RU2761890C1 - Device for measuring peak values - Google Patents

Device for measuring peak values Download PDF

Info

Publication number
RU2761890C1
RU2761890C1 RU2020141878A RU2020141878A RU2761890C1 RU 2761890 C1 RU2761890 C1 RU 2761890C1 RU 2020141878 A RU2020141878 A RU 2020141878A RU 2020141878 A RU2020141878 A RU 2020141878A RU 2761890 C1 RU2761890 C1 RU 2761890C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resistor
output
operational amplifier
terminal
circuit
Prior art date
Application number
RU2020141878A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Иванович Гутников
Станислав Михайлович Крыжко
Лариса Анатольевна Пикаева
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2020141878A priority Critical patent/RU2761890C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2761890C1 publication Critical patent/RU2761890C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44Electric circuits

Abstract

FIELD: measuring technology.
SUBSTANCE: invention relates to measuring technology and physics and can be used to isolate and control short single pulses of certain amplitudes and durations against the background of random or periodic interference of longer duration, for example, in dosimetry, vibration measurement of shock processes, flaw detection. The device for measuring peak values contains a passive sensor, the first pin of which is connected to the input of the converter amplifier, the output of which is connected via a capacitor to the first pin of the first resistor, the output of the first operational amplifier is connected to the first pin of the first diode, the second pin of which is connected via a parallel serial RC circuit and the second resistor is connected to a common bus, to which the second pin of the passive sensor, the third and fourth resistors, the second diode, the second operational amplifier and a positive or negative voltage bus, according to the invention, an additional shock excitation circuit is introduced, the first pin of which is connected to a common bus, and the second pin is connected to the inverting input of the first operational amplifier, the output of which is connected to the third pin of the shock excitation circuit, and the non-inverting input is connected to the second pin of the first resistor and the first pin of the third resistor, the second pin of which is connected either to the non-inverting input of the second operational amplifier, or to the output and inverting input of the second operational amplifier, the non-inverting input of the second operational amplifier is connected through the fourth resistor to the positive or negative voltage bus and through the second diode to the common bus.
EFFECT: claimed invention is aimed at simplifying the design, increasing noise immunity and increasing speed.
2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и физике и может быть использовано для выделения и контроля коротких одиночных импульсов определенных амплитуд и длительностей на фоне случайных или периодических помех большей длительности, например, в дозиметрии, виброметрии ударных процессов, дефектоскопии.The invention relates to measuring technology and physics and can be used to isolate and control short single impulses of certain amplitudes and durations against the background of random or periodic interference of a longer duration, for example, in dosimetry, vibration vibrometry, and defectoscopy.

Известно устройство для измерения пиковых значений (см. ж. «Приборы и техника эксперимента» № 4, 1978 г., стр. 112, В.Г. Гольдорт и др.), содержащий пассивный датчик (приемник излучения), выполненный на фотоэлектронном умножителе (ФЭУ), выход которого подключен к неинвертирующему зарядочувствительному усилителю (ЗЧУ), выполненному на интегрирующем конденсаторе и истоковом повторителе, выход которого через первый аналоговый ключ подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к точке объединения анода диода, неинвертирующего входа второго операционного усилителя, первой обкладки первого конденсатора, входа второго аналогового ключа, выход которого подключен к общей шине, подключенной ко второй обкладке первого конденсатора, катод диода подключен к выходу первого операционного усилителя, инвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к точке объединения выхода пикового вольтметра, входа третьего аналогового ключа и первой обкладки второго конденсатора, вторая обкладка которого подключена к общей шине, выход третьего аналогового ключа подключен к выходу второго операционного усилителя, управляющие входы первого, третьего и второго ключа подключены соответственно к первому, второму, третьему выходам формирователя командных импульсов, вход которого подключен к шине запуска.A device for measuring peak values is known (see. "Instruments and experimental techniques" No. 4, 1978, p. 112, V.G. Goldort and others), containing a passive sensor (radiation receiver), made on a photomultiplier tube (PMT), the output of which is connected to a non-inverting charge-sensitive amplifier (PCA), made on an integrating capacitor and a source follower, the output of which through the first analog switch is connected to the non-inverting input of the first operational amplifier, the inverting input of which is connected to the combining point of the anode of the diode, the non-inverting input of the second operational amplifier, the first plate of the first capacitor, the input of the second analog switch, the output of which is connected to a common bus connected to the second plate of the first capacitor, the cathode of the diode is connected to the output of the first operational amplifier, the inverting input of the second operational amplifier is connected to the point of combining the output of the peak voltmeter, the input third analog key and p the first plate of the second capacitor, the second plate of which is connected to the common bus, the output of the third analog switch is connected to the output of the second operational amplifier, the control inputs of the first, third and second switches are connected respectively to the first, second, third outputs of the command pulse generator, the input of which is connected to the bus launch.

Недостатками устройства являются:The disadvantages of the device are:

1. Громоздкость из-за больших габаритов электровакуумного ФЭУ и элементов его защиты от механических нагрузок.1. Bulky due to the large dimensions of the electrovacuum photomultiplier and the elements of its protection from mechanical loads.

2. Хрупкость электровакуумного ФЭУ, не позволяющая работать в условиях высоких ударных нагружений.2. The fragility of the electrovacuum photomultiplier, which does not allow working under high shock loads.

3. Низкий коэффициент усиления следующих за ФЭУ каскадов, обуславливающий невозможность использования пассивных датчиков с низкой чувствительностью, например, фот одиодов, пьезо акселерометров и др., неразрушаемых при ударных нагружениях.3. Low gain of the stages following the PMT, which makes it impossible to use passive sensors with low sensitivity, for example, photodiodes, piezo accelerometers, etc., which are indestructible under shock loading.

4. Ограничение динамического диапазона сверху и снизу и пониженная помехоустойчивость из-за отсутствия сжатия выходной информации и отсутствия резонансной фильтрации низкочастотных помех от механических воздействий на ФЭУ, мешающих выделить короткие импульсы пассивного датчика излучения (фотоэлектронного умножителя).4. Limiting the dynamic range from above and below and reduced noise immunity due to the lack of compression of the output information and the absence of resonant filtering of low-frequency interference from mechanical influences on the PMT, which prevent the selection of short pulses of a passive radiation sensor (photomultiplier tube).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для измерения пиковых значений (см. патент RU № 2343429, приоритет от 16.04.2007, авторов Гутникова А.И., Гусева В.Е., МПК: G01J 1/44, опубл. 10.01.2009, Бюл. № 1), содержащее пассивный датчик, усилитель-преобразователь, одновибратор с управляющим входом, первый операционный усилитель, первый диод, второй диод, первый аналоговый ключ, второй операционный усилитель, первый резистор, последовательную RC-цепь, второй резистор, третий резистор, активный или пассивный Г-образный RC-фильтр верхних частот, второй аналоговый ключ, неинвертирующий операционный усилитель, шину опорного напряжения, третий операционный усилитель, восьмой, седьмой, шестой, пятый, четвертый резисторы, конденсатор, третий диод. Пассивный датчик подключен к усилителю-преобразователю. Выход первого операционного усилителя подключен к катоду первого диода и аноду второго диода, катод которого подключен к входу первого аналогового ключа, неинвертирующему входу второго операционного усилителя, первому выводу первого резистора и через последовательную RC-цепь к общей шине, к которой подключен выход первого аналогового ключа. Выход второго операционного усилителя через второй резистор подключен к аноду первого диода и инвертирующему входу первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к первому выводу третьего резистора. Управляющие входы первого и второго аналоговых ключей соответственно объединены и подключены к выходу одновибратора, выход усилителя-преобразователя подключен через активный или пассивный Г-образный RC-фильтр верхних частот ко второму выводу третьего резистора, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен через второй аналоговый ключ к общей шине. Шина опорного напряжения соединена с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого соединен с катодом третьего диода, анод которого соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя и через четвертый резистор с первым выводом конденсатора, с неинвертирующим входом неинвертирующего операционного усилителя и с первым выводом пятого резистора. Второй вывод пятого резистора соединен с первыми выводами шестого резистора и седьмого резистора и с выходом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом шестого резистора 21, второй вывод седьмого резистора соединен со вторым выводом первого резистора и через восьмой резистор с общей шиной, к которой подключен второй вывод конденсатора.The closest in technical essence to the claimed invention is a device for measuring peak values (see patent RU No. 2343429, priority dated 04.16.2007, authors Gutnikov A.I., Gusev V.E., IPC: G01J 1/44, publ. 10.01.2009, bull. No. 1), containing a passive sensor, an amplifier-converter, a one-shot with a control input, the first operational amplifier, the first diode, the second diode, the first analog switch, the second operational amplifier, the first resistor, a serial RC-circuit, the second resistor, third resistor, active or passive L-shaped RC high-pass filter, second analog switch, non-inverting operational amplifier, reference voltage bus, third operational amplifier, eighth, seventh, sixth, fifth, fourth resistors, capacitor, third diode. The passive sensor is connected to the amplifier-converter. The output of the first operational amplifier is connected to the cathode of the first diode and the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the input of the first analog switch, the non-inverting input of the second operational amplifier, the first terminal of the first resistor and through a serial RC circuit to the common bus to which the output of the first analog switch is connected ... The output of the second operational amplifier through the second resistor is connected to the anode of the first diode and the inverting input of the first operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the first terminal of the third resistor. The control inputs of the first and second analog switches are respectively combined and connected to the output of the one-shot, the output of the amplifier-converter is connected through an active or passive L-shaped RC high-pass filter to the second terminal of the third resistor, the non-inverting input of the first operational amplifier is connected through the second analog switch to the common bus. The reference voltage bus is connected to the non-inverting input of the third operational amplifier, the output of which is connected to the cathode of the third diode, the anode of which is connected to the inverting input of the third operational amplifier and through the fourth resistor to the first terminal of the capacitor, to the non-inverting input of the non-inverting operational amplifier and to the first terminal of the fifth resistor. The second terminal of the fifth resistor is connected to the first terminals of the sixth resistor and the seventh resistor and to the output of the second operational amplifier, the inverting input of which is connected to the second terminal of the sixth resistor 21, the second terminal of the seventh resistor is connected to the second terminal of the first resistor and through the eighth resistor with a common bus, to which is connected to the second terminal of the capacitor.

