Амплитудный дискриминатор с двойным порогом

 

Изобретение относится к области электронных схем. Функциональная схема предлагаемого амплитудного дискриминатора с двойным порогом (ДДП) приведена на фиг. 1. Существенными признаками данного изобретения являются использование: 1) двух входных амплитудных дискриминаторов О1, О2 с постоянными, но разными порогами U1, U2 и 2) схемы автоматической компенсации, вырабатывающей точную временную привязку при срабатывании входных амплитудных дискриминаторов на фронте каждого входного импульса. Схема автоматической компенсации состоит из двух заземленных источников напряжения U3, U4, каждый из которых с помощью переключателя S1 (S2), управляемого от входного дискриминатора, подключен к параллельно соединенным емкости C1 (C2) и сопротивлению R1 (R2), второй конец которых заземлен, и амплитудного дискриминатора О3, два входа которого соединены с потенциальными концами емкостей C1 и C2. Момент срабатывания выходного амплитудного дискриминатора О3 не зависит от амплитуды и фронта, линейно нарастающего входного сигнала, если выполнено условие U2/U1 = (C2 · R2)/(C1 · R1) для случая RC-цепей или U2/U1 = (C2/I2)/(C1/I1) при использовании вместо сопротивлений источников тока. Заметим, что если порог U1 (U2) ниже порога U2 (U1), то для осуществления рабочего цикла схемы необходимо, чтобы напряжение U3 (U4) превосходило U4 (U3). Амплитудный дискриминатор с двойным порогом (ДДП) предназначен для измерений вплоть до пикосекундного временного диапазона и является также эффективным для входных импульсов меняющейся формы, что и является достигаемым техническим результатом. 4 ил.

Изобретение относится к области электронных схем.

Известные амплитудные дискриминаторы для временных измерений можно разбить на два основных типа: 1) aмплитудный дискриминатор с временной привязкой к постоянной доле амплитуды входного импульса [1]. Он является эффективным для импульсов неизменной формы; 2) aмплитудный дискриминатор с постоянным порогом [1]. Он является наиболее простым, но не обеспечивает компенсации временного гуляния выходного сигнала, связанного с изменением скорости нарастания входного сигнала до порога срабатывания дискриминатора. Быстрый амплитудный дискриминатор высшего класса с минимальным порогом может быть использован для точной временной привязки [2], но шумы источника ограничивают его временную точность, и к тому же его стоимость очень велика для массового применения.

Известен метод, обеспечивающий точность временных измерений при изменении скорости нарастания входного сигнала [3]. В этом случае используют два амплитудных дискриминатора с постоянными, но разными порогами и две схемы измерения, для проведения параллельных временных измерений на фронте каждого входного импульса. Это позволяет путем последующих вычислений повысить точность временных измерений.

Недостатком данного метода является увеличение в два раза числа измерительных схем, следующих за дискриминаторами, и необходимость последующих вычислений для получения точного результата.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является вариант [3] - это использование двух амплитудных дискриминаторов с разными, но постоянными порогами, для параллельных временных измерений и последующим вычислением точного результата.

Достижение требуемого технического результата, а именно необходимой точности для временных измерений, возможно в предложении [3], но это требует увеличения измерительной аппаратуры в два раза и дополнительных вычислений для повышения точности временных измерений.

Сущность изобретения заключается в следующем: 1) решение этой задачи, а именно повышение точности временных измерений в пикосекундном временном диапазоне, возможно путем повышения точности временной привязки. На решение задачи получения точной временной привязки с помощью амплитудных дискриминаторов с разными, но постоянными порогами и схемой автоматической компенсации направлено предлагаемое изобретение.

