Преобразователь амплитудного значения импульсного напряжения в постоянное напряжение Советский патент 1992 года по МПК H03K5/22 G01R19/04 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, может быть использова- но в приборах для регистрации быстропротекающих процессов, в частности в масс-спектрометрии для изучения состава верхних слоев атмосферы Земли и является дальнейшим усовершенствование ем преобразователя амплитудного значения импульсного напряжения в постоянное напряжение по авт.св. № 1485140.

Целью изобретения является повышение достоверности полученной информации в условиях регистрации импульсов с различной частотой следования и крутизной фронтов.

На фиг.1 приведена блок-схема преобразователя; на фиг.2 - блок-схема формирователя управляющего кода; на фйг.З и 4 - временные диаграммы, поясняющие работу, преобразователя.

Преобразователь содержит входной 1 и выходной 2 усилители с переключаемыми коэффициентами усиления. Вход усилителя 1 подключен к входу преобразователя, а выход через последовательно соединенные

фиксатор 3 и усилитель 2 - к выходу преобразователя. Фиксатор 3 состоит из операционного усилителя 4, неинвертирующий вход которого соединен,с входом фиксатора 3, инвертирующий вход через первый резистор 5, подключен к выходу запоминающей ячейки 6 и выходу фиксатора 3, а выход соединен с управляющим выходом фиксатора 3 и через второй резистор 7 подключен к входу ячейки 6. Между выходом ячейки 6 и общей шиной устройства подключен разрядный ключ 8, управляющий вход которого соединен с входом сброса фиксатора 3.

Управляющий выход фиксатора 3 подключен к неинвертирующему входу первого компаратора 9, инвертирующий вход которого соединен с первым источником 10 напряжения смещения, а выход через элемент задержки 11 подключен к входу первого формирователя 12 импульсов. Один из входов первого элемента ИЛИ 13 соединен с выходом второго формирователя импульсов 14, а выход первого элемента ИЛИ 13 соединен с входом сброса фиксатора 3. Формирователь 15 управляющего кода состоит из

сл

с

второго 16 и третьего 17 компараторов (с порогами сбрасывания EI и Еа), инвертирующий вход компаратора 16 и неинвертирующий вход компаратора 17 подключены к первому входу формирователя 15, неинвертирующий вход компаратора 16 и инвертирующий вход компаратора 17 подключены соответственно к второму третьему 19 источникам смещения.

Выход компаратора 16 подключен к второму выходу формирователя 15 и первому входу элемента ИЛИ 20, второй вход которого соединен с выходом компаратора 17. Первый вход элемента И-НЕ 21 соединен с выходом элемента ИЛИ 20, второй вход - с выходом генератора 22 импульсов, а выход - с первым входом второго элемента И-НЕ 23, второй вход которого подключен к выходу третьего элемента И-НЕ-24, а выход - к счетному входу реверсивного счетчика 25.

Управляющий вход счетчика 25 соединен с первым входом элемента И-НЕ 24 и выходом компаратора 17, вход переноса - с вторым входом формирователя 15 через элемент НЕ 26, а выходы подключены к остальным входам элемента И-НЕ 14 и первому выходу формирователя 15.

Выход элемента ИЛИ 20 подключен к третьему выходу формирователя 15. Первый вход формирователя 15 управляющего кода подключен(к выходу усилителя 1, второй вход - к выходу компаратора 9, первый выход-к управляющим выходам усилителей 1 и 2, второй выход к входу формирователя 14, а третий выход - к входу третьего формирователя 27. Вход S и выход триггера 28 под- ключены соответственно к выходу формирователя 12 и первому входу элемента ИЛИ 13, второй вход которого соединен с выходом формирователя 14. Неинвертирующий вход четвертого компаратора 29 под- ключен к выходу фиксатора 30 минимального значения напряжения, Фиксатор 30 состоит из операционного усилителя 31, неинвертирующий вход которого является входом фиксатора 30, инвертирующий вход через резистор 32 соединен с выходами запоминающей ячейки 33 и фиксатора 30, а выход через резистор 34 - с входом запоминающей ячейки 33. Между выходом усилителя 31 и выходом запоминающей ячейки 33 включен разрядный ключ 35, управляющий вход которого соединен с входом сброса фиксатора 30. Инвертирующий вход четвертого компаратора 29 подключен к входу фиксатора 30 и первому входу формирователя 15, Выход компаратора 29 через последовательно соединенные второй элемент задержки 36 и третий формирователь 37 подключен к входу R триггера 28. Выход компаратора 9 через второй элемент НЕ 38 подключен к первому входу элемента ИЛ И-НЕ 39, выход третьего формирователя 27 - к второму входу элемента ИЛИ-НЕ 39, а выход элемента ИЛИ-НЕ 39 соединен с входом сброса фиксатора 30,