Недостатками устройства являются:The disadvantages of the device are:

- сложность из-за наличия дополнительного усилителя и кусочно-линейного аппроксиматора;- complexity due to the presence of an additional amplifier and a piecewise linear approximator;

- низкая помехоустойчивость за счет низкого (не более 1) коэффициента усиления не резонансного Г-образного фильтра верхних частот, не обеспечивающего избирание полезного сигнала определенной длительности на фоне больших периодических (случайных) помех более низких частот;- low noise immunity due to the low (no more than 1) gain of the non-resonant L-shaped high-pass filter, which does not ensure the selection of a useful signal of a certain duration against the background of large periodic (random) interference of lower frequencies;

- низкое быстродействие за счет полностью запертого в исходном состояний диода пикового детектора, не обеспечивающего требуемое быстродействие пикового детектора за счет наличия высокоомной «пятки» диода (несколько МОм) в начальный момент заряда через этот диод запоминающего амплитуду сигнала конденсатора последовательной RC-цепи. Низкое быстродействие за счет отсутствия расширения входного импульса резонансным контуром ударного возбуждения.- low performance due to the peak detector diode completely locked in the initial states, which does not provide the required performance of the peak detector due to the presence of a high-resistance "heel" of the diode (several megohms) at the initial moment of charging through this diode of the serial RC-circuit capacitor that stores the signal amplitude. Low speed due to the lack of expansion of the input pulse by the resonant circuit of shock excitation.

Технической проблемой является создание упрощенного устройства для измерения пиковых значений, обладающего повышенной помехоустойчивостью и повышенным быстродействием.A technical problem is the creation of a simplified device for measuring peak values, which has increased noise immunity and increased speed.

Технические результаты, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в упрощении, повышении помехоустойчивости и повышении быстродействия.The technical results to be achieved by the claimed invention are to simplify, increase noise immunity and improve performance.

Данные технические результаты достигаются тем, что в устройстве для измерения пиковых значений, содержащем пассивный датчик, первый вывод которого подключен к входу усилителя-преобразователя, выход которого подключен через конденсатор к первому выводу первого резистора, выход первого операционного усилителя подключен к первому выводу первого диода, второй вывод которого через параллельно соединенные последовательную RC-цепь и второй резистор подключен к общей шине, к которой подключен второй вывод пассивного датчика, третий и четвертый резисторы, второй диод, второй операционный усилитель и шину положительного или отрицательного напряжения, новым является то, что дополнительно введен контур ударного возбуждения, первый вывод которого подключен к общей шине, а второй вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен с третьим выводом контура ударного возбуждения, а неинвертирующий вход соединен со вторым выводом первого резистора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен либо с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, либо с выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через четвертый резистор подключен к шине положительного или отрицательного напряжения и через второй диод к общей шине.These technical results are achieved by the fact that in a device for measuring peak values containing a passive sensor, the first terminal of which is connected to the input of the amplifier-converter, the output of which is connected through a capacitor to the first terminal of the first resistor, the output of the first operational amplifier is connected to the first terminal of the first diode, the second terminal of which is connected to a common bus through parallel-connected serial RC-circuit and the second resistor, to which the second terminal of the passive sensor, the third and fourth resistors, the second diode, the second operational amplifier and the bus of positive or negative voltage are connected, new is that in addition a shock excitation circuit is introduced, the first output of which is connected to the common bus, and the second output is connected to the inverting input of the first operational amplifier, the output of which is connected to the third output of the shock excitation circuit, and the non-inverting input is connected to the second output of the first resistor and the first output One of the third resistor, the second terminal of which is connected either to the non-inverting input of the second operational amplifier, or to the output and inverting input of the second operational amplifier, the non-inverting input of the second operational amplifier through the fourth resistor is connected to the positive or negative voltage bus and through the second diode to the common bus.

Применение контура ударного возбуждения в цепи отрицательной обратной связи первого операционного усилителя образует резонансный усилитель ударного возбуждения и обеспечивает дополнительную функцию усиления, что позволяет исключить применение дополнительного усилителя и кусочно-линейного аппроксиматора, как в наиболее близком аналоге, что упрощает схему устройства. Образованный резонансный усилитель ударного возбуждения обеспечивает селекцию импульсов определенных длительностей и амплитуд и повышает быстродействие, т.к. более чувствителен к коротким импульсам, возбуждающим контур ударного возбуждения. Так же образованный резонансный усилитель ударного возбуждения обеспечивает избирание полезного сигнала определенных длительностей и амплитуд на фоне больших периодических (случайных) помех более низкой частоты, чем в длительностях входных импульсов, что повышает помехоустойчивость.The use of a shock excitation circuit in the negative feedback circuit of the first operational amplifier forms a resonant shock excitation amplifier and provides an additional amplification function, which makes it possible to exclude the use of an additional amplifier and a piecewise linear approximator, as in the closest analogue, which simplifies the device circuit. The formed resonant amplifier of shock excitation ensures the selection of pulses of certain durations and amplitudes and increases the response speed, since more sensitive to short impulses that excite the shock excitation circuit. Also, the formed resonant amplifier of shock excitation ensures the selection of a useful signal of certain durations and amplitudes against the background of large periodic (random) interference of a lower frequency than in the duration of the input pulses, which increases noise immunity.

Кроме того, повышение быстродействия достигается также за счет того, что второй диод обеспечивает приоткрывание первого диода, обеспечивающего максимальное быстродействие пикового детектора на первом диоде и последовательной RC-цепи за счет исключения высокоомной «пятки» первого диода (несколько МОм) в начальный момент заряда через первый диод запоминающего амплитуду сигнала конденсатора последовательной RC-цепи.In addition, an increase in the speed of response is also achieved due to the fact that the second diode opens the first diode, which ensures the maximum speed of the peak detector on the first diode and the series RC circuit by eliminating the high-resistance "heel" of the first diode (several MΩ) at the initial moment of charging through the first diode for storing the signal amplitude of the capacitor of the series RC-circuit.

Усилитель-преобразователь (фототока или заряда пассивного датчика в напряжение) обеспечивает стандартное преобразование заряда пассивного датчика в напряжение и выполнен на операционном усилителе, интегрирующей RC-цепи и разделительном конденсаторе, первый вывод которого является входом усилителя-преобразователя, а второй вывод соединен с входом интегрирующей RC-цепи и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход соединен с выходом интегрирующей RC-цепи и является выходом усилителя-преобразователя. Разделительный конденсатор на входе усилителя-преобразователя обеспечивает исключение влияния постоянной составляющей сигнала пассивного датчика, что повышает помехоустойчивость устройства в целом.The amplifier-converter (photocurrent or charge of a passive sensor into a voltage) provides a standard conversion of the charge of a passive sensor into a voltage and is made on an operational amplifier, an integrating RC circuit and a blocking capacitor, the first terminal of which is the input of the amplifier-converter, and the second terminal is connected to the input of the integrating RC-circuit and the inverting input of the operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the common bus, and the output is connected to the output of the integrating RC-circuit and is the output of the amplifier-converter. The blocking capacitor at the input of the amplifier-converter eliminates the influence of the constant component of the passive sensor signal, which increases the noise immunity of the device as a whole.

