Схема детектора: Частотные детекторы. Схема детектора. Детектирование ЧМ сигнала. — Интернет-магазин инструмента. — yato-tools.ru. Электротовары и инструмент.

Содержание

Детекторы

Детекторы служат для регистрации частиц, определения их энергии, импульса, траектории движения частицы и других характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы, которые максимально чувствительны к регистрации определенного типа частиц и не чувствуют фон, создаваемый другими частицами.
Часто в экспериментах приходится выделять «нужные» события на фоне «посторонних» событий, которых может быть в миллиарды раз больше. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации, применяют схемы совпадений или антисовпадений между событиями, зарегистрированными различными детекторами, отбор событий по амплитуде и форме сигналов и т. д. Часто используется селекция частиц по времени пролёта ими определённого расстояния между детекторами, магнитный анализ и другие методы, которые позволяют надёжно выделить различные частицы.

    Заряженная частица, двигаясь в нейтральной среде детектора (газ, жидкость, твердое тело, аморфное или кристаллическое), вызывает в результате электромагнитных взаимодействий ионизацию и возбуждение атомов среды. Таким образом, вдоль пути движения частицы появляются свободные заряды (электроны и ионы) и возбужденные атомы. Если среда находится в электрическом поле, то в ней возникает электрический ток, который фиксируется в виде короткого электрического импульса. Детекторы, использующие этот принцип, называют ионизационными.
    При возвращении возбужденных атомов в основное состояние излучаются фотоны, которые могут быть зарегистрированы в виде оптической вспышки в видимой или ультрафиолетовой области. Этот принцип используется в сцинтилляционных детекторах.
    При определенных условиях траекторию пролетающей заряженной частицы можно сделать видимой. Этот способ реализуется в трековых детекторах.

Нейтральные частицы, например нейтрон или Λ-гиперон, непосредственно не вызывают ионизацию и возбуждение атомов среды.

Однако они могут быть зарегистрированы в результате появления вторичных заряженных частиц, возникших либо в реакциях нейтральных частиц с ядрами среды, либо в результате распада частиц (Λ → p + π^—).
Гамма-кванты регистрируются по вторичным заряженным частицам – электронам и позитронам, возникающим в среде вследствие фотоэффекта, комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар.
Нейтрино, возникшее в результате реакции, в силу исключительно малого сечения взаимодействия со средой (≈ 10^-20 барн) в большинстве случаев вообще не регистрируется детектором. Нейтрино уносит с собой определённую энергию, импульс, спин, лептонный заряд. Недостачу обнаруживают, регистрируя все остальные частицы и используя законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, лептонного заряда и др. Такой анализ позволяет не только убедиться, в том, что нейтрино действительно образовалось, но и установить его энергию и направление вылета из точки реакции.

Быстрораспадающиеся частицы детектор «не успевает» зафиксировать. В этом случае они регистрируются по продуктам распада.

Детекторы частиц

Схемы совпадений и антисовпадений

Практически все современные детекторы содержат электронные устройства для усиления, обработки и счета сигналов. В простейшем случае это может быть просто счет импульсов в течение определенного интервала времени или определение энергии отдельных частиц. Однако в большинстве случаев, особенно при детектировании частиц высоких энергий, используется несколько счетчиков. В этих случаях счетчики обычно включаются в схемы совпадений или антисовпадений, которые позволяют идентифицировать частицы, определять их энергии.

Рассмотрим установку, состоящую из 4 счетчиков импульсов С1, С2, С3, С4 и поглотителя П, расположенного между С3 и С4 (рис. 2.16). Как с помощью этой установки можно определить тип и энергию частиц?
Случай 1. Высокоэнергетичный протон имеет достаточную энергию, чтобы его пробег превышал размеры установки.

В этом случае будут зарегистрированы импульсы одновременно во всех четырех счетчиках. Если все четыре счетчика включены в схему совпадений, то на её выходе появится импульс, который зарегистрирует это событие.
Если энергия протоны недостаточна, и он остановится в поглотителе П (случай 2), то будут наблюдаться только одновременные импульсы от С1, С2, С3. Изменяя толщину поглотителя П между С3 и С4, можно регистрировать протоны, энергия которых меньше определенной величины.

Рис. 2.16 Схема совпадений.

Случай 3 соответствует нейтральной частице, которая распалась в пространстве между С1 и С2 с образованием 2 заряженных частиц малой энергии. В этом случае будет наблюдаться совпадение сигналов по времени от С2 и С3. Счетчики С1 и С4 при этом не срабатывают. Этот метод часто используют, когда необходимо зарегистрировать нейтральную частицу на фоне большого количества заряженных частиц.
Отсутствие сигнала от счетчика С1 и совпадения счетчиков С2 и С3 − свидетельство тому, что через установку прошла нейтральная частица. Используя различное количество счетчиков, включенных в схемы совпадений или антисовпадений можно эффективно отбирать интересующие события. С помощью системы счетчиков, включенных в схемы совпадений и антисовпадений, был открыт антипротон. Схемы совпадений активно используются для управления искровыми камерами. В этом случае импульс высокого напряжения для регистрации частиц подаётся только в том случае, если предварительно сработал сцинтилляционный детектор, показывающий, что в искровую камеру влетела заряженная частица, что значительно повышает эффективность отбора нужных событий.

Задачи

П 5.1. Как измерить период полураспада T_1/2 > 10 лет? Как измерить среднее время жизни частицы
τ < 10^-15 секунды?

П 5.2. Предложить эксперименты, в которых можно измерить константы е, с и h. Оценить достижимую точность измерений.

П 5.3. Какие имеются экспериментальные доказательства того, что атомный номер химического элемента равен заряду его ядра?

