Устройство усиления электрических сигналов с синхронным интегратором

 

Использование: в технике связи и передаче информации, в измерительных приборах для выделения слабого сигнала на фоне шумов, для спектрального анализа электрических сигналов и т.п. Сущность изобретения: устройство содержит резистор (P)1, через который подключен источник усиливаемого периодического сигнала к инвертирующему входу операционного усилителя (ОУ)2, неинвертирующий вход которого через P3 подключен к общему проводу устройства (земля). Инвертирующий вход ОУ2 через P4 соединен с одной из общих точек синхронного интегратора, состоящего из трех параллельно соединенных цепей: две из них являются идентичными и состоят из последовательно соединенных конденсатора (К) 5 и управляемого опорным сигналом ключа (КЛ) 6 и К7 и КЛ 8, соответственно, а третья цепь - из общего P9. Эта же точка синхронного интегратора через цепь из последовательно соединенных P10 и К11 соединена с общим проводом устройства. Другая общая точка синхронного интегратора соединена с выходом ОУ2, который является выходом устройства. При этом входом устройства является либо инвертирующий, либо неинвертирующий вход ОУ2. Предложенное техническое решение позволяет упростить устройство при построении многокаскадных селективных усилителей без уменьшения отношения сигнал/шум. 2 ил.

Изобретение относится к селективному усилению периодических сигналов электрической природы и может быть использовано в технике связи и передачи информации, в измерительных приборах для выделения слабого сигнала на фоне шумов, для спектрального анализа электрических сигналов и т.п.

Известны устройства селективного усиления электрических сигналов, использующие синхронный интегратор напряжения, предложенный Фрейтером (Frpter R. N. // Rev. Sci.Instrum. 1965, V.36, N 5, P.634) и усовершенствованный рядом авторов (например, Ипатов А.В. Берлин А.Б.// ПТЭ, 1973, N 2, с. 118; Брайловский В. В. Жук О.П. Тарко Л.О. Шеляг А.Р.// ПТЭ, 1982, N 6, с. 88; Могилевский А.Н. Славный В.А. Субочев А.И. Астафьев П.Н.// Приборы и системы управления, 1978, N 6, с. 40). Такие устройства являются синхронными усилителями (фильтрами), выделяющими из периодического сигнала прямоугольные компоненты, совпадающие по форме с опорным сигналом. Основным преимуществом таких устройств по сравнению с другими типами селективных усилителей является большой динамический диапазон усиливаемого сигнала, некритичность к стабильности периода усиливаемого сигнала, а также боле высокое отношение сигнал/шум, определяемое главным образом, коммутационными шумами (обусловленными проникновением опорного сигнала через управляемые ключи на выход усилителя), уровень которых зависит от схемного решения устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является устройство усиления электрических сигналов с синхронным интегратором, описанное в работе (Брайловский В.В, Жук О.П. Тарко Л.О. Шеляг А.Р. Компенсированный синхронный интегратор. // ПТЭ, 1982, N 6, с. 88). Оно состоит из усилительного каскада на операционном усилителе, резистора обратной связи, буферного каскада с высоким входным сопротивлением и двух идентичных параллельно соединенных цепей и общего резистора, образующих синхронный интегратор. Каждая идентичная цепь образована последовательно соединенным конденсатором и управляемым опорным сигналом ключом. Одна общая точка параллельного соединения этих идентичных цепей соединена с общим проводом устройства ("земля"), а другая через общий резистор с источником усиливаемого сигнала и со входом буферного каскада, выход которого подключен ко входу усилительного каскада на операционном усилителе. Управление ключами осуществляется синхронно с усиливаемым периодическим сигналом так, чтобы в течение полупериода был замкнут только один ключ. Поэтому на каждом полупериоде напряжение усиливаемого сигнала интегрируется на одном из конденсаторов. В результате на выходе синхронного интегратора появляется сигнал, прямоугольная переменная компонента которого пропорциональна амплитуде усиливаемого входного сигнала.

Недостатком известных устройств (в том числе и прототипа) является необходимость использования буферного каскада с высоким входным сопротивлением, необходимым для согласования синхронного интегратора, обладающего высоким выходным сопротивлением, с усилительным каскадом на операционном усилителе. Это усложняет устройство в целом, особенно при построении многокаскадных селективных усилителей.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в построении схемы, исключающей буферный каскад с высоким входным сопротивлением, сохраняющей селективные свойства и не увеличивающий уровень коммутационных шумов устройства. Это позволит значительно упростить устройство в целом, особенно при построении многокаскадных селективных усилителей без уменьшения отношения сигнал/шум, присущего известным селективным усилителям.