2) технический результат, который получается при этом, - это сокращение измерительной аппаратуры в два раза и получение точного результата для пикосекундных временных измерений, при этом не требуется дополнительных вычислений. Точную временную привязку можно осуществить вплоть до пикосекундного временного диапазона. Поскольку точная временная привязка осуществляется по фронту входного импульса, то такой амплитудный дискриминатор является эффективным для входных импульсов меняющейся формы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в отличие от известного устройства [3] предлагается в представленной электронной схеме, амплитудном дискриминаторе с двойным порогом (далее ДДП) следующее: 1) заменить процесс вычисления точного результата для временных измерений на процесс компенсации временного гуляния зависящего от изменения амплитуды входного сигнала; 2) aмплитудный дискриминатор с двойным порогом (ДДП) в отличие от предыдущей схемы [3] вырабатывает точную временную привязку автоматически с помощью предлагаемой схемы автоматической компенсации, с учетом срабатывания двух амплитудных дискриминаторов на фронте каждого входного импульса; 3) cущественными признаками данного изобретения является использование двух входных амплитудных дискриминаторов с постоянными, но разными порогами и схемы, автоматически вырабатывающей точную временную привязку при срабатывании входных амплитудных дискриминаторов на фронте каждого входного импульса. Причем величины порогов входных амплитудных дискриминаторов (O1, O2) ДДП и элементов схемы автоматической компенсации (фиг. 1) должны удовлетворять условию U2/U1 = (C2 · R2)/(C1 · R1), если в схеме автоматической компенсации вместо сопротивлений R1, R2 используются источники тока I1, I2, то величины порогов входных амплитудных дискриминаторов ДДП и элементов схемы автоматической компенсации должны удовлетворять условию U2/U1 = (C1/I2)/(C1/I1).

Перечень чертежей, представленных в данном описании изобретения: фиг. 1 - функциональная схема амплитудного дискриминатора с двойным порогом (ДДП); фиг. 2 - временная диаграмма работы ДДП; фиг. 3 - принципиальная схема осуществления варианта ДДП;
фиг. 4 - временные характеристики осуществленного варианта ДДП.

На фиг. 1 приведена функциональная схема ДДП, которая состоит из следующих элементов:
1) два входных амплитудных дискриминатора O1, O2 и источники регулируемых напряжений U1, U2;
2) схема автоматической компенсации временного гуляния, которая включает в себя: а) источники постоянного напряжения U3, U4; б) два переключателя S1, S2; в) емкости C1, C2; г) сопротивления R1, R2 (или источники тока I1, I2); д) амплитудный дискриминатор O3.

На фиг. 1 приведены также связи между названными элементами в статическом состоянии схемы. Вход ДДП (in) параллельно соединен с входами входных амплитудных дискриминаторов O1, O2, пороги которых устанавливаются источниками напряжения U1, U2. Выход входного амплитудного дискриминатора O1 (O2) имеет связь управления ключом S1 (S2). В отсутствии входного сигнала переключатель S1 (S2) соединяет источник напряжения U3 (U4) с емкостью C1 (C2). Второй конец емкости C1 (C2) соединен с земляной шиной. Параллельно емкости C1 (C2) подключено сопротивление R1 (R2) или источник тока I1 (I2). Два входа входного амплитудного дискриминатора O3 соединены с потенциальными концами емкостей C1 и C2 соответственно.

Рассмотрим рабочий цикл схемы (фиг. 1) для входного импульса с линейно меняющейся амплитудой. При превышении входным импульсом порогов U1, U2 входные амплитудные дискриминаторы O1, O2 отключают при помощи переключателей S1, S2 источники постоянного напряжения U3, U4 от емкостей C1, C2 соответственно. Напряжение на емкостях начинает автоматически изменяться. Выходной амплитудный дискриминатор O3 срабатывает в момент времени, когда напряжения на его входах сравниваются. Момент срабатывания выходного амплитудного дискриминатора не зависит от амплитуды и фронта линейно нарастающего входного сигнала, если выполнено условие U2/U1 = (C2 · R2)/(C1· R1) для случая RC-цепей или U2/U1 = (C2/I2)/(C1/I1) при использовании вместо сопротивлений источников тока. Заметим, что если порог U1 (U2) ниже порога U2 (U1), то для осуществления описанного выше рабочего цикла необходимо, чтобы напряжение U3 (U4) превосходило U4 (U3).

Временные диаграммы на фиг. 2 поясняют принцип компенсации временного гуляния, связанного со временем нарастания входного сигнала до порога срабатывания входных амплитудных дискриминаторов. Фиг. 2a показывает два входных импульса с разной амплитудой U_i1 и U_i2, имеющие одинаковую длительность линейно возрастающего фронта. Момент t₁₁ достижения порога U₁ зависит от величины входной амплитуды (фиг. 2a). В этот момент разность напряжений ΔU_comp (фиг. 2b) на входах амплитудного дискриминатора O3 (фиг.1) начинает меняться. Важно, что ход во времени разности напряжений ΔU_comp после превышения входной амплитудой второго порога U₂ (момент t₂₁) точно повторяется независимо от амплитуды входного импульса. Поэтому срабатывание выходного амплитудного дискриминатора O3 (фиг. 1) происходит в один и тот же момент времени T₀ (фиг. 2b) независимо от амплитуды входного сигнала.