Элементы задержки 11 и 36 состоят из счетчиков 40 и 41 и генераторов 42 и 43,

0 входы сброса счетчиков 40 и 41 соединены с входами элементов задержки 11 и 38, выходы счетчиков - с выходами элементов задержки, а счетные входы - с выходами генераторов 42 и 43.

5Преобразователь работает следующим

образом.

В интервале времени t и входной сигнал Uax (фиг.За) отсутствует.

Напряжение на выходах усилителя 1 Ui

0 (фиг.36), запоминающей ячейки 6 Da (фиг.Зв), усилителя 2 Увых (фиг.Зг), запоминающей ячейки 33 Us (фиг.Зд) равны нулю, напряжения на выходах компараторов 9 и 29 U4 и Us (фиг,4а и фиг.4б) соответствуют

5 логическим единицам. Напряжения на выходах элементов задержки 11 и 36, формирователей 12, 37 Ue U (фиг.4в, фиг.4г), компаратора 16, формирователя 14 Us (фиг.4д) равны нулю, Уровни напряжений на

0 выходах триггера 28 Ug (фиг,4е) и элемента ИЛИ 13 Uю (фиг.4ж) неопределенные, соответствуют логическим нулю или единице и показаны заштрихованными областями.

5 Соответственно, ключ 8 находится в разомкнутом или замкнутом состояниях. На выходе компаратора 17 и третьем выходе UBHX (фиг,4з) преобразователя 15 напряжения равным единицам. На выходе четверто0 го формирователя 27 Un (фиг.4к)установлен логический ноль, а на выходе элемента ИЛИ-НЕ 39 - логическая единица, которая удерживает ключ 35 в разомкнутом состоянии. Уровень единицы с выхода компарато5 ра 17 устанавливает реверсивный счетчик 25 в режим сложения и через элемент ИЛИ 20 открывает элемент И-НЕ 21, который через элемент И-НЕ 23 пропускает на счетный . вход счетчика 25 импульсы с выхода генератора 22. Уровень нуля на выходе элемента

0 НЕ 26 разрешает счетный режим счетчика 25, который устанавливает на первом выходе формирователя 15 код, соответствующий максимальному усилению усилителя 1 и минимальному усилению усилителя 2, после

5 чего элементы И-НЕ 23 и 24 блокируют прохождения импульсов с выхода генератора 22 на счетный вход счетчика 25.

В момент времени tt на вход усилителя 1 поступает сигнал UBX, состоящий из полезной составляющей и помехи, которая в реальных условиях, например при регистрации масс-спектров, обусловлена флуктуациями ионного тока на выходе анализатора масс-спектрометра, пульсациями питающих напряжений и др. Обычно длительность импульсов помехи намного меньше длительности полезного сигнала. На фиг.З сигнал помехи для упрощения показан четырьмя импульсами, модулирующими передний и задний фронты полезного сигнала, и соответствующими моментами времени ta, te, ts, Ш. Сигнал UBX усиливается в раз, где К - отношение коэффициентов усиления соседних поддиапазонов, п - количество переключаемых поддиапазонов. На интервале ti t t2 сигнал на выходе усилителя 1 U-1 Еа компараторы 9, 16, 17 и 29, элементы задержки 11 и 26 формирователи 12 и 37, счетчик 25, триггер 28 сохраняют свои исходные состояния. На интервале t2 t ts фиксатор 3 переходит в режим линейной выборки, а фиксатор 30 - в режим хранения. В момент времени, близкий к It2, разность входного Ui и выходного Уз (фиг.Зд) напряжений фиксатора 30 превышает порог срабатывания компаратора 29. На его выходе устанавливается уровень нуля, который включает счетный режим счетчика 42 элемента задержки 36. Через промежуток времени гз1 (Ki - 2)/2ti, где ti - частота следования импульсов генератора 43, a Ki - коэффициент деления счетчика 41, первый положительный перепад напряжения с выхода счетчика 41 запускает формирователь 37, и короткий импульс с выхода последнего устанавливает триггер 28 в состояние Q 0, а нуль с выхода последнего через элемент ИЛИ 1.3 переводит ключ 8 в разомкнутое состояние. Последующие импульсы счетчика 41 до момента поступления на вход S импульса с выхода формирователя 12 не изменяют состояния триггера 28. Напряжение U2 за счет большого коэффициента усиления усилителя 4 с высокой точностью повторяет напряжение U i в диапазоне изменения последнего от Е1 равного единицам милливольт до Е2. равного уровню ограничения усилителя 4. В это время на выходе компаратора 17 уста на вливается нулевой уровень, счетчик 25 переходит в режим вычитания, сохраняя при этом на своих выходах исходное состояние, так как нуль на выходе элемента ИЛИ 20 запирает элемент И-НЕ 21, и последний не пропускает на счетный вход счетчика 25 импульсы с выхода генератора 22. В момент времени t t3 напряжение UBX равно сумме полезной составляющей и импульса помехи. После прохождения сигналом максимального значения на интервале ts t t4 фиксатор 3 переходит в режим хранения, напряжение на выходе ячейки 6 превышает напряжение Ui. Усилитель 4 формирует отрицательный