П 5. 4. Как черенковский счетчик можно использовать в качестве детектора скоростей частиц? Привести пример.

П 5.5. Предложить метод для регистрации следующих частиц: 1) электронов с энергией 100 эВ; 2) фотонов с энергией 10

3 МэВ; 3) тепловых нейтронов; 4) Λ-гиперонов с энергией 300 МэВ;
5) π⁰-мезонов с энергией 10 МэВ.

П 5.6. Какими методами можно определить массы следующих частиц: 1) π⁰; 2) K⁰; 3) Δ⁺⁺; 4) π⁺; 5) Ω⁻; 6) ν_e; 7) ν_μ?

П 5.7. Объяснить принцип работы пузырьковой камеры. Как можно использовать пузырьковую камеру для детектирования реакций под действием нейтрино?

Частотные детекторы. Схема детектора. Детектирование ЧМ сигнала.

Главная

» Самолетостроение

» Теория информационных процессов и систем

» Частотные детекторы. Схема детектора. Детектирование ЧМ сигнала.

3.8. Частотные детекторы

Частотным детектором называют устройство, в котором осуществляется преобразование входного частотно-модулированного радиосигнала в выходное напряжение (или ток), меняющееся по закону модуляции (рис. 3.19).

В настоящее время для частотного детектирования используют два наиболее распространенных метода.

Первый заключается в частотном детектировании напряжения, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты входного сигнала. Второй метод заключается в преобразовании синусоидального ЧМ-сигнала в импульсный с временной модуляцией (ВИМ). Преобразование импульсного сигнала ВИМ в низкочастотный осуществляется с помощью преобразователя код — напряжение. Частотные детекторы первого типа можно условно назвать частотно-амплитудными, а второго — частотно-импульсными.

Рассмотрим детектор частотно-амплитудного типа.

Структурная схема состоит из двух элементов: преобразователя сигнала ЧМ в сигнал с амплитудой, изменяющейся соответственно изменению частоты, и амплитудного детектора.

Первый элемент является линейным устройством, поэтому используемый здесь и далее термин преобразователь ЧМ в AM не означает замену частотной модуляции амплитудной. Это лишь означает, что в результате зависимости коэффициента передачи от частоты напряжение на выходе преобразователя изменяется по амплитуде. Причем изменение амплитуды достаточно точно повторяет закон изменения частоты входного сигнала. Обычно сохраняется и изменение частоты. Но на дальнейшее преобразование высокочастотного сигнала в низкочастотный с помощью амплитудного детектора это изменение частоты не влияет.

При анализе частотного детектора предполагается, что радиосигнал ЧМ на входе частотного детектора имеет постоянную амплитуду. Однако в реальных условиях амплитуда входного ЧМ-радиосигнала оказывается переменной вследствие возникновения сопутствующей амплитудной модуляции в передатчике и приемнике и воздействия помех в линии связи. В частотном детекторе частотно-амплитудного типа выходное напряжение преобразователя ЧМ в AM и, тем более, амплитудного детектора будет зависеть не только от частоты, но и от амплитуды входного сигнала. В результате на выходе частотного детектора сигнал будет искажен за счет паразитной AM. Устранение паразитной AM осуществляется с помощью амплитудного ограничителя, включенного на входе частотного детектора, или благодаря физическим процессам, происходящим в самом детекторе.

Простейшим вариантом частотного детектора является однотактная схема с одиночным расстроенным контуром. Схема внешне совпадает со схемой амплитудного детектора (рис. 3.16). Отличие в том, что контур L_kC_k расстроен относительно средней частоты ω₀ радиосигнала на ∆ω₀. Этот контур и используется в качестве преобразователя радиосигнала с ЧМ в напряжение с изменяющейся амплитудой (рис. 3.21).

Амплитуда напряжения на контуре меняется по закону изменения частоты модулированного сигнала. Напряжение с контура подается на диодный амплитудный детектор. Вследствие того, что скаты резонансной характеристики не являются прямолинейными, в процессе преобразования сигнала ЧМ в сигнал с изменяющейся амплитудой возникают различные несимметричные нелинейные искажения. На практике обычно применяются более сложные схемы частотных детекторов (дифференциальный частотный детектор, дробный детектор и т. д.).

Друзья! Приглашаем вас к обсуждению. Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.

Поиск по сайту

Дисциплины

Информационные системы
Проектирование ИС
Интеллектуальные ИС
Информационная безопасность и защита информации
Информационные сети
Моделирование систем
Администрирование в ИС
Информационные технологии
Операционные системы
Представление знаний в ИС
Алгоритмизация
Архитектура ЭВМ
Управление данными
Технология программирования
Компьютерная геометрия и графика
Информатика
Агрегатор онлайн-курсов

Самолетостроение
Конструкция и проектирование самолетов
Автоматизированное проектирование конструкций
Основы теории управления
Теория информационных процессов и систем
Электротехника
Физика
Физика (3 семестр)
Прикладная механика

Общенаучные дисциплины
Экономика
Метрология
Философия
Математика (1 семестр)
Математика (2 семестр)
Математика (3 семестр)
Культурология
История
Химия
Биология
Английский язык онлайн – быстро и просто
Что делать, если по учёбе гора долгов?
Помощь в поступлении в американский ВУЗ от Марии Гурьевой
Полиграфическая продукция
Бизнес школа
Пожарная безопасность: виды инструктажей и требования
Где записаться на курсы режиссуры монтажа?
Особенности подготовки к ОГЭ по канадской методике
Обучение профессии полиграфолога
ПОИСК ЛУЧШИХ КУРСОВ В СЕТИ в сфере digital
Курсы подготовки к ЕГЭ 2022 для 10-11 классов в Москве