Контур ударного возбуждения выполнен на последовательно соединенных конденсаторе, индуктивности и резисторе, второй вывод которого является третьим выводом контура ударного возбуждения, вторым выводом которого является точка объединения резистора и индуктивности, второй вывод конденсатора является первым выводом контура ударного возбуждения. Данное выполнение контура ударного возбуждения, включенного в цепь отрицательной обратной связи первого операционного усилителя, обеспечивает максимальное достижение технических результатов, на выполнение которых направлено предлагаемое устройство. При этом требуется катушка индуктивности больших габаритов.The shock excitation circuit is made on a series-connected capacitor, an inductance and a resistor, the second terminal of which is the third terminal of the shock excitation circuit, the second terminal of which is the point of combining the resistor and inductance, the second terminal of the capacitor is the first terminal of the shock excitation circuit. This implementation of the shock excitation circuit included in the negative feedback circuit of the first operational amplifier ensures the maximum achievement of the technical results, the implementation of which is aimed at the proposed device. This requires a large inductor.

Контур ударного возбуждения выполнен на первом, втором, третьем и четвертом резисторах, первом, втором, третьем и четвертом конденсаторах, первый вывод первого конденсатора является первым выводом контура ударного возбуждения, точка объединения первого и второго резисторов является вторым выводом контура ударного возбуждения и соединена с первым выводом второго конденсатора, точка объединения третьих конденсатора и резистора является третьим выводом контура ударного возбуждения, точка объединения вторых выводов второго и третьего резисторов подключена к общей шине, к которой через четвертый резистор подключена точка объединения вторых выводов второго и третьего конденсатора, второй вывод первого конденсатора соединен со вторым выводом первого резистора. Данное выполнение контура ударного возбуждения, включенного в цепь отрицательной обратной связи первого операционного усилителя, обеспечивает достижение технических результатов, на выполнение которых направлено предлагаемое устройство. При этом исключается катушка индуктивности больших габаритов.The shock excitation circuit is made on the first, second, third and fourth resistors, the first, second, third and fourth capacitors, the first terminal of the first capacitor is the first terminal of the shock excitation circuit, the combining point of the first and second resistors is the second terminal of the shock excitation circuit and is connected to the first the terminal of the second capacitor, the combining point of the third capacitor and the resistor is the third terminal of the shock excitation circuit, the combining point of the second terminals of the second and third resistors is connected to a common bus, to which the combining point of the second terminals of the second and third capacitors is connected through the fourth resistor, the second terminal of the first capacitor is connected with the second terminal of the first resistor. This implementation of the shock excitation circuit included in the negative feedback circuit of the first operational amplifier ensures the achievement of technical results, the implementation of which is aimed at the proposed device. This eliminates a large inductor.

На фиг. 1 а) представлен вариант схемы заявленного устройства для измерения пиковых значений, выполненный с пассивным датчиком на фотодиоде и его конденсаторе и резисторе, и выполненный на RLC-контуре ударного возбуждения. На фиг. 1 б) представлен пассивный датчик на пьезоакселерометре (как известно, пьезоакселерометр содержит источники сигнального и помехового токов, эквивалентные емкость и сопротивление). На фиг. 1 в) представлен RC-контур ударного возбуждения, выполненный на двойном Т-образном мосте.FIG. 1 a) shows a variant of the circuit of the claimed device for measuring peak values, made with a passive sensor on a photodiode and its capacitor and resistor, and made on the RLC-circuit of shock excitation. FIG. 1 b) shows a passive sensor on a piezoaccelerometer (as you know, a piezoaccelerometer contains sources of signal and noise currents, equivalent capacitance and resistance). FIG. 1c) shows the RC circuit of shock excitation, made on a double T-shaped bridge.

На фиг. 2 приведен сигнал Uвых на нагрузке 9 устройства при сигнале пассивного датчика 1 амплитудой 1 мкА, длительностью 0,25 мкс и наложенной синусоидальной помехе. При этом положение полезного сигнала пассивного датчика 1 относительно помехи произвольно (фиг. 2 а), 2 б), 2 в)). На фиг. 2 г) представлена зависимость выходного сигнала устройства от сигнала пассивного датчика 1 амплитудой 1 мкА и длительностью 0,25 мкс без помехи. Анализ диаграмм (фиг. 2 а), 2 б), 2 в)) показал, что после обработки сигнала и помехи RLC- или RC-контуром ударного возбуждения величина выходного сигнала Uвых не зависит от уровня и местоположения помехи, а зависит от амплитуды входного тока Iвх и длительности сигнала t.FIG. 2 shows the signal Uout at the load 9 of the device with the signal of the passive sensor 1 with an amplitude of 1 μA, duration of 0.25 μs and superimposed sinusoidal interference. In this case, the position of the useful signal of the passive sensor 1 relative to the interference is arbitrary (Fig. 2 a), 2 b), 2 c)). FIG. 2d) shows the dependence of the output signal of the device on the signal of the passive sensor 1 with an amplitude of 1 μA and a duration of 0.25 μs without interference. An analysis of the diagrams (Fig. 2 a), 2 b), 2 c)) showed that after processing the signal and interference with the RLC or RC circuit of shock excitation, the value of the output signal Uout does not depend on the level and location of the interference, but depends on the amplitude of the input current Iin and signal duration t.

На фиг. 3 приведена зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 амплитудой 2 мкА и длительностями t (0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5) мкс.FIG. 3 shows the dependence of the signal Uout at the load 9 of the device on the signal of the passive sensor 1 with an amplitude of 2 μA and durations t (0.1; 0.25; 0.5; 1.0; 1.5) μs.

Анализ диаграмм (фиг. 3) показал, что величина сигнала Uвых на нагрузке 9 пропорционально зависит от длительности сигнала t.Analysis of the diagrams (Fig. 3) showed that the value of the signal Uout at the load 9 proportionally depends on the duration of the signal t.

На фиг. 4 приведена зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 длительностью 1 мкс и амплитудой А (1…31) мкА.FIG. 4 shows the dependence of the signal Uout at the load 9 of the device on the signal of the passive sensor 1 with a duration of 1 μs and an amplitude A (1 ... 31) μA.

Анализ диаграмм (фиг. 4) показал, что величина сигнала Uвых на нагрузке 9 пропорционально зависит от амплитуды сигнала Iвх.Analysis of the diagrams (Fig. 4) showed that the value of the signal Uout at the load 9 proportionally depends on the amplitude of the signal Iin.

На фиг. 5 а) доказана линейно пропорциональная зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 при его длительности 1 мкс.FIG. 5 a) a linearly proportional dependence of the signal Uout at the load 9 of the device on the signal of the passive sensor 1 with its duration of 1 μs is proved.

На фиг. 5 б) доказана линейно пропорциональная зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от длительности импульса тока пассивного датчика 1 при его амплитуде 2 мкА.FIG. 5 b) a linearly proportional dependence of the signal Uout at the load 9 of the device on the duration of the current pulse of the passive sensor 1 with its amplitude of 2 μA is proved.

Устройство для измерения пиковых значений (фиг. 1 а)) содержит пассивный датчик 1, усилитель-преобразователь 2, первый 3 и второй 4 операционные усилители, первый 5 и второй 6 диоды, конденсатор 7, первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 резисторы, последовательную RC-цепь 12, контур 13 ударного возбуждения, шину 14 положительного или отрицательного напряжения.The device for measuring peak values (Fig. 1 a)) contains a passive sensor 1, an amplifier-converter 2, the first 3 and second 4 operational amplifiers, the first 5 and second 6 diodes, a capacitor 7, the first 8, the second 9, the third 10 and the fourth 11 resistors, serial RC-circuit 12, shock excitation circuit 13, bus 14 of positive or negative voltage.

