Прецизионный пиковый детектор на обычных компонентах

Если Вам понадобится прецизионный пиковый детектор, то его можно собрать на одном или нескольких операционных усилителях с соответствующими компонентами обрамления. Такая схема обычно хорошо работает на частотах до нескольких килогерц. Характеристики детектора зависят как от требуемой частоты входного сигнала, так и от размаха входного напряжения.

Кликните для увеличения

Рисунок 1. Эта схема без прецизионных компонентов обеспечивает прецизионное выпрямление.

Надписи на схеме
HIGH-IMPEDANCE BUFFER	Буферный усилитель с большим входным сопротивлеием
AC INPUT	Вход переменного напряжения
OFFSET ADJUST	Подстройка смещения
GAIN ADJUST	Подстройка усиления
DC OUTPUT	Выход постоянного напряжения

В схеме на Рис.1 применен недорогой, с умеренным быстродействием компаратор, вместо обычно используемых быстродействующих операционных усилителей. Эта простая и недорогая схема работает с высокой точностью в широком диапазоне частот. Цена компонентов примерно $3.50.

Выделенный штриховой линией истоковый повторитель на полевом транзисторе Q₁, обладая высоким входным сопротивлением, буферизует входное напряжение компаратора.
Операционный усилитель IC_2D с точностью до нескольких милливольт поддерживает равенство напряжений на затворе Q₁ и на входе компаратора, в точке сединения D₁ и R₃.
Если импеданс источника сигнала детектора не превышает 150 Ом, часть схемы, выделенная штриховой линией, может быть удалена. Но в этом случае, при измерениях сигналов от источников с повышенным внутренним сопротивлением, точность детектора будет ухудшаться.

Компаратор IC₁ LM306 с достаточной скоростью обеспечивает заряд запоминающего конденсатора С₃ в диапазоне от 25 Гц до частот выше 1 МГц при пиковых уровнях входных напряжений от 500 мВ до 4 В. Небольшой гистерезис, в несколько милливольт, увеличивает скорость переключения компаратора и исключает генерацию, когда входное напряжение находится вблизи порога переключения.
По сути, в этой схеме формируется собственное опорное напряжение на инвертирующем входе компаратора. До тех пор пока напряжение на неинвертирующем входе компаратора превышает напряжение на его инвертирующем входе, на выходе компаратора будет высокий уровень, заряжающий конденсатор С₃, пока напряжение на конденсаторе на несколько милливольт не превысит напряжение на неинвертирующем входе. Затем компаратор прекратит заряд конденсатора С₃ до тех пор, пока цикл не повторится. Таким образом гарантируется приблизительное равенство напряжения на запоминающем конденсаторе С₃ и пикового напряжения на входе компаратора. Выход компаратора связан с запоминающим конденсатором С₃ через пару диодов Шотки D₂ и D₃. Для предотвращения утечки заряда запоминающего конденсатора С₃ цепь обратной связи с выхода IC_2A с точкой соединения диодов D₂ и D₃ фиксирует потенциал на ней 0 В во время, когда диод D₃ заперт [2].

Кроме того, эта обратная связь запирает диод D₂, когда выход компаратора переключается в низкий уровень. Малый ток смещения входа на полевом транзисторе операционного усилителя IC_2A не разряжает С₃ в моменты между импульсами заряда. Операционный усилитель IC_2C буферизует инвертирующий вход компаратора с той же целью. Резистор R₁₁ сопротивлением 10 МОм служит для того, чтобы после снятия входного сиганала за 2…3 сеунды полностью разрядить запоминающий конденсатор С₃.

Фильтр R₁₃ и C₆ удаляет из постоянного выходного напряжения практически все производимые компаратором шумы. R₁₄ немного ослабляет выходной сигнал, чтобы иметь возможность в пределах порядка ±2% подстраивать выходное напряжение резистором R₁₅. Для достижения наилучшей точности, резистором R₁₅ установите минимальное усиление и подайте на вход сигнал частотой 10 кГц и амплитудой 500 мВ. Резистором R₉ добейтесь, чтобы постоянное напряжение на выходе тоже равнялось 500 мВ. Затем, подав на вход сигнал 10 кГц, 4 В, установите резистором R₁₅ выходное напряжение 4.010 В. Проверьте работу детектора, и при необходимости, повторите эти две настройки еще раз.

Если прецизионный источник сигнала переменного тока недоступен, для выполнения калибровки этой схемы можно использовать точный источник постоянного напряжения и вольтметр с большим входным сопротивлением. Подайте на вход 500 мВ постоянного напряжения и потенциометром R₉ установите 499 мВ на 10 выводе IC₂. Затем на вход подайте 4 В постоянного напряжения и потенциометром R₁₅ установите напряжение 3.980 В на выводе 8 IC₂. Максимальное пиковое входное напряжение схемы примерно 5 В, поскольку в спецификации на микросхему LM306 указано максимальное входное напряжение ±7 В. Точность схемы снижается когда пиковое входное напряжение превышает 4 В. Не забывайте включать последовательно со входом прибора разделительный конденсатор, если в измеряемом сигнале содержится постоянная составляющая, которая в сумме с основным сигналом может превысить 5 В.

В Таблице 1 приведены результаты испытаний этого прибора.

Таблица 1. Результаты испытаний пикового детектора

Пиковое напряжение на входе Частота 25 Гц 50 Гц 100 Гц 1 кГц 10 кГц 100 кГц 1 мГц 2 мГц 3 мГц 500 мВ 2 0.6 0.2 0 1 0.8 -0.5 -3.2 -5.4 1 В 1,8 0.4 0 0.1 0.8 0.7 -1,3 -3 -5.2 2 В 2.1 0.4 0.1 0.3 1 1.4 -0.6 -2 -3.8 4 В 2 0.8 0.5 0.5 0.8 0.8 -0.5 -1.8 -3.5

При желании, вы можете удалить из схемы резисторы R₉, R₁₀, R₁₄, R₁₅ и R₁₆, она и без них будет хорошо работать.

Ссылки

1. "Fast amplifiers simplify ac measurement," EDN, May 9, 1996, pg 100.
2. Williams, Jim, A Designer's Guide to Innovative Linear Circuits, Volume II, Cahners Publishing, 1987.
3. Graeme Jerald, "Peak detector advances increase measurement accuracy, bandwidth," EDN, Sept 5, 1974, pg 73.