LTC6244 Высокоскоростной пиковый детектор

к Хассан Келли и Габино Алонсо

Введение

Детекторы пиков

улавливают крайние значения напряжения на входе. Детектор положительных пиков захватывает самую положительную точку входного сигнала, а детектор отрицательных пиков фиксирует самую отрицательную точку входного сигнала. В идеале выход схемы пикового детектора отслеживает или следует за входным напряжением до тех пор, пока не будет достигнута экстремальная точка, но сохраняет это значение по мере уменьшения входного сигнала. Идеальный пиковый детектор выполняет эту функцию независимо от скорости входного сигнала. Производительность детектора физических пиков ограничена шириной полосы входного сигнала. В этой статье будет рассмотрена работа классической схемы активного пикового детектора, выделены параметры и компоненты, ограничивающие полосу пропускания; предложить улучшения для устранения этих ограничений и представить результаты моделирования, которые сравнивают производительность новых схем.

Классический пиковый детектор

На рисунках 1 и 2 показаны две реализации пикового детектора. Схема на рисунке 1 представляет собой классический пиковый детектор. Схема на рис. 2 устраняет ограничения классического пикового детектора. В этом обсуждении будет рассмотрена работа классического пикового детектора, выдвинуты на первый план ограничения схемы, объяснено, как усовершенствованная схема устраняет эти ограничения, и рассмотрены методы дальнейшего улучшения схемы, как показано на рисунке 3.

Рис. 1. Классический пиковый детектор

Схема на рис. 1 фиксирует пиковое значение входного напряжения (IN). Когда IN положительный, D1 смещен в обратном направлении, D2 смещен в прямом направлении, и ток через резистор обратной связи R2 не течет. Таким образом, выходное напряжение (OUT) следует за входным напряжением (IN), поскольку внешняя петля обратной связи приводит к виртуальному короткому замыканию входов U1 (V+ = V–). Выходное напряжение следует за напряжением на конденсаторе C1, поскольку U2 сконфигурирован как повторитель напряжения. C1 заряжается до этого напряжения выходным током U1 через D2. Резистор R1 предотвращает превышение U1 выходного тока короткого замыкания и изолирует U1 от емкости C1, что предотвращает звон или даже колебания. Это состояние сохраняется до тех пор, пока входное напряжение положительное и увеличивается.

Схема на рис. 1 изменяет состояние при уменьшении входного напряжения. D2 смещается в обратном направлении, когда входное напряжение уменьшается, потому что выходное напряжение U1 (анод D2) падает ниже катодного напряжения D2, которое равно предыдущему пиковому напряжению, хранящемуся на C1. В этом состоянии внешняя петля обратной связи разорвана, и выход U1 пытается привязаться к отрицательному напряжению шины. В этом состоянии D1 смещен в прямом направлении и обеспечивает локальную обратную связь с U1, которая фиксирует анод D2 при падении напряжения на один диод ниже входного напряжения. Состояние удержания сохраняется до тех пор, пока входное напряжение не превысит напряжение конденсатора, равное выходному напряжению. Зажим D1 сокращает время перехода из состояния удержания обратно в состояние отслеживания.

Скорость является основным ограничением классической схемы пикового детектора на рисунке 1. Выходное напряжение не может изменяться быстрее, чем зарядится C1. Скорость, с которой заряжается C1, ограничена выходным током короткого замыкания U1, прямым падением напряжения D2, скоростью коммутации D2 и экспоненциальным ростом из-за постоянной времени, образованной резисторами R1 и C1.

Улучшенный пиковый детектор

Скорость и погрешность схемы на рис. 2 лучше, чем у схемы на рис. 1. Улучшения являются результатом устранения некоторых ограничений классического пикового детектора. Обратите внимание, что выпрямительный диод был заменен на барьер Шоттки. Это изменение уменьшает прямое падение напряжения, что увеличивает начальный зарядный ток через конденсатор C1. Кроме того, более быстрое время восстановления диода Шоттки ускоряет переход из состояния отслеживания в состояние удержания. Более того, меньший заряд обратного восстановления диода Шоттки уменьшает ошибку пьедестала на C1.

Хотя падение напряжения на диоде Шоттки ниже, оно передается непосредственно на выход, поскольку отсутствует внешняя петля обратной связи для его компенсации, как в классической схеме на рис. 1. Эта схема компенсирует падение напряжения на диоде, уравновешивая его согласующий диод Шоттки в локальной цепи обратной связи U1. Два падения на диодах в основном компенсируются, если согласованные диоды имеют одинаковое смещение. R2 устанавливает ток смещения в D1, который позволит падению напряжения на D1 компенсировать падение напряжения на D2 и свести к минимуму эту ошибку.

R5 и R6 образуют резистивный делитель напряжения, снижающий уровень входного напряжения. D3 фиксирует входное напряжение при падении напряжения на диоде ниже 0 В, что избавляет U1 и U2 от отрицательных шин питания.

Рис. 2. Усовершенствованный пиковый детектор

LTC6244 — это двойной высокоскоростной КМОП-операционный усилитель со стабильным коэффициентом усиления с единичным коэффициентом усиления, который имеет полосу усиления 50 МГц, скорость нарастания 40 В/мкс, входной ток смещения 1 пА, низкую входную емкость и размах выходного сигнала от напряжения питания к питанию. Шум от 0,1 Гц до 10 Гц составляет всего 1,5 мкВ _PP, а шум 1 кГц гарантированно будет меньше 12 нВ/√Гц. Эти превосходные характеристики по переменному току и шуму сочетаются с широким диапазоном питания, максимальным напряжением смещения всего 100 мкВ и дрейфом всего 2,5 мкВ/°C, что делает его пригодным для использования в этом приложении.