Первый вывод пассивного датчика 1 подключен к входу усилителя-преобразователя 2, выход которого подключен через конденсатор 7 к первому выводу первого резистора 8. Выход первого операционного усилителя 3 подключен к аноду (первому выводу) первого диода 5 и третьему выводу контура 13 ударного возбуждения. Катод (второй вывод) первого диода 5 через параллельно соединенные последовательную RC-цепь 12 и второй резистор 9 подключен к общей шине, к которой подключен второй вывод пассивного датчика 1. Первый вывод контура 13 ударного возбуждения подключен к общей шине, а второй вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 3. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя 3 соединен со вторым выводом первого резистора 8 и первым выводом третьего резистора 10. Второй вывод третьего резистора 10 посредством условного ключа 15 соединен либо с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 4, либо с выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя 4. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 4 через четвертый резистор 11 подключен к шине 14 положительного или отрицательного напряжения и через второй диод 6 к общей шине.The first terminal of the passive sensor 1 is connected to the input of the amplifier-converter 2, the output of which is connected through the capacitor 7 to the first terminal of the first resistor 8. The output of the first operational amplifier 3 is connected to the anode (first terminal) of the first diode 5 and the third terminal of the shock excitation circuit 13. The cathode (second terminal) of the first diode 5 through parallel-connected serial RC-circuit 12 and the second resistor 9 is connected to the common bus, to which the second terminal of the passive sensor 1 is connected. The first terminal of the shock excitation circuit 13 is connected to the common bus, and the second terminal is connected to inverting input of the first operational amplifier 3. The non-inverting input of the first operational amplifier 3 is connected to the second terminal of the first resistor 8 and the first terminal of the third resistor 10. The second terminal of the third resistor 10 is connected by means of a conventional key 15 either to the non-inverting input of the second operational amplifier 4, or to the output and the inverting input of the second operational amplifier 4. The non-inverting input of the second operational amplifier 4 through the fourth resistor 11 is connected to the bus 14 of positive or negative voltage and through the second diode 6 to the common bus.

Усилитель-преобразователь 2 включает операционный усилитель 16, интегрирующую RC-цепь (параллельно соединенные резистор 17 и конденсатор 18) и конденсатор 19. Первый вывод конденсатора 19 является входом усилителя-преобразователя 2, а второй вывод соединен с входом интегрирующей RC-цепи 17, 18 и инвертирующим входом операционного усилителя 16. Неинвертирующий вход операционного усилителя 16 соединен с общей шиной, а выход соединен с выходом интегрирующей RC-цепи 17, 18 и является выходом усилителя-преобразователя 2. Инвертирующий усилитель-преобразователь 2 обеспечивает согласование с пассивным датчиком 1, имеющим существенную емкостную составляющую в выходном сопротивлении. Он преобразует импульс фототока пассивного датчика 1 в импульс напряжения с коэффициентом усиления не более единицы.The amplifier-converter 2 includes an operational amplifier 16 integrating an RC-circuit (resistor 17 and capacitor 18 connected in parallel) and a capacitor 19. The first terminal of the capacitor 19 is the input of the amplifier-converter 2, and the second terminal is connected to the input of the integrating RC-circuit 17, 18 and the inverting input of the operational amplifier 16. The non-inverting input of the operational amplifier 16 is connected to the common bus, and the output is connected to the output of the integrating RC circuit 17, 18 and is the output of the amplifier-converter 2. The inverting amplifier-converter 2 provides matching with the passive sensor 1 having a significant capacitive component in the output impedance. It converts the photocurrent pulse of the passive sensor 1 into a voltage pulse with a gain of not more than unity.

Пассивный датчик 1 выполнен на параллельно включенных фотодиоде 20 в режиме с обратным смещением, его эквивалентной емкости 21 и нагрузочном резисторе 22, первые выводы которых являются первым выводом пассивного датчика 1, вторые выводы являются вторым выводом пассивного датчика 1.The passive sensor 1 is made on the parallel connected photodiode 20 in the reverse bias mode, its equivalent capacitance 21 and the load resistor 22, the first leads of which are the first lead of the passive sensor 1, the second leads are the second lead of the passive sensor 1.

Для положительного сигнала на выходе устройства полярность включения первого 5 и второго 6 диодов показана на фиг. 1 а), для отрицательного сигнала полярность первого 5 и второго 6 диодов следует изменить на противоположную ((на фиг. 1 а) не показано).For a positive signal at the output of the device, the polarity of switching on the first 5 and second 6 diodes is shown in FIG. 1 a), for a negative signal the polarity of the first 5 and second 6 diodes should be reversed ((not shown in Fig. 1 a)).

Пассивный датчик по фиг. 1 б) выполнен на пьезоакселерометре 23, первый вывод которого является первым выводом пассивного датчика 1, второй вывод пьезоакселерометра 23 является вторым выводом пассивного датчика 1.The passive sensor of FIG. 1 b) is made on a piezoaccelerometer 23, the first output of which is the first output of the passive sensor 1, the second output of the piezoaccelerometer 23 is the second output of the passive sensor 1.

Пассивный датчик 1 генерирует заряд в виде коротких одиночных импульсов фототока амплитудой от 1 до 31 мкА и длительностью от 0,125 до 1,5 мкс с наложенной низкочастотной (до 100 кГц) периодической или случайной помехой.Passive sensor 1 generates a charge in the form of short single pulses of photocurrent with amplitude from 1 to 31 μA and duration from 0.125 to 1.5 μs with superimposed low-frequency (up to 100 kHz) periodic or random interference.

Контур 13 ударного возбуждения по фиг. 1 а) выполнен на последовательно соединенных конденсаторе 24, индуктивности 25 и резисторе 26, второй вывод которого является третьим выводом контура 13 ударного возбуждения, вторым выводом которого является точка объединения резистора 26 и индуктивности 25, второй вывод конденсатора 24 является первым выводом контура 13 ударного возбуждения.Impact drive circuit 13 of FIG. 1 a) is made on a series-connected capacitor 24, an inductance 25 and a resistor 26, the second terminal of which is the third terminal of the shock excitation circuit 13, the second terminal of which is the point of combining the resistor 26 and the inductance 25, the second terminal of the capacitor 24 is the first terminal of the shock excitation circuit 13 ...

Без индуктивный контур 13 ударного возбуждения по фиг, 1 в) содержит первый 27, второй 28, третий 29 и четвертый 30 резисторы, первый 31, второй 32, третий 33 и четвертый 34 конденсаторы. Первый вывод первого конденсатора 31 является первым выводом контура 13 ударного возбуждения, точка объединения первого 27 и второго 28 резисторов является вторым выводом контура 13 ударного возбуждения и соединена с первым выводом второго конденсатора 32. Точка объединения третьих конденсатора 33 и резистора 29 является третьим выводом контура 13 ударного возбуждения. Точка объединения вторых выводов второго 28 и третьего 29 резисторов через четвертый конденсатор 34 подключена к общей шине, к которой через четвертый резистор 30 подключена точка объединения вторых выводов второго 32 и третьего 33 конденсатора, второй вывод первого конденсатора 31 соединен со вторым выводом первого резистора 27.Without the inductive circuit 13 of the shock excitation of FIG. 1 c) contains the first 27, the second 28, the third 29 and the fourth 30 resistors, the first 31, the second 32, the third 33 and the fourth 34 capacitors. The first terminal of the first capacitor 31 is the first terminal of the shock driving circuit 13, the point of combining the first 27 and the second 28 resistors is the second terminal of the shock driving circuit 13 and is connected to the first terminal of the second capacitor 32. The combining point of the third capacitor 33 and the resistor 29 is the third terminal of the circuit 13 shock excitation. The point of combining the second terminals of the second 28 and third 29 resistors through the fourth capacitor 34 is connected to the common bus, to which the point of combining the second terminals of the second 32 and third 33 capacitors is connected through the fourth resistor 30, the second terminal of the first capacitor 31 is connected to the second terminal of the first resistor 27.

Последовательно соединенные конденсатор 7, первый 8 и третий 10 резисторы образуют дифференцирующую цепь и в то же время первый 8 и третий 10 резисторы являются неотъемлемым по функции избирательности элементом резонансного усилителя с большим усилением, выполненного на неинвертирующем первом операционном усилителе 3 с контуром 13 ударного возбуждения. Резонансный усилитель, обладая резонансной характеристикой за счет контура 13 ударного возбуждения, и в совокупности с дифференцирующей цепью обеспечивает большое усиление (выделение) полезного сигнала определенной длительности и амплитуды (заданного коротким импульсом фототока) порядка 40 дБ и существенное ослабление периодической или случайной низкочастотной помехи (до 100 кГц).The series-connected capacitor 7, the first 8 and the third 10 resistors form a differentiating circuit, and at the same time, the first 8 and third 10 resistors are an integral element in terms of the selectivity function of a resonant amplifier with high gain, made on a non-inverting first operational amplifier 3 with a shock excitation circuit 13. The resonant amplifier, having a resonant characteristic due to the shock excitation circuit 13, and in combination with a differentiating circuit, provides a large amplification (selection) of a useful signal of a certain duration and amplitude (given by a short photocurrent pulse) of the order of 40 dB and a significant attenuation of periodic or random low-frequency interference (up to 100 kHz).

