Экстрематор напряжения

 

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к измерениям пиковых (амплитудных) значений сигнала. Технический результат - повышение точности слежения за максимальным значением входного напряжения. Для достижения технического результата в устройство введены два устройства выборки-хранения (УВХ), усилитель, фазочувствительный выпрямитель, источник опорного напряжения и компаратор. При достижении входным напряжением максимального значения на каком-либо отрезке времени компаратор перебрасывается в противоположное состояние, чем обеспечивается фиксация времени достижения входным напряжением максимального значения. 4 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к измерениям пиковых (амплитудных) значений сигнала.

Известны экстрематоры для определения пиковых 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 с большим входным сопротивлением.

Известны также экстрематоры напряжения, 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 максиамальном значении, остается.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению является экстрематор напряжения, содержащий генератор прямоугольных импульсов, управляемый им ключ, усилитель и триггер (см. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях. - Киев.: Технiка, 1983. - С. 171-172). Такое устройство выбрано в качестве прототипа. С его помощью возможно обновление информации о максимальном напряжении, но имеется недостаток, заключающийся в том, что невозможно определение локального максимума напряжения, например, в моменты времени t₁, t₂, t₄ (фиг. 1а), поскольку прототип фиксирует только момент перехода напряжения через абсолютный максимум, когда после него наблюдается спад напряжения (например, момент времени ₃ на фиг. 1). Это приводит к снижению точности слежения за максимальным значением напряжения, что важно, например, при выделении низкочастотной составляющей модулированных по амплитуде сигналов.

Сущность изобретения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, что выражается в повышении точности слежения за максимальным значением напряжения за счет фиксации моментов его локальных максимумов.

Указанный технический результат достигается тем, что в экстрематоре напряжения, содержащем источник сигналов и генератор импульсов, особенность заключается в том, что источник сигнала соединен с входами первого и второго устройств выборки-хранения, причем выход генератора импульсов соединен с входом управления первого устройства выборки-хранения непосредственно, а с входом управления второго устройства выборки-хранения - через логический инвертор, выход первого устройства выборки-хранения подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя, а выход второго устройства выборки-хранения - к инвертирующему входу этого усилителя, выход которого через первый масштабный резистор подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а через второй масштабный резистор - к неинвертирующему входу этого же усилителя, который через ключ подсоединен к земляной шине, причем вход управления этого ключа подсоединен к выходу логического инвертора, инвертирующий вход операционного усилителя через третий масштабный резистор соединен с его же выходом, который подключен к инвертирующему входу компаратора напряжения, а к неинвертирующему входу компаратора подключен источник опорного напряжения положительной полярности.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, 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 изображены временные диаграммы напряжений, с помощью которых поясняется работа устройства; на фиг. 2 изображена схема устройства; на фиг. 3 изображена схема дифференциального усилителя; на фиг. 4 изображено устройство выборки-хранения (УВХ).

Устройство (фиг. 2) содержит источник сигнала 1; первое УВХ 2; второе УВХ 3; генератор импульсов 4; логический инвертор 5; первый дифференциальный усилитель 6; операционный усилитель 7; первый масштабный резистор 8; второй масштабный резистор 9; третий масштабный резистор 10; ключ 11; источник опорного напряжения 12; компаратор 13.

Экстрематор напряжения работает следующим образом.

Входное напряжение с источника 1 подается на входы первого УВХ 2 и второго УВХ 3. Частота тактовых импульсов генератора 4 выбирается намного больше частоты входного напряжения. С этого генератора напряжение подается на вход управления первого УВХ 2 непосредственно, а на вход управления второго УВХ 3 - через логический инвертор 5. Благодаря этому УВХ 2 и 3 работают в противофазе и УВХ 2 запоминает напряжение, например, в моменты времени t₁ и t₃, а УВХ 3 - в моменты времени t₂ и t₄ (фиг. 1в). Поэтому при возрастании или убывании входного напряжения в каждый такт, определяемый длительностью импульса генератора 4, ко входам дифференциального усилителя 6 приложено напряжение Δu_i = u_i - u_i+1, равное разности выходных напряжений обоих устройств выборки-хранения, определяемых в моменты времени t_i+1 и t_i (фиг. 1в). Полярность напряжения Δu_i меняется, поэтому напряжение на выходе усилителя 6 имеет прямоугольную форму и является переменным по знаку (фиг. 1г).

Дифференциальный усилитель 6 целесообразно выполнить на основе операционного усилителя (ОУ), причем коэффициент усиления K₆ такого усилителя определяется соотношением сопротивлений резисторов R₂ и R₁ (фиг. 3).

Узел на основе ОУ 7, ключа 11 и резисторов 8, 9, 10 является фазочувствительным выпрямителем и преобразует выходное напряжение усилителя 6 в напряжение одного знака: при разомкнутом ключе 11 этот узел является неинвертирующим усилителем с коэффициентом передачи, равным 1 (при равенстве сопротивлений масштабных резисторов 8, 9, 10), а при замкнутом ключе 11 - инвертирующим усилителем с коэффициентом передачи, равным -1. В итоге выходное напряжение ОУ 7 в i-й такт равно где K₆ - коэффициент усиления усилителя 6. Этот коэффициент, а также напряжение источника 12 выбираются такими, что при возрастании или убывании входного сигнала напряжение u₇ превышает постоянное напряжение положительной полярности U₀ источника 12 и компаратор 13 находится в нулевом состоянии. В точке максимума (локального или абсолютного (фиг. 1а) выходное напряжение обоих УВХ одинаково (моменты времени t_n и t_n+1 на фиг. 1в), выходное напряжение ОУ 7 становится меньше напряжения U₀ источника 12 и компаратор 13 изменяет свое состояние (фиг. 1б), т. е. переход компаратора в противоположное состояние соответствует экстремуму напряжения, причем производится слежение за этим значением.

Устройства выборки-хранения могут быть выполнены по известным схемам на основе ОУ, конденсатора и ключа, что показано на фиг. 4 Таким образом, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств. Также, устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Формула изобретения

Экстрематор напряжения, содержащий источник сигнала и генератор импульсов, отличающийся тем, что источник сигнала соединен с входами первого и второго устройства выборки-хранения, причем выход генератора импульсов соединен с входом управления первого устройства выборки-хранения непосредственно, а с входом управления второго устройства выборки-хранения - через логический инвертор, выход первого устройства выборки-хранения подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя, а выход второго устройства выборки-хранения - к инвертирующему входу этого усилителя, выход которого через первый масштабный резистор подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, а через второй масштабный резистор - к неинвертирующему входу этого же усилителя, который через ключ подсоединен к земляной шине, причем вход управления этого ключа подсоединен к выходу логического инвертора, инвертирующий вход операционного усилителя через третий масштабный резистор соединен с его же выходом, который подключен к инвертирующему входу компаратора напряжения, а к неинвертирующему входу компаратора подключен источник опорного напряжения положительной полярности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4