Улучшенный детектор пиков с усиленным током

Схема на рис. 3 использует методы усовершенствованного пикового детектора на рис. 2 и добавляет вольтодобавку для увеличения зарядного тока конденсатора C1. Пиковый детектор с усиленным током заменяет согласованные диоды согласованными транзисторами с биполярным переходом NPN (BJT). Схема работает точно так же, как схема на рис. 2, но заряжает C1 значительно быстрее.

Рис. 3. Улучшенный детектор пиков с усилением по току

Эта топология предлагает некоторые альтернативы подходу с диодом Шоттки. Зарядный ток C1 увеличивается на коэффициент, равный коэффициенту усиления по току конфигурации BJT с общим коллектором. Кроме того, эта топология обеспечивает более низкий импеданс источника по отношению к C1. R3 больше не нужен, потому что эмиттерный повторитель имеет большую токовую мощность, чем U2. В результате постоянная времени зарядки была практически устранена. Быстродействие схемы на рис. 3 ограничено наименьшей из полос пропускания U2 и частотой единичного усиления эмиттерного повторителя (f _Т ). Падение напряжения на переходе база-эмиттер Q1 может быть компенсировано переходом база-эмиттер Q2 таким же образом, как баланс D2 и D3 на рис. 2.

При сравнении производительности двух высокоскоростных пиковых детекторов на рис. 4 показано, что обе схемы работают одинаково хорошо на частоте 60 кГц, а на рис. 5 показано, что текущая модификация форсирования увеличивает полосу пропускания.

Рисунок 4. Сравнение на частоте 60 кГц

Рисунок 5. Сравнение на частоте 200 кГц

Заключение

Усовершенствования текущего усиленного пикового детектора на рисунке три не обходятся без затрат. Однако для приложений, где важны скорость и точность, эти усовершенствования схемы могут стоить дополнительного рассеивания мощности, количества деталей и сложности.

Авторы

Хассан Келли

Габино Алонсо

Габино Алонсо в настоящее время является директором по стратегическому маркетингу Power by Linear™ Group. До прихода в ADI Габино занимал различные должности в области маркетинга, проектирования, эксплуатации и образования в Linear Technology, Texas Instruments и Калифорнийском политехническом государственном университете. Он имеет степень магистра наук в области электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

AN014 — Цепи обнаружения пиковых значений

Эллиот Саунд Продактс

АН-014

Род Эллиотт (ESP)

Основной индекс Приложение. Примечания Алфавитный указатель

Цепи обнаружения пиков Прецизионные выпрямители

обсуждались в AN001, и здесь используется еще одна распространенная схема для обнаружения пика формы волны переменного тока. Если пиковое детектирование должно работать как на положительных, так и на отрицательных полупериодах (а они могут быть очень разными), перед пиковым детектором используется прецизионный выпрямитель. Обычно это необходимо, когда сигнал асимметричен, что очень характерно для аудиосигналов. Показанные здесь схемы работают на положительный только пик.

Пиковые детекторы бывают разных типов, от очень простых до довольно сложных. Все зависит от приложения и от того, как долго должно сохраняться пиковое значение. В некоторых случаях достаточно просто использовать резистор (или сток тока) для разрядки конденсатора, который удерживает пиковое значение, но в некоторых случаях значение должно сохраняться в течение значительного периода времени с очень низким спадом (медленный разряд конденсатора). , и тогда необходим отдельный разрядный контур. Это может быть электронный переключатель или ручная кнопка, в зависимости от применения.

Чаще всего задают вопрос «почему?». Это хороший вопрос, потому что большинству энтузиастов электроники, возможно, никогда не понадобится пиковый детектор, или они уже использовали его, даже не подозревая об этом. Пиковые детекторы часто используются для захвата переходных процессов, которые в противном случае могут остаться незамеченными, но могут вызвать сбои в работе схемы. Они также распространены в системах обработки звука, в частности, в схемах ограничителя звуковых пиков.

Их также можно использовать для захвата мгновенных пиков напряжения от усилителя мощности и для анализа («достаточно ли мощен мой усилитель?») или для активации индикатора ограничения. Их можно использовать в энергетике (например, в цепях с питанием от сети) для контроля наихудшего пускового тока источника питания или для проверки того, превышают ли переходные процессы сетевого напряжения заданный порог.

Таким образом, в то время как многим читателям он никогда не понадобится, другие увидят немедленное применение пикового детектора. Цель этих указаний по применению состоит в том, чтобы предоставить некоторую информацию, чтобы можно было определить оптимальную схему для любого заданного требования. Как и другие приложения ESP. отмечает, что это не проектная статья. Схемы будут работать по назначению, но потребуются изменения, чтобы гарантировать, что схема соответствует вашим потребностям.

Хотя в Сети есть много схем, которые претендуют на роль пиковых детекторов, многие (если не большинство) являются примитивными и никоим образом не могут считаться прецизионными схемами. Это хорошо для некритичных приложений, но бесполезно, если вам действительно нужна схема с предсказуемой производительностью и выходом, который точно представляет пики формы входного сигнала.

Накопительный конденсатор

При построении схем, удерживающих напряжение более нескольких миллисекунд, необходимо учитывать множество факторов. Если такие вещи, как утечка через поверхность печатной платы и/или утечка через конденсатор, редко являются проблемой для звука, они становятся критическими, когда в конденсаторе хранится напряжение . Высокие значения, как правило, нельзя использовать, потому что для их зарядки требуется слишком много энергии, а характеристики конденсаторов с высокими значениями в значительной степени несовместимы с требованиями пиковых детекторов или схем выборки и хранения, которые во многом схожи.