Четвертый резистор 11, второй диод 6 и шина положительного или отрицательного напряжения 14 образуют цепь смещения нуля на выходе первого операционного усилителя (ОУ) 3 непосредственно или через второй ОУ 4, устанавливающую с помощью прямосмещенного второго диода 6 первый диод 5 в полуоткрытое состояние, чем достигается термокомпенсация характеристик первого 5 и второго 6 диодов при близких токах через четвертый 11 и второй 9 резисторы и повышенное быстродействие заявленного устройства в целом за счет исключения высокоомной диодной «пятки», препятствующей быстрому заряду конденсатора 35 последовательной RC-цепи 12. За счет этого обеспечено повышенное быстродействие, т.е. способность выделения более коротких импульсов пассивного датчика 1 на фоне помех. При отсутствии повторителя напряжения 4 ток через четвертый резистор 11 должен быть выбран много большим, чем ток через второй резистор 9, чтобы не влиять на дифференцирующую цепь, выполненную на последовательно соединенных конденсаторе 7, резисторах 8, 10. За счет этого температурный коэффициент (ТКН) второго диода 6 больше ТКН первого диода 5, и в статическом состоянии (без входного сигнала) на выходе устройства имеется зависимое от температуры начальное напряжение смещения нуля, которое может быть использовано при необходимости как дополнительная функция контроля температуры до срабатывания пассивного датчика 1 (фотодиода).The fourth resistor 11, the second diode 6 and the bus of positive or negative voltage 14 form a zero bias circuit at the output of the first operational amplifier (OA) 3 directly or through the second OA 4, which sets the first diode 5 to a half-open state using the forward-biased second diode 6, which is achieved thermal compensation of the characteristics of the first 5 and second 6 diodes at close currents through the fourth 11 and second 9 resistors and the increased speed of the claimed device as a whole due to the elimination of the high-resistance diode "heel", which prevents the fast charging of the capacitor 35 of the series RC-circuit 12. Due to this, an increased speed, i.e. the ability to isolate shorter pulses of passive sensor 1 against the background of interference. In the absence of a voltage follower 4, the current through the fourth resistor 11 should be chosen much higher than the current through the second resistor 9, so as not to affect the differentiating circuit made on the series-connected capacitor 7, resistors 8, 10. Due to this, the temperature coefficient (TKN) of the second diode 6 is greater than the TKN of the first diode 5, and in a static state (without an input signal) at the output of the device there is a temperature-dependent initial zero bias voltage, which can be used, if necessary, as an additional function of temperature control until the passive sensor 1 (photodiode) is triggered.

За счет высокого коэффициента усиления полезного сигнала при резонансе не требуется включение дополнительного усилителя и кусочно-линейного аппроксиматора, использованных в наиболее близком аналоге, чем достигается упрощение.Due to the high gain of the useful signal at resonance, the inclusion of an additional amplifier and piecewise linear approximator, used in the closest analogue, is not required, thereby simplification is achieved.

Схема с RLC- или RC-контуром 13 ударного возбуждения, обладая высокой избирательностью (помехозащищенностью) и усилением, позволяет обрабатывать малые токи и длительности импульсов пассивных датчиков 1. Например, для пассивного датчика 1 на фотодиоде обрабатываются токи с одного мкА до десятков мкА с различением длительностей импульсов от 0,125 до 1,5 мкс (до 1 мкс линейная зависимость). При этом регулировка усиления осуществляется выбором соотношения первого 8 и третьего 10 резисторов. При необходимости вместо первого 8 и третьего 10 резисторов может быть использован управляемый цифровой потенциометр, плечами которого являются первый 8 и третий 10 резисторы.A circuit with an RLC or RC circuit 13 of shock excitation, having high selectivity (noise immunity) and amplification, makes it possible to process small currents and pulse durations of passive sensors 1. For example, for a passive sensor 1, currents from one μA to tens of μA are processed on a photodiode with discrimination pulse durations from 0.125 to 1.5 μs (linear dependence up to 1 μs). In this case, the gain is adjusted by choosing the ratio of the first 8 and third 10 resistors. If necessary, instead of the first 8 and third 10 resistors, a controlled digital potentiometer can be used, the arms of which are the first 8 and third 10 resistors.

Ток, протекающий через открытый второй диод 6, выбирается при помощи четвертого резистора 11. При равенстве токов первого 5 и второго 6 диодов и включенном повторителе напряжения 4 обеспечивается термокомпенсация и малое напряжение смешения нуля. При большом токе второго диода 6 на выходе устройства большее напряжение смешения нуля (около 0,6 В), зависимое от температуры с ТКН второго диода 6 около 2 мВ/°С.The current flowing through the open second diode 6 is selected using the fourth resistor 11. When the currents of the first 5 and second 6 diodes are equal and the voltage follower 4 is turned on, thermal compensation and a low zero mixing voltage are provided. With a large current of the second diode 6 at the output of the device, there is a higher zero mixing voltage (about 0.6 V), depending on the temperature with the TKN of the second diode 6, about 2 mV / ° C.

Устройство для измерения пиковых значений работает следующим образом.The device for measuring peak values works as follows.

В исходном статическом состоянии сигнал на выходе пассивного датчика (фотодиода) 1 отсутствует, на выходе усилителя-преобразователя 2 также нулевой сигнал. На аноде прямосмещенного напряжением с шины положительного или отрицательного напряжения 14 диода 6 присутствует напряжение (как с повторителем напряжения 4, так и без него), равное 650 мВ. Это напряжение повторяется на выходе первого ОУ 3. На катоде первого диода 5 напряжение около 250 мВ, зависящее от тока через второй диод 6 при выборе четвертого резистора 11 и второго резистора 9.In the initial static state, the signal at the output of the passive sensor (photodiode) 1 is absent, and at the output of the amplifier-converter 2 there is also a zero signal. At the anode of the forward-biased voltage from the bus of positive or negative voltage 14 of diode 6, there is a voltage (both with and without voltage follower 4), equal to 650 mV. This voltage is repeated at the output of the first op-amp 3. At the cathode of the first diode 5, the voltage is about 250 mV, depending on the current through the second diode 6 when the fourth resistor 11 and the second resistor 9 are selected.

При коротком импульсе тока с пассивного датчика 1 определенной длительности и амплитуды на выходе усилителя-преобразователя 2 появляется эквивалентный импульс напряжения, поступающий через дифференцирующую цепь на конденсаторе 7 первом 8 и третьем 10 резисторах на вход резонансного неинвертирующего усилителя на первом ОУ 3 с RLC-контуром 13 ударного возбуждения в цепи его отрицательной обратной связи.With a short current pulse from a passive sensor 1 of a certain duration and amplitude, an equivalent voltage pulse appears at the output of the amplifier-converter 2, coming through the differentiating circuit on the capacitor 7 to the first 8 and third 10 resistors to the input of the resonant non-inverting amplifier on the first op-amp 3 with an RLC circuit 13 shock excitation in its negative feedback circuit.

Начальная фаза напряжения в момент поступления импульса с усилителя-преобразователя 2, возникающего на RLC-контуре 13 ударного возбуждения, совпадает с фазой входного импульса на дифференцирующей цепи, т.к. резонансный усилитель на первом ОУ 3 неинвертирующий. В момент окончания входного импульса с пассивного датчика 1 сигнал на выходе усилителя-преобразователя 2 также отсутствует, а на LC-цепи RLC-контура 13 ударного возбуждения и выходе первого ОУ 3 за счет запасенной индуктивностью 25 энергии продолжаются затухающие колебания, интенсивность (амплитуда и длительность) которых зависит от начальных условий, последние определяются током в LC-цепи RLC-контура 13 ударного возбуждения в момент окончания входного импульса.The initial phase of the voltage at the moment the pulse arrives from the amplifier-converter 2, which appears on the RLC circuit 13 of the shock excitation, coincides with the phase of the input pulse on the differentiating circuit, since the resonant amplifier on the first op-amp 3 is non-inverting. At the time of the end of the input pulse from the passive sensor 1, the signal at the output of the amplifier-converter 2 is also absent, and on the LC circuit of the RLC circuit 13 of shock excitation and the output of the first op-amp 3 due to the stored energy of the inductance 25, damped oscillations continue, the intensity (amplitude and duration ) which depends on the initial conditions, the latter are determined by the current in the LC circuit of the RLC circuit 13 of the shock excitation at the end of the input pulse.