Практически входные амплитудные дискриминаторы не являются идеальными, а обладают собственным временем реакции на входной импульс. Согласно принципу работы ДДП компенсируется часть собственной временной реакции входных амплитудных дискриминаторов, которая обратно пропорциональна амплитуде входного импульса. Эта компенсация оказывается существенной, поскольку собственная задержка срабатывания амплитудного дискриминатора обычно уменьшается с ростом амплитуды входного импульса.

На фиг. 3 приводится осуществленный вариант принципиальной схемы ДДП на основе микросхемы типа К1500ЛП114. Данная микросхема представляет собой пять линейных приемников. Каждый приемник состоит из одного дифференциального усилителя и выходных эмиттерных повторителей. Дифференциальный усилитель микросхемы был использован в качестве входного амплитудного дискриминатора O1 (O2), выходной эмиттерный повторитель линейного приемника выполнял роль переключателя S1 (S2) (фиг. 1). В качестве выходного амплитудного дискриминатора O32 был использован один из линейных приемников микросхемы. Следующие пассивные элементы были использованы в схеме фиг. 3: C1 = 18 пФ, C2 = 24 пФ, R1 = 415 Ом, R2 = 544 Ом и R3 = 50 Ом. Постоянное напряжение источника U4 составляло 4.5 В. Сопротивление 30 Ом использовано в качестве источника постоянного напряжения U3 (см. фиг.3), обеспечивало порог срабатывания выходного амплитудного дискриминатора 150 мВ. Рабочий цикл ДДП полностью соответствовал приведенному выше описанию (фиг. 2a, b),
Измеренное временное гуляние ДДП при величинах порогов U1 = 30 мВ и U2 = 86 мВ для импульсов с фронтом нарастания 0.8 нс с генератора Г5-78 приведено на фиг. 4a. Величина временного гуляния не превышала 10 пс в интервале амплитуд входных импульсов от 0.2 до 1.5 В. Наблюдалось качественное согласие экспериментальной формы кривой временного гуляния ДДП с расчетной характеристикой для случая идеальных элементов схемы, для входного импульса вида U_i = U₀ · (1 - exp(-t/t₀)) (фиг. 4b), где U₀ - максимальная амплитуда входного импульса; t₀ - постоянная времени нарастания фронта импульса.

Прекрасное качество работы (точность временной привязки) осуществленного ДДП демонстрируется сравнением его временного гуляния (фиг. 4a) с гулянием амплитудного дискриминатора, выполненного на одном дифференциальном приемнике микросхемы К1500ЛП114 с одним постоянным порогом 30 мВ (фиг. 4c).

Временное гуляние ДДП не зависело от длительности входных импульсов t, по крайней мере для t больше 3 нс, что совпадает с его принципом работы. Из других характеристик ДДП отметим измеренную величину задержки схемы - 6 нс. Температурный коэффициент задержки ДДП, измеренный в температурном диапазоне от 15 до 35^oC, составил 0.7 пс/^oC.

Источники информации
1. Мелешко Е.А. Наносекундная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

2. IEEE Transaction on nuclear science, vol. 37, N 2, April 1990, 424 - 429.

3. Bernstein D. et al. Nucl. Instr. and Meth. A226 (1984), 301 - 318.

Формула изобретения

Амплитудный дискриминатор с двойным порогом, отличающийся тем, что он имеет схему автоматической компенсации, управляемую от двух входных амплитудных дискриминаторов с постоянными, но разными порогами U1, U2, и вырабатывающую точную временную привязку при срабатывании входных амплитудных дискриминаторов на фронте каждого входного импульса, которая состоит из двух заземленных источников напряжения U3, U4, при этом напряжение U3 больше U4, если порог U1 меньше порога U2 и напряжение U3 меньше U4, если порог U1 больше порога U2, каждый из них с помощью переключателей S1 и S2, управляемых от входных амплитудных дискриминаторов 01 и 02, подключен к одноименным цепям из параллельно соединенных емкости С1 и сопротивления R1 и цепи из параллельно соединенных емкости С2 и сопротивления R2, второй конец которых заземлен, и выходного амплитудного дискриминатора 03, два входа которого соединены с потенциальными концами емкостей С1 и С2, при этом величины порогов входных амплитудных дискриминаторов и величины элементов схемы автоматической компенсации должны удовлетворять условию U2/U1 = (C2 · R2) / (C1 · R1).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4