Для решения поставленной задачи в известное устройство усиления электрических сигналов с синхронным интегратором, содержащее операционный усилитель, резистор обратной связи и синхронный интегратор, состоящий из двух идентичных цепей, соединенных параллельно друг с другом, содержащих последовательно соединенные конденсатор и управляемый опорным сигналом ключ, и общего резистора, введены дополнительный резистор и дополнительный конденсатор, причем общий резистор в синхронном интеграторе подсоединен параллельно двум идентичным цепям, одна из общих точек этого соединения через резистор обратной связи соединена с инвертирующим входом операционного усилителя и через цепочку последовательно соединенных дополнительного резистора и дополнительного конденсатора с общим проводом устройства, а другая общая точка с выходом операционного усилителя, являющегося выходом устройства, при этом входом устройства является либо инвертирующий, либо неинвертирующий вход операционного усилителя. Наличие отличительных признаков заявленного изобретения: дополнительного резистора и дополнительного конденсатора, а также порядок включения отличительных и известных элементов в схеме устройства, как следует из акта испытаний (в котором зафиксирована работоспособность устройства), исключить буферный каскад с высоким входным сопротивлением. При этом селективные свойства и отношение сигнал/шум заявляемого устройства не хуже, чем у известных устройств (см. акт испытаний). Уровень коммутационных шумов заявляемого устройства не превышает уровня коммутационных шумов известных устройств (см. акт испытаний). Полученный технический результат, по нашему мнению, не является очевидным и не следует явным образом из уровня техники: условие патентоспособности - "изобретательский уровень". Как следует из акта испытаний "промышленная применимость". Наличие отличительных признаков заявляемого устройства свидетельствует о соответствии условию патентоспособности "новизна".

На фиг. 1 изображен инвертирующий, а на фиг. 2 неинвертирующий селективный усилитель с синхронным интегратором.

Инвертирующий усилитель (фиг. 1а) содержит резистор 1, через который подключен источник усиливаемого периодического сигнала (на фиг. 1 не изображен) к инвертирующему входу операционного усилителя 2. Неинвертирующий вход усилителя 2 через резистор 3 подключен к общему проводу устройства ("земля"). Инвертирующий вход усилителя 2 через резистор 4 связан с одной из общих точек синхронного интегратора, состоящего из трех параллельно соединенных цепей: две из них являются идентичными и состоят из последовательно соединенных конденсатора 5 и ключа 6 и конденсатора 7 и ключа 8, соответственно, а третья цепь из общего резистора 9. Эта же общая точка синхронного интегратора через цепь из последовательно соединенных резистора 10 и конденсатора 11 соединена с общим проводом устройства. Другая общая точка синхронного интегратора соединена с выходом усилителя 2, который является выходом устройства.

Схема неинвертирующего усилителя (фиг. 1б) содержит те же самые элементы и отличается тем, что источник усиливаемого периодического сигнала подключен к неинвертирующему входу усилителя 2, а сопротивление 1 подключено к общему проводу устройства.

Устройство работает следующим образом: входной ток, создаваемый источником усиливаемого периодического напряжения, через резистор 1 подают на инвертирующий вход операционного усилителя 2 и возникающий на его выходе ток интегрируют на конденсаторах 5, 7 синхронного интегратора (резистор 3 включает для компенсации токов утечки операционного усилителя). Управление ключами 6, 8 синхронного интегратора осуществляют опорным сигналом синхронно с усиливаемым периодическим сигналом так, что в течение полупериода замкнут только один из ключей 6 или 8. Поэтому на одном из полупериодов ток интегрируется в конденсаторе 5, а на другом на конденсаторе 7. В результате в установившемся режиме, время установления которого определяется произведением емкости конденсатора 5 (7) и резистора 9, на выходе усилителя 2 (т.е. на выходе устройства) появляется прямоугольный переменный сигнал, амплитуда которого определяется формой и амплитудой усиливаемого входного сигнала. Эмпирически было установлено, что коммутационные шумы устройства существенно уменьшаются при включении резисторов 4, 10 и конденсатора 11 указанным на фиг. 1 образом. Значения этих элементов подбирают экспериментально по минимуму коммутационных шумов.

В неинвертирующем усилителе (фиг. 1б) усиливаемый периодический сигнал подают на неинвертирующий вход усилителя 2, соединенный с общим проводом устройства резистором 1. Возникающий при этом на выходе усилителя 2 ток интегрируется так же, как и в схеме с инвертирующим усилителем.

Таким образом, предложено техническое решение, позволяющее существенно упростить устройство в целом, особенно при построении многокаскадных селективных усилителей без уменьшения отношения сигнал/шум, присущего известным устройствам.

Формула изобретения

Устройство усиления электрических сигналов с синхронным интегратором, содержащее операционный усилитель, резистор обратной связи и синхронный интегратор, состоящий из двух идентичных цепей, соединенных параллельно друг с другом, содержащий последовательно соединенные конденсатор и управляемый опорным сигналом ключ, и общего резистора, отличающееся тем, что в него введен дополнительный резистор и дополнительный конденсатор, причем общий резистор в синхронном интеграторе подсоединен параллельно двум идентичным цепям, одна из общих точек этого соединения через резистор обратной связи соединена с инвертирующим входом операционного усилителя и через цепочку последовательно соединенных дополнительного резистора и дополнительного конденсатора с общим проводом устройства, а другая общая точка с выходом операционного усилителя, являющегося выходом устройства, при этом входом устройства является либо инвертирующий, либо неинвертирующий вход операционного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2