Амплитуда первого (после воздействия входного импульса) полу периода напряжения на выходе первого ОУ 3 имеет максимальное значение, если длительность входного импульса с усилителя-преобразователя 2 удовлетворяет условию: t=0,5T0, где Т0 - период свободных (затухающих) колебаний в RLC-контуре 13 ударного возбуждения на конденсаторе 24, индуктивности 25, резисторе 26, и первом ОУ 3. При уменьшении длительности t до величины 0,051Т0 (в 10 раз) пропорционально уменьшается максимальное значение амплитуды колебательного напряжения на выходе первого ОУ 3. Если длительность t постоянна, а амплитуда возбуждающего импульса пассивного датчика 1 и усилителя-преобразователя 2 растет, то также пропорционально растет максимальная амплитуда колебаний на выходе неинвертирующего резонансного усилителя на ОУ 3 с RLC-контуром 13 ударного возбуждения в его цепи отрицательной обратной связи. Т.е. устройство в целом является как селектором импульсов из диапазона известных длительностей при постоянной амплитуде, так и селектором импульсов из диапазона известных амплитуд при их постоянной длительности t (см. фиг. 2 - фиг. 5).The amplitude of the first (after exposure to the input pulse) half voltage period at the output of the first op-amp 3 has a maximum value if the duration of the input pulse from the amplifier-converter 2 satisfies the condition: t = 0.5T 0 , where T 0 is the period of free (damped) oscillations in RLC-circuit 13 of shock excitation on the capacitor 24, inductance 25, resistor 26, and the first op-amp 3. When the duration of t decreases to 0.051T 0 (10 times), the maximum value of the amplitude of the oscillatory voltage at the output of the first op-amp 3. If the duration t is constant, and the amplitude of the exciting pulse of the passive sensor 1 and the amplifier-converter 2 increases, then the maximum oscillation amplitude at the output of the non-inverting resonant amplifier on the op-amp 3 with the RLC circuit 13 of shock excitation in its negative feedback circuit also increases proportionally. Those. the device as a whole is both a selector of pulses from the range of known durations at constant amplitude, and a selector of pulses from the range of known amplitudes at their constant duration t (see Fig. 2 - Fig. 5).

В итоге определяется площадь импульса, оценивающая в целом плотность мощности импульса фототока, поступающего с пассивного датчика 1, или оценивающая площадь импульса (энергию), поступающего с пьезоакселерометра.As a result, the area of the pulse is determined, which generally estimates the power density of the photocurrent pulse coming from the passive sensor 1, or estimates the area of the pulse (energy) coming from the piezoaccelerometer.

В исходном статическом состоянии на выходе устройства отсутствует сигнал, на выходе усилителя-преобразователя 2 также нулевой уровень. На выходе резонансного усилителя (аноде первого диода 5) имеется напряжение, равное падению напряжения на втором диоде 6 за счет протекания тока от шины положительного или отрицательного напряжения 14 через второй диод 6, т.к. каскад представляет собой повторитель напряжения для постоянного тока. На катоде первого диода 5 за счет протекания через большой второй резистор 9 меньшего тока, чем через второй диод 6, задаваемого четвертым резистором 11, имеется небольшое напряжение (около 0,2 В), величина которого стабилизирована при температурных изменениях за счет близкого совпадения ТКН обоих диодов 5, 6. При большей разнице токов диодов 5, 6 температурной компенсации нет, но есть функция дополнительного контроля температуры по величине большого напряжения смещения нуля (около 0,6 В).In the initial static state, there is no signal at the output of the device; at the output of the amplifier-converter 2, there is also a zero level. At the output of the resonant amplifier (anode of the first diode 5) there is a voltage equal to the voltage drop across the second diode 6 due to the flow of current from the bus of positive or negative voltage 14 through the second diode 6, since the stage is a DC voltage follower. At the cathode of the first diode 5, due to the flow through the large second resistor 9 of a smaller current than through the second diode 6, set by the fourth resistor 11, there is a small voltage (about 0.2 V), the value of which is stabilized with temperature changes due to the close coincidence of the TKN of both diodes 5, 6. With a larger difference in currents of diodes 5, 6, there is no temperature compensation, but there is a function of additional temperature control by the magnitude of a large zero bias voltage (about 0.6 V).

При появлении сигнала от пассивного датчика 1, представляющего собой смесь одиночных коротких импульсов фототока (от 0,25 до 2 мкс) амплитудой от 1 до 31 мкА и периодического (случайного) шума с полосой менее 100 кГц амплитудой от 1 до 31 мкА, начинается преобразование.When a signal from passive sensor 1 appears, which is a mixture of single short photocurrent pulses (from 0.25 to 2 μs) with an amplitude of 1 to 31 μA and periodic (random) noise with a bandwidth of less than 100 kHz and an amplitude of 1 to 31 μA, the conversion begins ...

Резонансный усилитель имеет асимметричную (за счет встроенной дифференцирующей цепи) амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) с большей крутизной завала низких частот для повышения помехоустойчивости в области низких частот. Максимум АЧХ 40 дБ находится в полосе пропускания одиночных коротких импульсов фототока пассивного датчика 1, а низкочастотный сигнал помехи подавлен, т.е. коэффициент усиления много меньше единицы в полосе более 75 кГц. При этом для повышения эффекта подавления низкочастотной помехи до 120 кГц используется встроенная дифференцирующая цепь на конденсаторе 7, первом резисторе 8 и третьем резисторе 10 резонансного усилителя. Т.к. параллельно с избиранием полезного сигнала из наложенных помех производится его усиление по амплитуде и раскачка по длительности, то дополнительный усилитель и кусочно-линейный ампроксиматор наиболее близкого аналога исключены (избыточны), что упрощает устройство, делает его более быстродействующим.The resonant amplifier has an asymmetric (due to the built-in differentiating circuit) amplitude-frequency characteristic (AFC) with a steeper low-frequency roll-off to increase noise immunity in the low-frequency region. The maximum AFC of 40 dB is in the passband of single short photocurrent pulses of the passive sensor 1, and the low-frequency interference signal is suppressed, i.e. the gain is much less than unity in the bandwidth over 75 kHz. In this case, to increase the effect of suppressing low-frequency interference up to 120 kHz, a built-in differentiating circuit is used on the capacitor 7, the first resistor 8 and the third resistor 10 of the resonant amplifier. Because in parallel with the selection of the useful signal from the imposed noise, it is amplified in amplitude and buildup in duration, then an additional amplifier and a piecewise linear amphroximator of the closest analogue are excluded (redundant), which simplifies the device and makes it faster.

Второй диод 6 обеспечивает приоткрывание первого диода 5, обеспечивая небольшое напряжение смещения нуля

Figure 00000001
на втором резисторе 9 и конденсаторе 35 последовательной RC-цепи 12. При этом имеется температурная компенсация в диапазоне от минус 40 до 50°С окружающей среды за счет близкого равенства ТКН диодов при близких токах.The second diode 6 opens the first diode 5, providing a small zero bias voltage
Figure 00000001
on the second resistor 9 and capacitor 35 of the serial RC-circuit 12. In this case, there is temperature compensation in the range from minus 40 to 50 ° C of the environment due to the close equality of the TKN diodes at close currents.

Небольшой резистор 36 последовательной RC-цепи 12 убирает выброс и обеспечивает устойчивость на выходе первого ОУ 3 при крутом фронте сигнала на его входе.A small resistor 36 of the serial RC circuit 12 removes overshoot and provides stability at the output of the first op-amp 3 with a steep edge of the signal at its input.

При большом сигнале пассивного датчика 1 регулировка напряжения на нагрузке 9 устройства может производиться как изменением соотношения сопротивлений первого 8 и третьего 10 резисторов, так и изменением резистора 17 интегрирующей RC-цепи усилителя-преобразователя 2 дополнительно.With a large signal of the passive sensor 1, the voltage across the load 9 of the device can be adjusted both by changing the ratio of the resistances of the first 8 and third 10 resistors, and by changing the resistor 17 of the integrating RC-circuit of the amplifier-converter 2 additionally.