В тех случаях, когда пиковое значение необходимо удерживать даже в течение нескольких секунд, необходимо соблюдать крайнюю осторожность, чтобы свести к минимуму разрядку конденсатора. Даже поверхностного сопротивления печатной платы достаточно, чтобы разрядить конденсатор за достаточное время. Например, постоянная времени конденсатора емкостью 100 нФ и сопротивлением 1 ГОм (1000 МОм) составляет 100 секунд или 1,67 минуты. В это время напряжение упало до 0,632 (63,2%) от исходного сохраненного значения. Эта комбинация подходит только для времени задержки около 4 секунд для точности 2%. Если вы используете конденсатор 10 нФ, это время сокращается до 10 секунд и 400 мс соответственно.

Мы также должны быть осторожны с конденсатором типа , используемым для хранения пикового напряжения. Диэлектрическое поглощение (также известное как «поглощение») не является проблемой для аудиосхемы (несмотря на то, что вы можете видеть в других местах), но оно имеет решающее значение в пиковых детекторах, схемах выборки и хранения и везде, где необходимо поддерживать точное и постоянное напряжение. . Колпачки из полиэстера подходят в этой роли для некритичных применений, но полипропилен является самой дешевой доступной альтернативой очень дорогим/экзотическим диэлектрикам. Дополнительную информацию об этом свойстве конденсаторов можно найти в статье «Конденсаторы» на этом сайте. Диэлектрическое поглощение проявляется в виде «отскока» напряжения после разрядки конденсатора, что может маскировать сигналы низкого уровня, делая их обнаружение либо ненадежным, либо бесполезным.

Тип конденсатора	Диэлектрическое поглощение
Воздушные и вакуумные конденсаторы	Не поддается измерению
Конденсаторы керамические класса 1, NP0	0,6%
Керамические конденсаторы класса 2, X7R	2,5%
Полистирольные пленочные конденсаторы (ПС)	0,02% *
Пленочные конденсаторы из политетрафторэтилена (ПТФЭ/тефлон)	0,02% *
Полипропиленовые пленочные конденсаторы (ПП)	0,05–0,1 %
Пленочные полиэфирные конденсаторы (ПЭТ)	0,2–0,5 %
Полифениленсульфидные пленочные конденсаторы (PPS)	0,05–0,1 %
Полиэтилен-нафталатные пленочные конденсаторы (PEN)	от 1,0 до 1,2%
Танталовые электролитические конденсаторы (с твердым электролитом)	от 2 до 3%
Алюминиевые электролитические конденсаторы (жидкий электролит)	10–15 %

Таблица 1 – Диэлектрическое поглощение обычных конденсаторов

Некоторые распространенные типы конденсаторов перечислены выше ^[ 1 ] . Те, что обозначены * , не проверены, так как можно найти мало информации. Когда-то можно было купить полистироловые конденсаторы больших номиналов (100 нФ и более), но, к сожалению, их больше не производят, кроме как по специальному заказу для очень строгих требований. Полистирол имеет очень низкую термостойкость, и они намного больше, чем у других типов при том же значении. Полистироловые колпачки с низким значением (до 10 нФ) по-прежнему доступны. ПТФЭ (тефлон) также считается хорошим, но мне удалось найти мало информации.

Значение конденсатора важно. Если он составляет около 10 нФ, его легко быстро зарядить даже от операционных усилителей с низким выходным током, но время удержания ограничено из-за сопротивления утечки. Колпачок 100 нФ требует в 10 раз больше энергии для зарядки до того же напряжения, поэтому ток может быть ограничен операционным усилителем, если необходимо захватить очень быстрый переходный процесс, поскольку операционный усилитель может ограничить ток и не сможет зарядить конденсатор до пиковое значение в высокоскоростной цепи. Для длительного выдерживания С1 должен быть полипропилен, так как он имеет более высокое диэлектрическое сопротивление, чем майлар (полиэстер/ПЭТФ).

Простой диодный пиковый детектор

Диод является основой для всех пиковых детекторов, но если он используется отдельно, прямое напряжение означает, что любой сигнал ниже 0,7 В не может быть проконтролирован. «Активный диод» (использующий операционный усилитель), используемый в прецизионных выпрямителях, решает эту проблему, но есть много других соображений. Может показаться целесообразным использовать диоды Шоттки для снижения прямого напряжения, но они имеют сравнительно большую утечку и не подходят, хотя диоды Шоттки с «малой утечкой» могут подойти для цепей, где падение накопленного напряжения не является проблемой. Почтенный 1N4148 имеет номинальный обратный ток утечки 25 нА при 20 В, эквивалентное сопротивление всего 800 МОм. Хотя это может звучать как высокое сопротивление, помните, что 100 нФ и 1 ГОм имеют постоянную времени 100 секунд, но напряжение упадет с 5 В до 4,9. V (2%) всего за 4 секунды.

Это означает, что общий импеданс должен быть намного выше 1 ГОм, если значение необходимо хранить более 5 секунд или около того. Напряжение на накопительном конденсаторе нельзя измерить мультиметром, потому что даже цифровой измеритель с импедансом 10 МОм разрядит конденсатор за несколько 90 127 миллисекунд 90 128 . При нагрузке 10 Мб конденсатор емкостью 100 нФ разряжается с 5 В до 4,9 В всего за 20 мс. Операционный усилитель необходимо использовать в качестве буфера, чтобы можно было измерить или обработать сохраненное пиковое напряжение. Входные операционные усилители на полевых транзисторах необходимы во всем, кроме самых элементарных схем. На следующей схеме источник сигнала должен иметь низкий импеданс, потому что он должен заряжать C1 напрямую через D1.

