Микросекундный интегратор фототока с фазовой задержкой прерывания интегрирования

Схема, представленная на рисунке 1, представляет собой двухканальный микросекундный интегратор фототока с фазовой задержкой длительности интегрирования, иначе говоря это оптический фотоприёмник, позволяющий детектировать стробоскопические оптические импульсы разной скважности и длительностью от долей микросекунд до десятков миллисекунд без перестройки длительности времени интегрирования, так как этот параметр зависит от фазы входного сигнала, и последующим импульсом сброса интегрирования.

Два канала интегрирования А1 и А2 нужны для последующей суммарно-разностной обработки сигнала с выхода интеграторов. В данной схеме используется интегратор фототока, выходной сигнал интегратора пропорционален площади участка ограниченного амплитудой напряжения и осью времени, если входной сигнал - постоянный ток, то выходной - возрастающая наклонная плоскость напряжения рис 2а. Точное аналоговое интегрирование осуществляется ОУ А1 и А2 с емкостной ОС – С3 и С4 . Основные составляющие ошибок интегрирования обусловлены напряжением смещения нуля Uсм и входными токами ОУ. Для устранения последнего был использован операционный усилитель в качестве интегратора с входными каскадами на полевых транзисторах, т.к. их затворы практически не потребляют тока, и весь фототок, генерируемый фотодиодом ФД1 и ФД2, течет через интегрирующие ёмкости С3 и С4 рис.1 ,а скорость возрастания выходного напряжения определяется величиной фототока. Напряжение смещения нуля Uсм может вызвать существенный дрейф выходного напряжения и может вызвать ложное срабатывание компаратора А3, что привело бы к сбою в работе схемы. Поэтому в качестве интегратора применялась микросхема операционного усилителя фирмы Texas Instruments ОРА350, которая имеет уровень смещения нуля выходного сигнала всего несколько милливольт и позволяет корректировать этот параметр при помощи потенциометров R7 и R8. Как известно, выходное напряжение интегратора, достигнутое в процессе интегрирования, не уменьшается до нуля при последующем нулевом вход­ном сигнале, а продолжает оставаться на заданном уровне при отсутствии “паразитных” входных фототоков, а в противном случае изменяться и достигает максимального значения Uип. Для компенсации “паразитных” входных фототоков возникающих в отсутствие стробоскопического импульса используется комбинированная оптопара, состоящая из фотодиода, включённого в обратной полярности, и светодиода - СД1, ФД3 и СД2, ФД4. Корректировка компенсации осуществляется потенциометрами R1 и R2 до тех пор, пока выходной сигнал интегратора при отсутствии входного импульса не станет горизонтальной линией или нулём. Это говорит о правильной работе интегратора, однако последнее делает практически невозможным правильное интегрирование последующих сигналов, так как для измерения и сравнения оптических импульсов перед их интегрированием необходимы одинаковые начальные условия. Для устранения этого эф­фекта выходное напряжение интегратора периодически необходимо «сбрасы­вают» до Uсм. В интеграторе для «сброса» используются ключи сброса, микросхема DD1 на рис. 1. К176КТ1 или К561КТЗ, при замыкании которых ёмкости С3 и С4 разряжается, и выходное напряжение падает до напряжения смещения нуля. Здесь управляющей «кнопкой» служит вход Е1 и Е2. В режиме «сброс» (ключ замкнут) задаются начальные условия интегрирования. Такой электронный контакт и цепь его нагрузки с источником управляющего сигнала гальванически не связаны.

Для формирования импульса сброса используется цепь , содержащая микросхему А3 компаратор, который работает следующим образом. С выхода 6 первого интегратора рис. 1. сигнал поступает на сравнивающее устройство –компаратор, который срабатывает при равенстве опорного сигнала и сигнала с выхода интегратора, уровень которого составляет 20 мВ ,рис. 2а и 2в, и корректируется потенциометром R10. Поэтому существенный дрейф нуля выходного сигнала предшествующего каскада интегратора вызвало бы ложное срабатывание компаратора и сбой в работе схемы. Компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления при полном отсутствии шумов во входном сигнале и малый дрейф нуля . Такую характеристику можно получить, используя усилитель с очень большим коэффициентом усиления, этим требованиям отвечает ОУ ОРА350РА, имеющий возможность работы от однополярного источника питания. На выходе получается сигнал TTL. Далее выходной логический сигнал с компаратора поступает на схему формирования фазовой задержки импульса сброса интегратора, рис. 2б.

Поскольку задержка импульса сброса интегратора не должна зависеть от частоты входного сигнала, поскольку стробоскопические сигналы поступающие на вход интегратора ФД1 и ФД2 имеют различную длительность и скважность, поэтому для формирования задержки импульса сброса была использована микросхема DD2 цифрового таймера КР1006ВИ1 для формирования фазовой задержки импульса сброса. Сущность работы схемы состоит в том, что конденсатор С13 линейно заряжается через последовательно соединенные резисторы R11 и R13, линейно разряжается через резистор R13. С приходом сигнала с компаратора начинается процесс линейной зарядки конденсатора до напряжения Uпор=1/2 Uпит. При достижение этого значения конденсатор начинает линейно разряжаться, даже при наличие сигнала на входе. При разряде конденсатора на выходе микросхемы формируется сигнал прямоугольный формы, именно этот сигнал и является сигналом фазовой задержки. Данная схема формирует фазовую задержку φ и стабильно работает при 0<φ<180 градусов.

Для увеличения частотного диапазона ёмкость конденсатора лучше брать 1 мкф. Сопротивление резистора R11 в большинстве случаев можно принять равным 100 кОм. Корректировку фазового сдвига производят потенциометром R13 и лучше выбирать номинал равным 100 кОм. Далее по отрицательному перепаду импульса с выхода таймера запускается ждущий мультивибратор DD3. Используя различные номиналы элементов R12 и С11 можно задать другое требуемое время работы мультивибратора. Мультивибратор формирует импульс длительностью 20 мс ,рис. 2г, поступающий на управляющие входы электронных ключей Е1 и Е2 микросхемы DD1, шунтирующих ёмкости интеграторов С3 и С4, и обнуляющих сигналы на выходах 6 интеграторов, тем самым создавая начальные условия для обработки последующих стробоскопических импульсов. С выходов 6 сигналы интеграторов поступают для последующей суммарно разностной обработки.