Входной конденсатор 19 усилителя-преобразователя 2 разделительный, предотвращает смещение выхода усилителя-преобразователя 2 от возможного постоянного тока пассивного датчика 1.The input capacitor 19 of the amplifier-converter 2 is a dividing one, which prevents the output of the amplifier-converter 2 from shifting from a possible direct current of the passive sensor 1.

В пассивном датчике 1 фотодиод 20 обратно смещен, на фиг. 1 а) не показано, т.к. следует из определения фотодиода), конденсатор 21 составляет около 400 пФ, резистор 22 небольшой (примерно 10 кОм) - предотвращает накопление низкочастотного сигнала помехи на суммарной емкости обратно смешенного диода 20 пассивною датчика 1 (конденсаторе 21).In the passive sensor 1, the photodiode 20 is reverse biased, in FIG. 1 a) is not shown, because follows from the definition of the photodiode), the capacitor 21 is about 400 pF, the resistor 22 is small (about 10 kΩ) - it prevents the accumulation of a low-frequency interference signal on the total capacitance of the reversely mixed diode 20 of the passive sensor 1 (capacitor 21).

Фактически пассивный датчик 1 является суммарным источником коротких импульсов сигнальных и низкочастотных помеховых источников фототока или заряда пьезоакселерометра.In fact, passive sensor 1 is the total source of short pulses of signal and low-frequency interference sources of photocurrent or piezoaccelerometer charge.

Инвертирующий усилитель-преобразователь 2 превращает суммарный фототок или заряд пассивного датчика 1 в напряжение для последующей обработки резонансным усилителем с RLC-контуром 13 ударного возбуждения в цепи отрицательной обратной связи. При этом последовательно соединенные конденсатор 7, первый 8 и третий 10 резисторы образуют дифференцирующую цепь и, в то же время, первый 8 и третий 10 резисторы является неотъемлемым функциональным элементом резонансного усилителя. Если сигнал тока пассивного датчика 1 избыточно велик, то сопротивление первого резистора 8 устанавливается большим, чем сопротивление третьего резистора 10. Если сигнал тока пассивного датчика 1 мал, то сопротивление первого резистора 8 устанавливается меньшим, чем сопротивление третьего резистора 10. Меняется отношение сопротивлений этих резисторов.The inverting amplifier-converter 2 converts the total photocurrent or charge of the passive sensor 1 into a voltage for subsequent processing by a resonant amplifier with a shock excitation RLC circuit 13 in a negative feedback circuit. In this case, the series-connected capacitor 7, the first 8 and third 10 resistors form a differentiating circuit and, at the same time, the first 8 and third 10 resistors are an integral functional element of the resonant amplifier. If the current signal of the passive sensor 1 is excessively large, then the resistance of the first resistor 8 is set higher than the resistance of the third resistor 10. If the current signal of the passive sensor 1 is small, then the resistance of the first resistor 8 is set lower than the resistance of the third resistor 10. The ratio of the resistances of these resistors changes. ...

Повышение помехоустойчивости достигается за счет введения в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя контура ударного возбуждения с периодом Т свободных колебаний, обеспечивающего эффективное избирание полезного сигнала определенной амплитуды и длительности I на фоне больших периодических (случайных) помех, при этом длительность t=(0,05…0,5)T.An increase in noise immunity is achieved due to the introduction into the negative feedback circuit of the operational amplifier of a shock excitation circuit with a period T of free oscillations, which ensures effective selection of a useful signal of a certain amplitude and duration I against the background of large periodic (random) interference, while the duration t = (0.05 ... 0.5) T.

Повышение быстродействия достигается за счет того, что второй диод 6 обеспечивает приоткрывание первого диода 5, обеспечивающего максимальное быстродействие пикового детектора за счет исключения высокоомной «пятки» первого диода 5 (несколько МОм) в начальный момент заряда запоминающего амплитуду сигнала пассивного датчика 1 конденсатора 35 последовательной RC-цепи 12. Повышение быстродействия достигается также за счет возбуждения резонансного RLC- или RC-контура ударного возбуждения 13 одиночным импульсом меньшей длительности, чем полупериод свободных колебаний резонансного контура 13.The increase in performance is achieved due to the fact that the second diode 6 provides a slightly opening of the first diode 5, which ensures the maximum performance of the peak detector by eliminating the high-resistance "heel" of the first diode 5 (several megohms) at the initial moment of charging the passive sensor 1 of the capacitor 35 of series RC that stores the signal amplitude -chain 12. An increase in the response speed is also achieved by exciting the resonant RLC or RC-circuit of shock excitation 13 with a single pulse of shorter duration than the half-period of free oscillations of the resonant circuit 13.

На фиг. 2 приведена зависимость выходного сигнала устройства от сигнала пассивного датчика 1, где:FIG. 2 shows the dependence of the output signal of the device on the signal of the passive sensor 1, where:

Uвх - сигнал пассивного датчика 1 в виде короткого одиночного импульса фототока (заряда) с наложенной низкочастотной (до 100 кГц) периодической или случайной помехой;U in - signal of passive sensor 1 in the form of a short single pulse of photocurrent (charge) with superimposed low-frequency (up to 100 kHz) periodic or random interference;

Uвых - напряжение на нагрузке 9 устройства, соответствующее полезному импульсу фототока (заряда) пассивного датчика 1.U out is the voltage across the load 9 of the device, corresponding to the useful pulse of the photocurrent (charge) of the passive sensor 1.

Анализ диаграммы (фиг. 2) показывает, что выделение полезного сигнала фототока длительностью от 0,25 мкс и амплитудой от 1 мкА происходит на фоне периодической (случайной) помехи с амплитудой, близкой к амплитуде полезного сигнала, и частотой до 100 кГц. При этом положение полезного сигнала пассивного датчика 1 относительно помехи произвольно (фиг. 2 а, 2 б, 2 в). На фиг. 2 г) представлена зависимость напряжения на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 амплитудой 1 мкА и длительностью 0,25 мкс без помехи. Анализ диаграмм (фиг. 2 а, 2 б, 2 в) показал, что величина напряжения Uвых на нагрузке 9 устройства не зависит от местоположения и уровня помехи, а зависит от амплитуды входного фототока Iвх и его длительности t.Analysis of the diagram (Fig. 2) shows that the extraction of a useful photocurrent signal with a duration of 0.25 μs and an amplitude of 1 μA occurs against a background of periodic (random) interference with an amplitude close to the amplitude of the useful signal and a frequency of up to 100 kHz. In this case, the position of the useful signal of the passive sensor 1 relative to the interference is arbitrary (Fig. 2 a, 2 b, 2 c). FIG. 2 d) shows the dependence of the voltage across the load 9 of the device on the signal of the passive sensor 1 with an amplitude of 1 μA and a duration of 0.25 μs without interference. Analysis of the diagrams (Fig. 2 a, 2 b, 2 c) showed that the voltage Uout at the load 9 of the device does not depend on the location and level of interference, but depends on the amplitude of the input photocurrent Iin and its duration t.

На фиг. 3 приведена зависимость напряжения на нагрузке 9 устройства от сигнала фототока пассивного датчика 1 амплитудой 2 мкА и длительностями (0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5) мкс.FIG. 3 shows the dependence of the voltage across the load 9 of the device on the photocurrent signal of the passive sensor 1 with an amplitude of 2 μA and durations (0.1; 0.25; 0.5; 1.0; 1.5) μs.

Анализ диаграмм (фиг. 3) показал, что величина напряжения Uвых на нагрузке 9 устройства пропорционально зависит от длительности сигнала t (до 1 мкс линейно).Analysis of the diagrams (Fig. 3) showed that the value of the voltage Uout at the load 9 of the device proportionally depends on the duration of the signal t (linearly up to 1 μs).

На фиг. 4 приведена зависимость напряжения на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 длительностью 1 мкс и амплитудой (1…31) мкА.FIG. 4 shows the dependence of the voltage at the load 9 of the device on the signal of the passive sensor 1 with a duration of 1 μs and an amplitude (1 ... 31) μA.

Анализ диаграмм (фиг. 4) показал, что величина напряжения Uвых на нагрузке 9 устройства пропорционально зависит от амплитуды сигнала Iвх.Analysis of the diagrams (Fig. 4) showed that the value of the voltage Uout at the load 9 of the device proportionally depends on the amplitude of the signal Iin.

