устройство усиления электрических сигналов с синхронным интегратором

Формула изобретения

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

Описание изобретения к патенту

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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