Рис. 1. Простой диодный детектор

Простой детектор, вероятно, подойдет, если напряжения достаточно высоки, когда ошибка проводимости диода мала по сравнению с измеряемым напряжением. Однако напряжение не должно превышать входной диапазон операционного усилителя, так что обычно это означает максимум около 12 В (при условии питания ±15 В). К сожалению, это редко применимо, за исключением очень простых схем, где точность не имеет большого значения.

Операционный усилитель должен быть типом входа FET или MOSFET (CMOS), чтобы входной ток не разряжал (или не заряжал ! ! ) накопительный конденсатор. Все операционные усилители со входами на BJT (биполярные переходные транзисторы) не подходят в качестве буфера. Почтенный TL071 имеет заявленное входное сопротивление 1 ТОм (10 90 234 12 90 235 Ом), что намного выше, чем у любого биполярного транзисторного операционного усилителя. КМОП-операционные усилители, такие как TLC277, предлагают то же самое, и их будет сложно улучшить без использования специализированных (и дорогих) деталей. Импедансы на этом уровне требуют узкоспециализированной компоновки печатной платы, чтобы свести к минимуму паразитные утечки, которые могут быть намного больше, чем входы операционного усилителя.

Цепь сбрасывается нажатием кнопки. Это также можно сделать с помощью электронного переключателя, но также необходимо учитывать сопротивление утечки. Переключатель CMOS (например, 4066) подойдет для большинства схем, но они имеют ограниченный диапазон напряжения и сопротивление во включенном состоянии довольно велико, поэтому сброс необходимо будет активировать в течение нескольких миллисекунд, чтобы обеспечить полный разряд C1. . Утверждается, что ток утечки 4066 составляет 0,1 нА при 10 В (типичное значение), что соответствует сопротивлению около 100 ГОм. В этой (и многих других) схемах обнаружения пиков ограничением является диод. Предлагаемый BAS45A является гораздо лучшей альтернативой обычному 1N4148, поскольку имеет эффективное обратное сопротивление 75 ГОм при 125 В.

Примечание: Большинство стеклянных диодов имеют повышенную утечку, если они освещены, поэтому может потребоваться светонепроницаемая крышка, чтобы гарантировать утечку.

сохраняется на заявленном уровне. Обычно вам не о чем беспокоиться, но это становится критически важным в цепях с высоким импедансом. Эффект не широкий известны нормальные малосигнальные диоды, так что не стесняйтесь немного удивляться.

Я провел несколько тестов на диоде 1N4148 с обратным напряжением 10В. При низком уровне освещенности (ниже 10 люкс) сопротивление составляло 10 ГОм, а при моем обычном уровне настольного освещения (1200 люкс) оно упало до 2,5 ГОм. Когда уровень освещенности увеличили до 18 000 люкс, сопротивление упало до 670 МОм. Для сравнения, осенний прямой солнечный свет (в Австралии) измерялся более чем 80 000 люкс в 14:00 в тот день, когда я проводил тесты. Philips/NXP оценивают ток утечки BAS45A при уровне освещенности 100 люкс или менее.

Вы можете использовать обычный цифровой мультиметр на 10 МОм для простого измерения очень высоких сопротивлений. Поместите измеритель последовательно с тестируемым устройством (испытуемым устройством) и подайте подходящее напряжение (скажем, 10 В). Измеритель может показывать 1В, поэтому ток через устройство рассчитывается по закону Ома. 1 В на 10 МОм составляет 100 нА, поэтому сопротивление внешнего устройства можно снова определить с помощью закона Ома. Если напряжение питания составляло 10 В, на ИУ должно быть 9 В при токе 100 нА. Следовательно, сопротивление ИУ равно 90 МОм.

Пиковый детектор с активным диодом

Активный диод использует операционный усилитель для эффективного устранения смещения диода. Однако, если не соблюдать осторожность, схема имеет нежелательную характеристику, заключающуюся в том, что используемый операционный усилитель будет переключаться на отрицательную шину питания, когда входное напряжение ниже, чем сохраненное напряжение на конденсаторе. Это имеет два нежелательных эффекта. Во-первых, это означает, что операционный усилитель должен колебаться как минимум на половине общего напряжения питания, прежде чем он сможет что-либо сделать (например, перезарядить удерживающий конденсатор), и это серьезно ограничивает высокочастотную характеристику.

Во-вторых, это означает, что диод имеет гораздо большее, чем необходимо, обратное напряжение, что увеличивает ток утечки. Это может быть не очень много, но обычно мы ищем минимально возможную утечку, чтобы можно было увеличить время задержки. Высокая утечка в любом месте означает, что время удержания резко сокращается. Во многих случаях необходимо использовать меньший конденсатор, чем можно было бы себе представить, особенно если необходимо захватить очень быстрые переходные процессы. Следующая схема предполагает питание ±15 В.

Рис. 2. Детектор с активным диодом

Показанная схема активного диода использует диод внутри контура обратной связи операционного усилителя для эффективного устранения смещения 0,7 В, которое происходит в простой версии, показанной выше. Это обычная схема, и на практике она работает достаточно хорошо, если не важны длительное время удержания и высокая скорость. В некоторых случаях рекомендуется включить резистор последовательно с C1, чтобы ограничить перерегулирование, которое может произойти, если входной сигнал слишком быстр для операционного усилителя. Это означает, что операционный усилитель работает в разомкнутом контуре (без какой-либо обратной связи) до тех пор, пока выход не «догонит» вход. Это может быть очень серьезной проблемой для измерительных цепей, где входные сигналы могут быть намного быстрее, чем любой звуковой сигнал.