перепад напряжения, на выходе компаратора 9 устанавливается уровень нуля, который включает счетный режим счетчика 40 элемента задержки 11. Время задержки элемента 11 Тз2 (К2 - 2)/2t2, где t2 - частота

генератора 41, «2 - коэффициент деления счетчика 40, определяется необходимым временем регистрации амплитуды напряжения измерительным прибором и соотношением гз2 10Гп, где гп -длительность

импульса помехи. В то же время уровень нуля с выхода компаратора 9 через элементы 38 и 39 замыкает ключ 35 фиксатора 30, переводя последний в режим усилителя со 100%-ной обратной связью. Напряжение Уз

на выходе фиксатора 30 устанавливается равным напряжению Ui, на выходе компаратора 29 - единицы. На интервале t-q t ts напряжение U2 снова становится равным Ui, усилитель 4 формирует положительный перепад, на выходе компаратора 9 устанавливается единица, которая сбрасывает счетчик 40 в нуль. Так как длительность помехи значительно меньше Гз2, то за время счетчик 40 не успевает сформировать

положительный перепад, и триггер 28 сохраняет состояние 0 0.

В момент времени тв напряжение на выходе усилителя 1 Ui достигает порога срабатывания EI компаратора 16. Единица с

выхода компаратора 16. через элемент ИЛ.И

20открывает элемент И-НЕ 21, и импульс с выхода генератора 22 через элементы И-НЕ

21и 23 переводит счетчик 25 в состояние, соответствующее в К раз меньшему коэффициенту усиления усилителя 1 и в К раз большему коэффициенту усиления усилителя 2. Одновременно единица с выхода компаратора 16 запускает формирователь 14 и через элемент ИЛИ 20 - формирователь 27. Короткие импульсы Us (фиг.4д) с выхода формирователя 14 и Un (фиг.4к) с выхода формирователя 27 замыкают разрядные ключи 8 и 35, фиксаторы 3 и 30 переходят в режим усилителя, на их выходах устанавливаются значения напряжений, равные UL При дальнейшем увеличении UBX, количество переключений определяется его динамическим диапазоном. На фиг.2 для упрощения показано двухкратное переключение.

После прохождения сигналом UBX максимального значения в момент t фиксатор 3 устанавливается в режим хранения, а фиксатор 30 в режим усилителя. Помеха, соответствующая моменту времени ta, не изменяет состояния компараторов 9, 29 и триггера 28, так как интенсивность сигнала Ui в это время меньше уровня LJ2 на выходе фиксатора 3. На интервале tg t tio сигнал Ui Ј2, на выходе компаратора 17 формируется единица, счетчик 25 переводится в режим сложения, однако уровень нуля с выхода компаратора 9 через элемент НЕ 26 запрещает счетный режим счетчика 25, а следовательно, и переключение кода управляющего сигнала, На фиг.Зб пунктиром показана диаграмма Ui, при отсутствии запрета счетного режима на интервале tg t но.

