一种可调延时自复位的峰值保持电路及方法

1.本发明涉及航空航天、峰值保持电路领域，特别涉及一种可调延时自复位的峰值保持电路及方法。


背景技术：

2.信号幅值是分析各类空间环境探测器探测指标的基本参数，其测量准确度尤为重要。作为对传感器及前端放大器信号的二次处理，以及后端数据采集单元的输入，峰值保持电路是决定探测器性能的关键。
3.目前国内的粒子辐射探测类载荷的峰值保持电路主要使用一些国产专用集成电路(如华诚常州半导体厂的mlt9821)或者国外进口产品(如美国amptek公司的ph300)。国产专用集成峰值保持电路一般使用三极管作为控制电容充放电的核心器件，输入输出信号线性度较差、功耗较大，功能单一，不能灵活调节复位时间以及复位脉冲宽度；amptek公司的ph300是一种混合集成电路，内部集成了运放、缓冲器、复位电路等，其优点是线性度高，功能较全，但需要较多的外部控制信号来控制其实现逻辑，从而占用较多的cpu或者fpga资源，同时引入数字信号对该器件进行控制，容易引起数字电路对模拟电路的电磁干扰。另外，国外对出口器件的限制和我国关键领域元器件国产化的需求也促使粒子辐射探测载荷产品向国产化发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提出一种可调延时自复位峰值保持电路及方法。
5.为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
6.本发明提出了一种可调延时自复位的峰值保持电路，所述峰值保持电路包括：传输门可控充放电模块和时间可调复位模块；其中，
7.所述传输门可控充放电模块，包括：第一传输门、第二传输门和峰值保持电容；所述第一传输门的输出串联到第二传输门的输入，其中一个传输门导通或断开时，另一个传输门断开或导通，分别形成传输门充电回路和传输门放电回路；
8.所述时间可调复位模块，用于在峰值电压信号保持结束时断开前端信号的输入，同时控制第一传输门和第二传输门形成传输门放电回路使峰值保持电容开始放电；用于在前端未有信号输入时和在峰值电压信号复位结束时控制第一传输门和第二传输门形成传输门充电回路；还用于对峰值保持电路输出的峰值信号进行保持，保证后端采集电路对峰值信号的采集。
9.作为上述技术方案的改进之一，所述峰值保持电路还包括信号跟随模块，用于对峰值保持电容的电压进行跟随，并将峰值保持信号输出到后端采集电路。
10.作为上述技术方案的改进之一，所述信号跟随模块包括：交流耦合电路和电压跟随器。
11.作为上述技术方案的改进之一，所述峰值保持电路还包括触发电路模块，用于在前端无信号输入时输出低电平信号；还用于在接收到信号跟随模块输出的电压信号时，将电压与预设的阈值电压进行比较，并在接收的跟随电压不大于阈值电压时输出低电平信号，在接收的跟随电压大于阈值电压时输出高电平触发信号；
12.其中，输出的低电平信号和高电平触发信号用于对时间可调复位模块输出的复位信号及其逻辑非信号进行控制。
13.作为上述技术方案的改进之一，所述触发电路模块包括隔直电路和一个比较器。
14.作为上述技术方案的改进之一，所述时间可调复位模块，包括：延时电路、第一反相器和第二反相器；
15.所述延时电路，用于对峰值保持信号进行延迟，保证后端采集电路对峰值保持信号的采集；
16.所述第一反相器和第二反相器，用于根据低电平信号或高电平触发信号产生复位信号及其逻辑非信号并分别传输到第一传输门和第二传输门，控制第一传输门和第二传输门的导通或断开。
17.作为上述技术方案的改进之一，所述延时电路的时间常数td根据前端输入信号的上升沿时间tr和设定的信号保持时间th确定，具体为：td＝tr+th。
18.作为上述技术方案的改进之一，所述峰值保持电路对前端输入信号的处理周期t＝2*td。
19.作为上述技术方案的改进之一，所述传输门可控充放电模块还包括输入信号预处理电路；
20.所述信号预处理电路，包括：第一嵌位二极管、第二嵌位二极管、隔离二极管和两个分压电阻；其中，
21.所述第一嵌位二极管和第二嵌位二极管，用于对前端输入的信号进行电压限制；
22.所述隔离二极管，用于对电压限制后的信号进行反向禁止；
23.所述两个分压电阻，用于开启隔离二极管使之保持正向导通。
24.本发明还提出了一种可调延时自复位的峰值保持方法，所述方法包括：
25.当前端未有信号输入峰值保持电路时，触发电路模块输出低电平信号进入时间可调复位模块，时间可调复位模块控制第一传输门导通、第二传输门断开；
