Преобразователь амплитудного значения импульсного напряжения в постоянное напряжение

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 03 К 5/22, G 01 R 19/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1485140 (21) 4786681/21 (22) 29.01.90 .(46) 29.02.92. Бюл. № 8 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро по криогенной технике с

On ытн ым производством Ф изико-технического института низких температур АН

УССР (72) А.Д.Ярмак (53),621.318(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1485140, кл. G 01 R 19/04, 26.10.87.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, может быть использовано в приборах для регистрации быстропротекающих процессов, в частности в масс-спектрометрии для изученйя состава верхних слоев атмосферы Земли и является дальнейшим усовершенствовани. 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 фиг,3 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 BbIход через последовательно соединенные

„„. Ж„„1716599 А2

2 (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АМПЛИТУДНОГО ЗНАЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ B ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в приборах для регистрации быстропротекающих процессов, преимущественно в масс-спектрометрии; 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. 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 раэрядный 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

1716599

10 второго 16 и третьего 17 компараторов (с порогами сбрасывания Е1 и Е ), 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 18 и 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-HE 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 — c вторым входом формирователя 15 через элемент НЕ 26, а выходы подключены к остальным входам элемента И-HE 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 подключены соответственно к выходу формирователя 12 и первому входу элемента ИЛИ 13, второй вход которого соединен с выходом формирователя 14, Неинвертирующий вход четвертого компаратора 29 подключен - 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 фор15

55 мирователь 37 подключен к входу R триггера

28, Выход компаратора 9 через второй элемент НЕ 38 подключен к первому входу элемента ИЛИ-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, 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, Преобразователь работает следующим образом, В интервале времени т < т входной сигнал U<>< (фиг.За) отсутствует.

Напряжение на выходах усилителя 1 U> (фиг.Зб), запоминающей ячейки 6 U2 (фиг,Зв), усилителя 2 О ы (фиг,Зг), запоминающей ячейки 33 0з (фиг,Зд) равны нулю, напряжения на выходах компараторов 9 и

29 U4 и Us (фиг,4а и фиг.4б) соответствуют логическим единицам. Напряжения на выходах элементов задержки 11 и 36, формирователей 12, 37 Uc От (фиг.4в, фиг.4г), компаратора 16, формирователя 14 Us (фиг,4д) равны нулю, Уровни напряжений на выходах триггера 28 Ug (фиг,4е) и элемента

ИЛИ 13 0ю (фиг,4ж) неопределенные, соответствуют логическим нулю или единицЕ и показаны заштрихованными областями, Соответственно, ключ 8 находится в разомкнутом или замкнутом состояниях, На выходе компаратора 17 и третьем выходе

0вых (фиг,4з) преобразователя 15 напряжения равным единицам. На выходе четвертого формирователя 27 U > > (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 компаратора 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

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 чего элементы И-НЕ 23 и 24 блокируют прохождения импульсов с выхода генератора

22 на счетный вход счетчика 25, В момент времени 1 на вход усилителя

1 поступает сигнал 0 х, состоящий из полез5

1716599

15

35

40 циенту усиления усилителя 1 и в К раз большему коэффициенту усиления усилителя 2.

Одновременно единица с выхода компара50

55 чение. ной составляющей и помехи, которая в реальных условиях, например при регистра- ции масс-спектров, обусловлена флуктуациями ионного тока на выходе анализатора масс-спектрометра, пульсациями 5 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 сиг-. нала, и соответствующими моментами времени сз, тв, ts, t1z. Сигнал U усиливается в

К" раз, где К вЂ” отношение коэффициентов усиления соседних поддиапазонов, n — количество переключаемых поддиапазонов.

На интервале т1 < 1 < 1г сигнал на выходе усилителя 1 U> < E2 компараторы 9, 16, 17 и

29, элементы задержки 11 и 26 формирова- тели.12 и 37, счетчик 25, триггер 28 сохраняют свои исходные состояния, На интервале

t2 < t < t3 фиксатор 3 переходит в режим линейной выборки, а фиксатор 30 — в режим хранения. B момент времени, близкий к 1г, разность входного U> и выходного 0з (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 тз = (К - 2)/2ц, где

t> — частота следования импульсов генератора 43, а К вЂ” 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 =О, 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 Uz за счет большого коэффициента усиления усилителя 4 с высокой 4 точностью повторяет напряжение U< в диапазоне изменения последнего от Е > равного единицам милливольт до Ez. равного уровню ограничения усилителя 4. В это время на. выходе компаратора 17 устанавливается 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.= 1з напряжение U»< равно сумме полезной составляющей и импульса помехи. После прохождения сигналом максимального значения на интервале t2 < t < bl фиксатор 3 переходит в режим хранения, напряжение на выходе ячейки 6 превышает напряжение

U>. 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 гзг = (К - 2)/2(г, где tz — частота генератора 41, Кг — коэффициент деления счетчика 40, определяется необходимым временем регистрации амплитуды напряжения измерительным прибором и соотношением гз 10 тп, где Tn — 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 Оз на выходе фиксатора 30 устанавливается равным напряжению U>, на выходе компаратора 29 — единицы. На интервале t4 < t <

<Ь напряжение U снова становится равным U>, усилитель 4 формирует положительный перепад, на выходе компаратора 9 устанавливается единица, которая сбрасывает счетчик 40 в нуль. Так как длительность помехи значительно меньше 732, то за время и-tj счетчик 40 не успевает сформировать положительный перепад, и триггер 28 сохраняет состояние Q = О.