Все еще есть некоторые незначительные проблемы со схемой, основными из которых являются ограниченный ток заряда конденсатора и тот факт, что скорость ограничена, потому что выход U1 колеблется близко к отрицательной шине питания, когда входное напряжение отрицательное. Скорость нарастания операционного усилителя означает, что требуется время, чтобы выходное напряжение колебалось от -13 В или около того до пикового напряжения, плюс падение напряжения на диоде. Операционный усилитель работает без обратной связи до тех пор, пока выходное напряжение не станет таким же, как мгновенное (положительное) значение входа.

Усовершенствованный пиковый детектор с активным диодом

Эта версия включает в себя все необходимые дополнения для повышения скорости и минимизации обратного тока диода. Крышка заряжается непосредственно от выхода операционного усилителя. Это может обеспечить достаточный ток, если только входной сигнал не является особенно быстрым. В большинстве случаев это будет наиболее подходящая версия пикового детектора для сигналов звуковой частоты, и когда время задержки не должно превышать пару секунд. U1 не обязательно должен быть входом типа FET, потому что его вход не подключен к крышке накопителя.

Рис. 3. Усовершенствованный пиковый детектор с активным диодом

Дополнительный диод (D2) гарантирует, что выход операционного усилителя не будет колебаться ниже отрицательного входного напряжения (плюс падение напряжения на диоде), что повышает скорость детектора и минимизирует напряжение на диоде обнаружения пиков (D1). Это помогает уменьшить обратный ток утечки, но не является настоящим лекарством. Последним элементом схемы являются резисторы R3 и D3, которые запускают детекторный диод. В течение периода удержания одинаковое напряжение присутствует на обоих концах D1. В этом случае утечки через диод быть не может, и 1N4148 будет отлично работать даже с задержкой в несколько секунд.

Значения R2 и R3 не являются полностью произвольными. Показанные 10k хорошо работают в симуляциях, но в реальной схеме может потребоваться их настройка для достижения наибольшей точности. Эффекты довольно тонкие, поэтому (например) увеличение R2 до 100k означает, что выход будет немного больше, чем входной пик, а 10k означает, что он будет на аналогичную величину меньше. 10k — довольно обобщенное значение (и хорошее круглое число), но 47k оказалось «идеальным» (по крайней мере, при моделировании), но разница составляет долю 1%, и ее будет чрезвычайно трудно измерить. Значение R3 мало что меняет, но для удобства было выбрано 10k.

Обратите внимание, что, поскольку два операционных усилителя находятся в контуре обратной связи (через R2), необходимо учитывать вероятность переходного перерегулирования, если входной сигнал имеет очень быстрое время нарастания. Если это ожидается, вы можете использовать резистор (R4) последовательно с C1. Это значение необходимо выбрать таким образом, чтобы вы могли захватить ожидаемые импульсы, но свести к минимуму перерегулирование. Показанная комбинация (10 нФ и 100 Ом) позволяет точно зафиксировать импульс длительностью 5 мкс или более (лучше 1%), но это зависит от используемых операционных усилителей и должно быть оптимизировано в соответствии с вашими потребностями. Если U2 может обеспечить ток, значение R2 можно уменьшить для повышения скорости (менее 2,2 кОм, вероятно, не рекомендуется). Ожидать предельной точности на высоких частотах нереально, если только не используются очень быстрые операционные усилители.

Далее показан идеализированный случай формы выходного сигнала. Реакция схемы достаточно быстрая, чтобы гарантировать, что напряжение достигает пикового значения в первом цикле. Прямой привод от выхода операционного усилителя можно использовать только на относительно низких частотах (обычно синусоидальная волна ниже 10 кГц или импульсная волна с временем нарастания менее 15 мкс). Сильноточный. Схема высокоскоростной зарядки показана на Рисунке 5, если требуется большой накопительный колпачок или когда необходимо очень быстрое обнаружение пиковых значений. Для U1 потребуется операционный усилитель с высокой скоростью нарастания, чтобы обеспечить высокоскоростную работу.

Рис. 4. Форма сигнала обнаружения пиков

Имеются 3 пакета синусоидального сигнала частотой 1 кГц, каждый из которых длится 2 мс (2 цикла), и каждый имеет промежуток в 3 мс перед следующим входным пакетом. Отрицательные значения не обрабатываются. Входы имеют пиковое значение 100 мВ, 1 В и 2 В. Вы не ожидаете, что сохраненное напряжение изменится во время промежутка (отсутствие сигнала), но моделирование показывает, что существует очень небольшое падение напряжения в течение периода, когда нет сигнала. Это всего около 30 мкВ от входа 1 В, и этим можно пренебречь. Естественно, если заряд хранится дольше, напряжение упадет еще больше.

На основе моделирования, которое включает утечку диода и операционных усилителей, но , а не утечки конденсатора, печатной платы или переключателя, пиковое значение 2 В, накопленное конденсатором 10 нФ, упадет менее чем на 10 мВ за 2-секундный период. При тщательном проектировании это должно быть реализовано на практике. Это общая точность чуть менее 0,5% для времени удержания 2 секунды. Для улучшения этого можно использовать конденсатор большей емкости (например, 100 нФ).

Рис. 5. Сильноточный пиковый детектор

Могут быть случаи, когда необходимо обеспечить высокий зарядный ток конденсатора. Это будет иметь место, если вы пытаетесь поймать очень быстрых переходных процессов, или если крышка накопителя должна быть намного больше, чем обычно, чтобы обеспечить длительное время удержания. Добавление транзистора позволяет увеличить пиковый ток в C1 намного больше, чем может обеспечить большинство операционных усилителей. Диод (D3) необходим, потому что без него переход база-эмиттер транзистора может вызвать обратный пробой.

