегрирующей и дифференцирующей цепей в диапазоне 1,3...1,5.

Сумматор напряжений 6 целесообразно выполнить на основе операционного усилителя (ОУ), что показано на фиг. 6а, но поскольку он является инвертирующим, то в схему введен аналоговый инвертор 7 на основе ОУ (фиг. 6б). Напряжения с источника 1 и с выхода аналогового инвертора 7 подаются на компаратор 8, который перебрасывается в противоположное состояние вблизи момента времени, когда входное напряжение достигает максимального значения.

Отметим, что не равное бесконечности входное сопротивление сумматора напряжений 6 (оно равно R (фиг. 6а)) мало влияет, как показал анализ, на характеристики устройства. Тем более нетрудно обеспечить условия: R > 10R₅ и R > 10Х_C3, где R₅ и X_C3 - соответственно сопротивления второго резистора 5 и первого конденсатора 3, при которых влияния входного сопротивления сумматора 6 практически не наблюдается.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к детектированию амплитудных значений сигнала. Предложено устройство, содержащее источник сигнала (ИС) (1), компаратор (К) на основе операционного усилителя (ОУ) (8), неинвертирующий вход которого подсоединен к (ИС) (1), первый резистор (ПР) (2) и первый конденсатор (ПК) (3), причем один из выводов (ПР) (2) соединен с (ИС) (1), а другой через (ПК) (3) - с земляной шиной (ЗШ). Введены второй резистор (ВР) (5), второй конденсатор (ВК) (4), инвертирующий сумматор (С) напряжений на основе (ОУ) (6) и аналоговый инвертор (АИ) напряжений на основе (ОУ) (7), причем один из выводов (ВК) (4) соединен с (ИС) (1), а другой через (ВР) (5) - с (ЗШ), точка соединения (ПР) (2) и (ПК) (3) подключена к первому входу (С) (6), а точка соединения (ВР) (5) и (ВК) (4) - ко второму входу (С) (6), выход которого через (АИ) (7) соединен с инвертирующим входом (К) (8). Введенные дифференцирующая RC цепь и сумматор напряжений снижают неравномерность амплитудно-частотной характеристики канала задержки. Технический результат: повышение точности детектирования максимального значения в более широком частотном диапазоне входного напряжения. 6 ил.

Пиковый детектор, содержащий источник сигнала, компаратор на основе операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подсоединен к источнику сигнала, первый резистор и первый конденсатор, причем один из выводов первого резистора соединен с источником сигнала, а другой через первый конденсатор - с земляной шиной, отличающийся тем, что в него введены второй резистор, второй конденсатор, инвертирующий сумматор напряжений и аналоговый инвертор напряжений на основе операционных усилителей, причем один из выводов второго конденсатора соединен с источником сигнала, а другой через второй резистор - с земляной шиной, точка соединения первого резистора и первого конденсатора подключена к первому входу сумматора, а точка соединения второго резистора и второго конденсатора - ко второму входу сумматора, выход которого через аналоговый инвертор соединен с инвертирующим входом компаратора.