Амплитудные дискриминаторы. Основные характеристики амплитудных дискриминаторов

Амплитудные дискриминаторы

Часто необходимо знать не абсолютное значение измеряемой величины, а то, что эта величина больше или меньше некоторого порогового значения.

Амплитудные дискриминаторы – это пороговые устройства, вырабатывающие стандартных выходной сигнал в случае, когда амплитуда входного сигнала превышает заданный порог, или заключена между двумя порогами.

Первые устройства называют интегральными, вторые дифференциальными дискриминаторами.

В экспериментальной физике амплитудные дискриминаторы используются в частности при разделении шумовых и полезных импульсов, а также для грубой селекции событий по энергии. Иногда пороговые устройства пропускают на выход часть входного сигнала, превышающую порог дискриминации, но не стандартизируют это сигнал – это пропускающие линейные дискриминаторы. Если пропускаемая часть усиливается, то это пороговые усилители.

Амплитудные дискриминаторы находят широкое применение при амплитудном анализе сигналов, приведении сигналов к стандартным логическим уровням цифровых схем, усилителях – ограничителях сигналов и т.д.

Основные характеристики амплитудных дискриминаторов

1.  Пороговое напряжение – входное напряжение, при котором выходное напряжение равно порогу переключения для данных логических уровней.

2.  Чувствительность – минимальное приращение сигнала на входе, после которого выход переходит из одного логического уровня к другому ( для ТТЛ от 0. 3 В до 2.4 В).

3.  Стабильность порогов – зависимость порогового напряжения от температуры, питающего напряжения,… :  dVпорог/dT,   dVпорог/dVпитания,…

4.  Динамический диапазон – максимальная разность входного и порогового напряжений, при котором сохраняются параметры дискриминатора.

5.  Линейность – для линейных дискриминаторов.

6.  Быстродействие в зависимости от назначения дискриминатора может определяться по разному.

·   Зависимость чувствительности от длительности входного сигнала. Обычно при уменьшении длительности сигнала чувствительность падает. Часто чувствительность зависит от порогового напряжения.

·  Характеристикой быстродействия может также являться зависимость порога срабатывания от скорости нарастания входного напряжения.

7.  Мертвое время – связано с работой времязадающих цепей дискриминатора (ждущему мультивибратору после формирования импульса требуется время для восстановления перед следующим запуском).

Простейший интегральный дискриминатор – закрытый диод, на выходе которого включен формирователь импульсов. Поскольку диод обладает малыми временами включения/ выключения, такого рода схемы имеют быстродействие – единицы и доли наносекунды. Недостаток – невысокая чувствительность и зависимость порога переключения от температуры (~ 2мв/град). Последняя может быть уменьшена введением схемы компенсации (идентичный диод  в цепи смещения).

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев для построения  дискриминаторов применяются интегральные схемы, в которых чаще всего в качестве сравнивающего устройства используется дифференциальный каскад обычно на биполярных транзисторах с последующем усилением.

Операционные усилители в качестве сравнивающего устройства имеют ряд преимуществ – высокое разрешение, стабильность порога срабатывания, высокую чувствительность. Однако быстродействие их невысокое и поэтому их применяют при небольших скоростях изменения сигнала. Кроме того часто в схеме требуется применять дополнительные детали для согласования их с логическими элементами. 

Из уравнения для токов, втекающих в узел, соединенный с инвертирующим входом ОУ для момента переключения, следует: V_вх/R1 + V_порог./R2 = 0. (Входным током ОУ пренебрегаем). Отсюда порог переключения дискриминатора равен: 

Наиболее широко применяемыми элементами для построения дискриминаторов в настоящее время является интегральные компараторы. Это операционные усилители специального назначения, предназначенные для сравнения двух входных сигналов. Напряжение на выходе компаратора скачкообразно меняется при изменении знака разности этих сигналов. Уровни выходных сигналов компараторов соответствуют уровням логических сигналов интегральных микросхем.

Характеристики компараторов:

1.  Напряжение сдвига

2.  Дрейф напряжения сдвига (зависимость от температуры и напряжения питания

3.  Входной ток компаратора, его температурная зависимость, разность входных токов

4.  Задержка переключения – время от момента стандартного изменения входного сигнала до момента перехода выходного напряжения порогового значения логических уровней.

dV – напряжение перевозбуждения. Если не оговорено особо, по умолчанию принимается dV = 5мВ.

 Компараторы имеют большой коэффициент усиления и высокое быстродействие, поэтому, если на входе сигнал изменяется медленно, то шумы сигнала, наводки а также неудачный монтаж может приводить к ложным переключениям компаратора. Для устранения этого эффекта вводят гистерезис. Это хотя и уменьшает точность, но повышает помехоустойчивость.

Компаратор с гистерезисом – триггер Шмидта. Гистерезис создается введением положительной обратной связи. Часть выходного сигнала подается на неинвертирующий вход компаратора. Предполагая, что входной ток компаратора мал, найдем напряжение на неинвертирующем входе компаратора при напряжении на выходе, равном логической единице:  Vвых = V¹. 

. Очевидно, это будет входное напряжение Vc, при котором компаратор переключается из состояния его выходе V¹ в V⁰. Аналогично найдем напряжение переключения компаратора из состояния на выходе Vвых = V⁰ .          .

Решая совместно эти два уравнения, можно найти V_опорн. и отношение сопротивлений R1/R2.  Далее, задавая сопротивление R1, найдем R2. R1 можно задать из условия, чтобы напряжение, наведенное на нем входным током компаратора, было много меньше Vc. Например:  R2

Примеры компараторов, выпускаемых промышленностью.

597СА3- сдвоенный компаратор со стробированием по выходу

tзад = 300 нсек. Vсм. = 5мв

597СА1 – быстродействующий компаратор имеет два режима работы: слежение и хранение. Режим хранения обеспечивается введением триггерной схемы, запоминающей логическое состояние компаратора в момент подачи сигнала «строб». Лог.0 – хранение, лог.1 – слежение. Логические уровни – ЭСЛ стандарта – лог.1 - -0.85В, лог.0 - -1.65В. Апертурная неопределенность выборки – 0.5 нсек.    tзад = 6.5 нсек (4нсек- типовое).

Дифференциальный дискриминатор может быть построен на схеме 2ИЛИ-НЕ. Такая схема вырабатывает на выходе лог.1, когда входное напряжение заключено между двумя порогами и равно лог.0 во всех остальных случаях.  Данная схема работает правильно, если амплитуда входного импульса ниже нижнего порога или заключена между двумя порогами. Если же амплитуда импульса больше верхнего порога, то схема вырабатывает пару «ложных импульсов в момент, когда напряжение на входе находится между порогами. Как видно из рисунка, длительность этих «ложных» импульсов меньше, чем «нормальных». Если сделать дополнительное устройство, подавляющее импульсы с малой длительностью, то работа такого устройства будет соответствовать дифференциальному дискриминатору.

Более сложная схема дифференциального дискриминатора и его временная диаграмма показана на рисунке ниже.