Схема в этой статье прогнозирует конечное значение изменяющегося входного сигнала и мгновенно устанавливает его на выходе. Принцип ее работы основан на том, что ожидаемый входной сигнал изменяется экспоненциально с известной постоянной времени. Идея этой схемы была заимствована из электронного термометра 1970-х годов с мгновенным считыванием результатов, который показывал температуру тела пациента в течение нескольких секунд после того, как датчик термометра был помещен пациенту под язык. В схеме используется тот факт, что характер экспоненциальной зависимости теплового отклика датчика заранее известен.
 |
|
| Рисунок 1. | На выходе этой прогнозирующей схемы мгновенно устанавливается конечное напряжение экспоненциального входного сигнала. |
Для выполнения математических операций в схеме используется счетверенный rail-rail операционный усилитель (Рисунок 1). Вход схемы находится в узле X. В этом узле RC-фильтр с постоянной времени 500 мс усредняет ШИМ (широтно-импульсно модулированный) сигнал частотой 1 кГц. Желаемый выходной сигнал представляет собой постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения ШИМ. Для уменьшения пульсаций постоянная времени должна быть большой. Для получения мгновенного выходного отклика этот входной сигнал дифференцируется с той же постоянной времени. Входным сигналом является напряжение на конденсаторе С1, изменяющееся от начального значения VI к конечному значению VF. Постоянная времени устанавливается цепочкой R1 и C1 и определяет следующий характер изменения напряжения:
где e – иррациональная константа, приблизительно равная 2.718281828. Затем, чтобы предотвратить ограничение, сигнал буферизуется с помощью инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления одна вторая. Пренебрегая для наглядности постоянным смещением, выходной сигнал переменного тока в узле VB можно описать следующей функцией постоянной времени RC:
Далее инвертированный сигнал дифференцируется усилителем IC1. Постоянная времени дифференцирующего усилителя устанавливается элементами R2 и C2. Коэффициент усиления дифференцирующей схемы увеличивается с частотой, что делает такие схемы склонными к неустойчивости. Для сохранения устойчивости используются элементы R5 и C8. В нижней части диапазона полезных частот функция схемы определяется элементами R2 и C2, как показано в следующей формуле:
R1 и C1 задают постоянную времени для входного сигнала, и ее можно сделать равной постоянной времени дифференцирующей схемы R2•C2. Эта операция взаимно уничтожает члены в формуле и упрощает выражение для выходного напряжения, показанное ниже:
Из-за масштабирования, необходимого для предотвращения ограничения, этот сигнал суммируется с входным напряжением с весовым коэффициентом и представляется на неинвертирующем входе усилителя IC4 как напряжение VIC4+IN:
Обратите внимание, что первый и последний члены предыдущей формулы взаимно уничтожаются. Затем коэффициент усиления IC4 нужно установить равным трем, как показано в следующей формуле:
Когда входной сигнал начинает изменяться по известному экспоненциальному закону, выходной сигнал предвосхищает результат и мгновенно переходит к тому значению, которое было бы конечным напряжением (Рисунок 2). Эту схему можно использовать во многих приложениях, имеющих фиксированную входную постоянную времени.
 |
|
| Рисунок 2. | Прогнозирующая схема ускоряет реакцию медленного экспоненциального сигнала (желтый) и обеспечивает почти мгновенный переход к конечному значению с очень незначительным выбросом (зеленый). |
Купить LTC6257 на РадиоЛоцман.Цены