Транзистор в большинстве случаев не нужен, даже при относительно больших значениях C1. Однако схема будет ограничена работой только на низких частотах, с типичным верхним пределом синусоидальной волны около 1-10 кГц, в зависимости от размера конденсатора. Форма выходного сигнала не меняется ни с транзистором, ни без него, но R4 нужно выбирать тщательно, чтобы обеспечить минимальное перерегулирование. Обычно вы должны ожидать точность около 1% или выше, но это означает, что необходим оптимальный выбор компонентов и множество тестов для проверки производительности.

Обратите внимание, что точка соединения C1, D1, U2 _+In и переключатель сброса должны либо иметь защитное кольцо печатной платы, соединенное с U2 _Out, либо соединяться в воздухе, чтобы свести к минимуму поверхностную утечку. В техпаспорте LF13741 BiFET Opamp ^[3] есть информация о том, как добавить защитное кольцо, если вы не знаете, что это такое и как это сделать.

Заключение

Не каждый день вам понадобится пиковый детектор, способный сохранять захваченное пиковое напряжение в течение длительного периода времени. В большинстве случаев схема на Рисунке 1 может быть всем, что необходимо, и хотя она имеет смещение 700 мВ, это часто не имеет значения. Все остальные схемы имеют лучшую производительность, и версия, показанная на рис. 3, достаточна для подавляющего большинства прецизионных приложений. Во всех случаях вам нужно будет убедиться, что схема работает в соответствии с вашими потребностями, и может потребоваться прецизионный выпрямитель перед пиковым детектором для асимметричных (или неизвестных) сигналов.

Там, где требуются входные операционные усилители на полевых транзисторах, TL071 рекомендуется для большинства низкоскоростных приложений, поскольку трудно превзойти их, не тратя намного больше на прецизионную часть. Вы должны знать, что все операционные усилители имеют некоторое смещение входного постоянного тока, и для высокой точности необходимо будет использовать операционные усилители, которые обеспечивают возможность нулевого смещения. Например, это доступно в TL071, но , а не в TL072. В таблице данных для выбранного вами операционного усилителя будет подробно описано, как подключить нуль смещения. В большинстве случаев операционные усилители со смещенным нулем относятся к одному типу, хотя некоторые 14-контактные двойные операционные усилители также обеспечивают соединения.

Во всех показанных примерах время «атаки» (время, необходимое для зарядки C1) близко к мгновенному (если позволяют операционные усилители), но это не всегда желательно. Там, где требуется более медленное время атаки, резистор (R4), включенный последовательно с C1, как показано на рисунках 3 и 5, может быть увеличен для уменьшения скорости заряда. Для входных сигналов с очень быстрым временем нарастания резистор R4 необходим для минимизации перерегулирования, которое может привести к тому, что сохраненное значение превысит фактическое пиковое значение на 5-10% или более. Значение резистора необходимо выбирать в соответствии с вашими конкретными требованиями, и вы можете использовать потенциометр (или подстроечный потенциометр), чтобы настроить его для оптимального времени атаки. Перерегулирование вызвано конечной скоростью операционных усилителей, которые находятся в контуре обратной связи.

Разрядный резистор не показан, поскольку эти схемы являются настоящими пиковыми детекторами с преднамеренно большим временем задержки. Там, где требуется определенное падение напряжения, вместо кнопки «Сброс» (или параллельно с ней) помещается резистор. Значение зависит от вашего приложения. Постоянную времени можно вычислить как для атаки, так и для затухания, используя стандартную формулу …

.
t = R × C Где t — время в секундах, R — сопротивление в омах, а C — емкость в фарадах.
Помните, что 1 «постоянная времени» означает, что напряжение выросло до 63,2 % от максимума или упало до 36,8 % от пика. Чтобы было проще разобраться, используйте сопротивление в мегаомах и емкость в микрофарадах. Это дает вам ответ в секундах. Например, 1 МОм и 220 нФ (0,22 мкФ) имеют постоянную времени 220 мс. В некоторых случаях номинал резистора может быть очень большим (от 10 МОм до 1 ГОм или более). В этом случае обычно лучше увеличить значение C1, чтобы можно было использовать более низкое значение резистора.
Как и все примечания по применению на сайте ESP, это предназначено для того, чтобы предоставить вам основы, предупредить вас о потенциальных проблемах и дать вам отправную точку для дальнейших исследований. Это не строительные проекты, поэтому типы операционных усилителей (и номера контактов) не показаны, равно как и блоки питания или заглушки питания. Последние необходимы в любой реальной схеме, и их значение зависит от требований, предъявляемых к электронике.
Ссылки
Диэлектрическое поглощение — Википедия
Моделирование диэлектрического поглощения в конденсаторах — Кен Кундерт
LF13741 Технический паспорт на операционный усилитель BiFET
Основной индекс Приложение. Примечания Алфавитный указатель
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Rod Elliott и защищена авторским правом © 2017. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, будь то электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены в соответствии с Международные законы об авторском праве.
Навигация по записям
Предыдущая запись:
Гипсокартонные арки: Как сделать арку из гипсокартона?
Следующая запись:
Как спрятать трубы в ванной: 7 способов, как спрятать трубы в ванной комнате
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *
Имя *
Email *
Сайт

Найти:
Рубрики
Заземление
Защита
Изоляция
Инструменты
Кабели
Как правильно
Монтаж
Подключение
Полезные советы
Правила
Электропроводка
Разное
Найти:

Специальные | Новые продукты | Лидеры продаж | Связаться с нами | Доставка | Карта сайта