В момент времени тв напряжение на выходе усилителя 1 U> достигает порога срабатывания Е компаратора 16. Единица с выхода компаратора 16. через элемент ИЛИ

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

21 и 23 переводит счетчик 25 в состояние, соответствующее в К раз меньшему коэффитора 16 запускает формирователь 14 и через элемент ИЛИ 20 — формирователь 27. Короткие импульсы Us (фиг.4д) с выхода формирователя 14 и 011 (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 0 .

При дальнейшем увеличении UBx, количество переключений определяется его динамическим диапазоном. На фиг.2 для упрощения показано двухкратное переклюПосле прохождения сигналом U >< максимального значения в момент t7 фиксатор

3 устанавливается в режим хранения, а фик1716599

40

55 сатор 30 в режим усилителя. Помеха, соответствующая моменту времени ta, не изменяет состояния компараторов 9, 29 и триггера 28, так как интенсивность сигнала

U1 в это время меньше уровня Uz на выходе фиксатора 3. На интервале tg < t < t1o сигнал

01< Е2, 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 U1, при отсутствии запрета счетного режима на интервале tg <

< t =tio.

В момент времени t>o элемент 11 формирует импульс, задержанный относительно экстремума на время тж = тю — ст, 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. Усилитель 4 формирует положительный перепад напряжения, на выходе компаратора.9 устанавливается уровень единицы, который разблокирует счетчик 25 и последний переключает код управляющего с 1гнала в сторону увеличения коэффициента усиления усилителя 1, и уменьшения коэффициента усиления усилителя 2.

На интервале tio < t < t11 единица с выхода компаратора 9 размыкает ключ 35 и устанавливает фиксатор 30 в режим выборки.В это время его выходное напряжение отслеживает напряжение U>. В момент времени t11 сигнал U1 < E2. Счетчик 25 переключает усилители 1 и 2, Положительный перепад напряжения с выхода компаратора

17 через-схему ИЛИ 20 запускает формирователь 27. Короткий импульс U11 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 U< при этом на выходах компаратора 29, а следовательно, и триггера 28 сохраняются уровни едйницы. По окончании импульса U>> ключ 35 размыкается и напряжение Оэ на интервале отслеживает спадающее напряжение U1-, B момент времени t>z на вход преобразователя совместно с полезным сигналом поступает помеха. После прохождения сигналом U >< минимального значения в момент

tlat напряжение на выходе ячейки ЗЗ меньше напряжения U>, компаратор 29 формирует уровень нуля, который включает счетный режим счетчика 42. В момент т1з напряжение снова становится равным. напряжению U>, единица с выхода компаратора 29 устанавливает счетчик 42 в нуль. Так как длительность помехи значительно меньше Хз1, то уровень нуля на выходе счетчика за это время не изменяется и триггер 28 сохраняет состояние Q = 1, В таком состоянии преобразователь остается до прихода следующего пика.

Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается автоматический выбор и переключение поддиапазонов, защита от фиксации ложных амплитудных значений, возникающих при переключении поддиапазонов. По сравнению с преобразователем по основному авт.св. предлагаемое устройство обеспечивает более надежное и достоверное преобразование амплитудных значений при изменении периода повторения и крутизны фронтов импульсных напряжений в широких пределах, так как длительность разряда конденсатора фиксатора амплитуды не постоянна, а определяется моментом прихода переднего фронта 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 режим усилителя во время прохождения входным сигналом экстремального значения, Формула изобретения

Преобразователь амплитудного значения импульсного напряжения в постоянное напряжение по авт.св.,N 1485140, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уменьшения погрешности преобразования. в него введены второй фиксатор амплитуды, элемент

Н Е, третий и четвертый формирователи, четвертый компаратор, второй элемент задержки, R-триггер и элемент ИЛИ-НЕ, при этом вход второго фиксатора амплитуды и инвертирующий вход четвертого компаратора соединены с выходом входного усилителя, выход четвЕртого компаратора через соединенные последовательно второй элемент задержки и третий формирователь соединен с R-входом RS-триггера, включенного между выходом первого формирователя и первым входом элемента ИЛИ-НЕ, инвертирующий вход четвертого компаратора соединен с выходом второгО фиксатора амплитуды, выход первого компаратора через,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.

1716599

Г й(.

1716599

i l I

1716599

50

Редактор H. Коляда

Заказ 617 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 8ых

Составитель И. Поставкина

Техред М.Моргентал Корректор С. Шевкун