На фиг. 5 а) доказана линейно пропорциональная зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от сигнала пассивного датчика 1 при его длительности 1 мкс.FIG. 5 a) a linearly proportional dependence of the signal Uout at the load 9 of the device on the signal of the passive sensor 1 with its duration of 1 μs is proved.

На фиг. 5 б) доказана линейно пропорциональная зависимость сигнала Uвых на нагрузке 9 устройства от длительности импульса тока пассивного датчика 1 при его амплитуде 2 мкА.FIG. 5 b) a linearly proportional dependence of the signal Uout at the load 9 of the device on the duration of the current pulse of the passive sensor 1 with its amplitude of 2 μA is proved.

Был собран макет заявленного устройства, исследование характеристик которого при воздействии механического и теплового нагружения подтвердили возможность его осуществления и достижения вышеописанных характеристик. Элементная база заявленного устройства содержит типовые отечественные электрорадиоэлементы: сдвоенные операционные усилители типа 544УД 15 или 544УД2, диоды 2Д419 В или 2Д522А, бескорпусные резисторы Р1-12 или Р1-8П, прецизионные малогабаритные бескорпусные конденсаторы К10-43 В, пассивный датчик на элементах 2X701, индуктивность выполнена величиной 8 мкГн.A mock-up of the claimed device was assembled, the study of the characteristics of which under the influence of mechanical and thermal loading confirmed the possibility of its implementation and the achievement of the above-described characteristics. The element base of the claimed device contains typical domestic electrical radioelements: dual operational amplifiers of type 544UD 15 or 544UD2, diodes 2D419 V or 2D522A, frameless resistors R1-12 or R1-8P, precision small size frameless capacitors K10-43 V elements, passive sensor for is made with a value of 8 μH.

В результате макетирования выявлено, что быстродействие повышено в восемь раз (до 0,125 мкс вместо 1 мкс), упрошена схема на три операционных усилителя при более высоком коэффициенте усиления, повышена помехоустойчивость в полосе помех более 100 кГц вместо 40 кГц у наиболее близкого аналога.As a result of prototyping, it was revealed that the speed was increased eight times (up to 0.125 μs instead of 1 μs), a simplified circuit for three operational amplifiers with a higher gain, increased noise immunity in an interference band of more than 100 kHz instead of 40 kHz for the closest analogue.

Claims (2)

1. Устройство для измерения пиковых значений, содержащее пассивный датчик, первый вывод которого подключен к входу усилителя-преобразователя, выход которого подключен через конденсатор к первому выводу первого резистора, выход первого операционного усилителя подключен к первому выводу первого диода, второй вывод которого через параллельно соединенные последовательную RC-цепь и второй резистор подключен к общей шине, к которой подключен второй вывод пассивного датчика, третий и четвертый резисторы, второй диод, второй операционный усилитель и шину положительного или отрицательного напряжения, отличающееся тем, что дополнительно введен контур ударного возбуждения, первый вывод которого подключен к общей шине, а второй вывод соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен с третьим выводом контура ударного возбуждения, а неинвертирующий вход соединен со вторым выводом первого резистора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен либо с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, либо с выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя через четвертый резистор подключен к шине положительного или отрицательного напряжения и через второй диод к общей шине.1. A device for measuring peak values, containing a passive sensor, the first terminal of which is connected to the input of the amplifier-converter, the output of which is connected through a capacitor to the first terminal of the first resistor, the output of the first operational amplifier is connected to the first terminal of the first diode, the second terminal of which is connected through parallel-connected serial RC-circuit and the second resistor is connected to the common bus, to which the second terminal of the passive sensor, the third and fourth resistors, the second diode, the second operational amplifier and the bus of positive or negative voltage are connected, characterized in that the shock excitation circuit is additionally introduced, the first terminal which is connected to the common bus, and the second terminal is connected to the inverting input of the first operational amplifier, the output of which is connected to the third terminal of the shock excitation circuit, and the non-inverting input is connected to the second terminal of the first resistor and the first terminal of the third resistor, the second terminal of which is connected either with the non-inverting input of the second operational amplifier, or with the output and the inverting input of the second operational amplifier, the non-inverting input of the second operational amplifier through the fourth resistor is connected to the positive or negative voltage bus and through the second diode to the common bus. 2. Устройство для измерения пиковых значений по п. 1, отличающееся тем, что усилитель-преобразователь включает операционный усилитель, интегрирующую RC-цепь и конденсатор, первый вывод которого является входом усилителя-преобразователя, а второй вывод соединен с входом интегрирующей RC-цепи и инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход соединен с выходом интегрирующей RC-цепи и является выходом усилителя-преобразователя.2. A device for measuring peak values according to claim 1, characterized in that the amplifier-converter includes an operational amplifier that integrates an RC-circuit and a capacitor, the first terminal of which is the input of the amplifier-converter, and the second terminal is connected to the input of the integrating RC-circuit and the inverting input of the operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the common bus, and the output is connected to the output of the integrating RC-circuit and is the output of the amplifier-converter.
RU2020141878A 2020-12-17 2020-12-17 Device for measuring peak values RU2761890C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020141878A RU2761890C1 (en) 2020-12-17 2020-12-17 Device for measuring peak values

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020141878A RU2761890C1 (en) 2020-12-17 2020-12-17 Device for measuring peak values

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2761890C1 true RU2761890C1 (en) 2021-12-13

Family

ID=79175051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020141878A RU2761890C1 (en) 2020-12-17 2020-12-17 Device for measuring peak values

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2761890C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2343429C1 (en) * 2007-04-16 2009-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии Peak value measurement device
US20120056074A1 (en) * 2007-04-18 2012-03-08 Invisage Technologies, Inc. Materials, systems and methods for optoelectronic devices
JP5572315B2 (en) * 2005-09-08 2014-08-13 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ Low current measurement with high dynamic range for optical imaging
RU2556327C1 (en) * 2014-02-24 2015-07-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Device for measurement of peak values
RU2626315C2 (en) * 2016-01-20 2017-07-25 Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") High-speed multichannel device for energy measuring short laser pulses

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5572315B2 (en) * 2005-09-08 2014-08-13 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ Low current measurement with high dynamic range for optical imaging
RU2343429C1 (en) * 2007-04-16 2009-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии Peak value measurement device
US20120056074A1 (en) * 2007-04-18 2012-03-08 Invisage Technologies, Inc. Materials, systems and methods for optoelectronic devices
RU2556327C1 (en) * 2014-02-24 2015-07-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Device for measurement of peak values
RU2626315C2 (en) * 2016-01-20 2017-07-25 Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") High-speed multichannel device for energy measuring short laser pulses

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1310505C (en) Avalanche photodiode quenching circuit
EP1132724B1 (en) Circuit for high precision detection of the time of arrival of photons falling on single photon avalanche diodes
US9064981B2 (en) Differential optical receiver for avalanche photodiode and SiPM
RU2761890C1 (en) Device for measuring peak values
FI70352B (en) FOERFARANDE OCH ANORDNING FOER ATT UTOEKA DYNAMIKOMRAODET HOS EN MOTTAGARE I ETT FIBEROPTISKT INFORMATIONSOEVERFOERINGSSYSTEM
US6756578B1 (en) Photocell bias circuit
US6340816B1 (en) Pyroelectric detector with feedback amplifier for enhanced low frequency response
US4939476A (en) Laser Rangefinder receiver preamplifier
NL8900591A (en) DEVICE FOR MEASURING LOW-LEVEL RADIATION.
RU2343429C1 (en) Peak value measurement device
JP4540301B2 (en) Radiation monitor
JP2019144241A (en) Sensitivity amplifier for gyroscopes, related system, and method
RU2556327C1 (en) Device for measurement of peak values
US20120139626A1 (en) Analog filter with adjustable filter frequency
JPH0712941A (en) Radiation measuring instrument
Nadeev et al. Comparison of an avalanche photodiode and a photomultiplier tube as photodetectors of near-infrared radiation in the photon-counting mode
EP3296761A1 (en) Distance measuring device
Jagdish et al. A preamplifier-shaper-stretcher integrated circuit system for use with germanium strip detectors
JP6871836B2 (en) Capacity detector, resistance detector
SU400807A1 (en) ULTRASONIC FLOW METER PHASOMETER
RU2461886C1 (en) Adaptation of sampling instants of selecting circuits and storage optical smoke detector
RU2017064C1 (en) Image converter for measuring size of heated objects
Xie et al. Sensors
SU1689763A1 (en) Radiation sensor
RU2025781C1 (en) Alarm device