В момент времени хю элемент 11 фрр- мирует импульс, задержанный относительно экстремума на время тз2 tio П, необходимое для регистрации пика. Этот импульс; запускает формирователь 12, с выхода которого сигнал переводит триггер 28 в состояние Q 1, ключ 8 в замкнутое состояние, а фиксатор 3 в режим усилителя. Уси- литель 4 формирует положительный перепад напряжения, на выходе компаратора 9 устанавливается уровень единицы, который разблокирует счетчик 25 и последний переключает код управляющего ей/нала в сторону увеличения коэффициента усиления усилителя 1, и уменьшения коэффициента усиления усилителя 2.

На интервале хю t tn единица с выхода компаратора 9 размыкает ключ 35 и устанавливает фиксатор 30 в режим выборки.В это время его выходное напряжение отслеживает напряжение Ui. В момент времени tn сигнал Ui Еа. Счетчик 25 переключает усилители 1 и 2. Положительный перепад напряжения с выхода компаратора 17 через схему ИЛИ 20 запускает формирователь 27. Коротки й импульс Un с выхода формирователя 27 через элемент ИЛИ-НЕ 39 замыкает ключ 35 и переводит фиксатор 30 в режим усилителя. Конденсатор запоминающей ячейки 33 заряжается до уровня напряжения Ui при этом на выходах компаратора 29, а следовательно, и триггера 28 сохраняются уровни единицы. По окончании импульса Un ключ 35 размыкается и напряжение Уз на интервале отслеживает спадающее напряжение Ut.

В момент времени ti2 на вход преобразователя совместно с полезным сигналом поступает помеха. После прохождения сигналом UBX минимального значения в момент ti2 напряжение на выходе ячейки 33 меньше напряжения Ui, компаратор 29 формирует уровень нуля, который включает счетный режим счетчика 42. В момент ti3 напряжение

снова становится равным .напряжению Ui, единица с выхода компаратора 29 устанавливает счетчик 42 в нуль. Так как длительность помехи значительно меньше Тз1, то

уровень нуля на выходе счетчика за это время не изменяется и триггер 28 сохраняет состояние 0 1,

В таком состоянии преобразователь остается до прихода следующего пика.

0 Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается автоматический выбор и переключение поддиапазонов, защита от фиксации ложных амплитудных значений, возникающих при переключении поддиапа5 зонов. По сравнению с преобразователем по основному авт.св. предлагаемое устройство обеспечивает более надежное и достоверное преобразование амплитудных значений при изменении периода повторе0 ния и крутизны фронтов импульсных напряжений в широких пределах, так как длительность разряда конденсатора фиксатора амплитуды не постоянна, а определяется моментом прихода переднего фронта

5 следующего импульса. Это исключает возможность повторных включений фиксатора амплитуды в режим хранения при прохождении заднего фронта импульса с малой скоростью спада и включение фиксатора в

0 режим усилителя во время прохождения входным сигналом экстремального значения.

Формула изобретения Преобразователь амплитудного значе5 нмя импульсного напряжения в постоянное напряжение по авт. св. ,№ 1485140, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности преобразования, в него введены второй фиксатор амплитуды, элемент

0 НЕ, третий и четвертый формирователи, четвертый компаратор, второй элемент задер- жки, R-триггер и элемент ИЛИ-НЕ, при этом вход второго фиксатора амплитуды и инвертирующий вход четвертого компаратора со5 единены с выходом входного усилителя, выход четвертого компаратора через соединенные последовательно второй элемент задержки и третий формирователь соеди- нен с R-входом RS-триггера, включенного

0 между выходом первого формирователя и первым входом элемента ИЛИ-НЕ, инвертирующий вход четвертого компаратора соединен с выходом второго фиксатора амплитуды, выход первого компаратора че5 рез,соединенные последовательно элемент „ НЕ и элемент ИЛИ-НЕ соединен с входом сброса второго фиксатора амплитуды, третий выход формирователя управляющего кода через четвертый формирователь соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ.

Q-Щ

Изобретение относится к электроизме-. рительной технике и может быть использовано в приборах для регистрации быстропротекающих процессов, преимущественно в масс-спектрометрйи. Цель изобретения - уменьшение погрешности преобразования. С указанной целью дополнительно введены второй фиксатор амплитуды, элемент НЕ, третий и четвертый формирователи, четвертый компаратор, второй элемент задержки, R-триггер и элемент ИЛИ-НЕ. 1 ил.

6699 lit

05

05

in «о

ю

«

° Ј -3 o

о in

Ю Ю

M