Измерители амплитуды (пиковые детекторы).

Пиковые детекторы предназначены для измерения максимального за некоторый отрезок времени значения сигнала. Работу пикового детектора можно пояснить на примере простой схемы, состоящей из идеального диода и конденсатора.

Простейший пиковый детектор:

о — схема, б — эпюра выходного напряжения

 

Пиковые детекторы могут работать в двух различных режимах — слежения и хранения. В режиме слежения входной сигнал больше напряжения на конденсаторе, диод открыт и выходное напряжение детектора соответствует входному до тех пор, пока входное напряжение не начнет снижаться. В этот момент устройство переходит в режим хранения б), в котором будет оставаться до тех пор, пока входное напряжение вновь не превысит ранее достигнутого уровня. Для возврата схемы к первоначальному состоянию используется ключ S.

Схема наа) имеет много недостатков. Во-первых, зафиксированное выходное напряжение постепенно уменьшается из-за разряда конденсатора. Во-вторых, из-за падения напряжения на диоде выходное напряжение несколько отличается от входного в режиме слежения. И наконец, время заряда конденсатора довольно значительно, а это ограничивает быстродействие схемы, минимальную длительность обнаруживаемого импульса и максимальную скорость нарастания выходного напряжения. При выборе емкости конденсатора приходится учитывать два противоречивых требования: уменьшение скорости спада и повышение скорости нарастания. Большая емкость конденсатора гарантирует меньшую скорость спада, поскольку напряжение на конденсаторе будет изменяться относительно медленно. Однако по этой же причине снизится скорость нарастания и уменьшится точность обработки коротких импульсов.

Схема пикового детектора на двух операционных усилителях

 

На рисунке приведена усовершенствованная схема пикового детектора.

Падение напряжения на диоде компенсировано включением его в цепь отрицательной обратной связи неинвертирующего повторителя. В результате при открытом диоде разность V _IN — V ₁равна напряжению смещения нуля усилителя У₁. Благодаря этому конденсатор С заряжается практически до максимального значения входного напряжения. Повторитель напряжения на У₂ весьма незначительно нагружает конденсатор, так что пиковое значение запоминается на очень долгое время. С помощью ключа S конденсатор разряжается перед новым измерением.

Усилитель У₁ в этой схеме работает на емкостную нагрузку, поэтому возможно его самовозбуждение. Этот эффект может быть устранен включением резистора R. Это приведет, однако, к увеличению времени нарастания за счет асимптотического приближения напряжения на конденсаторе к стационарному значению. Другим недостатком этой схемы является то, что У₁ переходит в режим ограничения при V _IN < V ₁. Эти факторы обуславливают надлежащую работу этой схемы только в области низких частот.

Лучшими характеристиками обладает пиковый детектор, схема которого приведена на следующем рисунке.

 

Усовершенствованная схема пикового детектора

 

Здесь ОУ V ₁ использован в инвертирующем включении. Если V_IN > — V _C(R ₁ / R ₂), напряжение V ₁ становится отрицательным и диод VD ₁ проводит ток. Благодаря отрицательной обратной связи, охватывающей оба усилителя, v _{OUT =} V _IN (R ₂ / R ₁ ). При этом исключается влияние падения напряжения на диоде VD ₁, а также напряжения смещения усилителя У₂. Если входное напряжение начинает снижаться, то V ₁ нарастает. Диод VD ₁ закрывается, а диод VD ₂ открывается, замыкая внутреннюю обратную связь усилителя У₁ и не давая ему заходить в область насыщения. Пиковое напряжение, инвертированное и масштабированное в (R ₂ / R ₁) раз запоминается на конденсаторе.