26.当前端有信号输入峰值保持电路时，峰值保持电容开始充电，当充电电压未超过设定阈值时，触发电路模块输出低电平信号进入时间可调复位模块，时间可调复位模块控制第一传输门导通、第二传输门断开；
27.当充电电压超过设定阈值电压时，触发电路模块输出高电平触发信号进入时间可调复位模块，经延时后，时间可调复位模块控制第一传输门断开、第二传输门导通，峰值保持电容开始放电；在延时时间内，信号到达峰值并进行保持；
28.当复位信号结束时，时间可调复位模块控制第一传输门导通、第二传输门断开。
29.本发明与现有技术相比优点在于：
30.1、可根据输入信号的时间常数灵活调节复位脉冲的起止时间，从而以最优的时间管理方案最大限度的提高计数率；本技术的计数率可以高于105/s，具体根据实际调整的复位时间确定；
31.2、通过对两个传输门的控制实现对电容的快速充放电，不使用非线性器件，提高输出信号的线性度；
32.3、通过对两个传输门的控制实现在信号复位的同时，切断前端输入信号，从而避免高计数率下造成的信号叠加或者复位不完全等现象；
33.4、复位不使用外部数字电路控制，逻辑电平成对输出，减小数字电平对模拟电路的干扰。
附图说明
34.图1是峰值保持电路构成及内部连接关系；
35.图2是传输门可控充放电模块；
36.图3是信号跟随模块；
37.图4是触发电路模块；
38.图5是可调延时复位模块。
具体实施方式
39.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
40.实施例1
41.本发明的实施例1基于给出了一种可调延时高计数率自复位峰值保持电路。
42.1.电路构成及连接关系
43.本发明电路包含传输门可控充放电模块、信号跟随模块、触发电路模块、时间可调复位模块四部分。各部分连接关系如图1所示。
44.其中，传输门可控充放电模块包括输入信号预处理电路(基线恢复电路，接口保护，基准电压)、传输门充电回路、传输门放电回路以及峰值保持电容。该模块主要实现对峰值保持电容的充电和放电控制，电路结构如附图2所示。
45.信号跟随模块包括交流耦合电路和电压跟随器，该模块用于对峰值保持电容的信号进行跟随，电路结构如附图3所示。
46.触发电路模块包括一个比较器及其外围电路，该模块向后端数据采集处理模块输出一个触发信号，同时把该信号输出到时间可调复位模块，电路结构如附图4所示。
47.时间可调复位模块包括由非门组成的延时电路和两个反相器，用于产生复位信号r及其逻辑非信号r非，控制上述两个传输门的通断，电路结构如附图5所示。
48.2.电路工作原理
49.峰值保持电路在没有信号输入时，触发电路模块的输出为低电平，因此时间可调复位模块的r非输出为高电平、r信号输出低电平，从而传输门可控充放电模块的第一传输门u1-1导通，第二传输门u1-2断开，信号可以经该模块的d3、第一传输门u1-1对峰值保持电容c2充电；当传感器信号经前置放大器、主放大器后输入到传输门可控充放电模块，对峰值保持电容c2充电，充电电压达到最大值时，由于第二传输门u1-2断开，峰值保持电容c2无放电回路，该电压保持最大值，该电压信号经跟随模块后输出到触发电路模块，(信号高于比较电压时)产生一个触发脉冲，该脉冲经时间可调复位模块延迟后，经过两个非门产生复位脉冲信号r及r非，此时r信号由低电平跳转到高电平，r非信号由高电平跳转到低电平，从而
传输门可控充放电模块的第一传输门u1-1断开，第二传输门u1-2导通，该模块的峰值保持电容c2经第二传输门u1-2开始放电，峰值保持电容c2的电压减小，最终导致触发电路模块的输出电平由高到低翻转，从而导致r及r非信号翻转，电路状态恢复到初始状态，一个信号处理周期完成。
50.3.技术方案
51.峰值保持电路的四个模块有机的结合在一起，最终实现不需外部控制的独立的工作单元，而其计数率、线性度以及抗干扰能力等方面又具备优越的性能。下面分别对四个模块进行技术方案说明与分析。
52.模块一：传输门可控充放电模块
53.模块一是峰值保持电路的核心模块。该模块使用嵌位二极管d1和d2对输入信号进行电压限制，以保护传输门电路，避免锁定；对于高计数率下的信号基线漂移，采用二极管d1进行快速恢复；为避免峰值保持电容c2反向放电，采用二极管d3进行信号反向禁止。
54.第一传输门u1-1用于控制对峰值保持电容c2充电，第二传输门u1-2用于控制对峰值保持电容c2放电。采用控制传输门导通对峰值保持电容c2充放电的方式，可减小经三极管等非线性器件对电容充电造成的电压降低，同时提高线性度。该方案的充放电时间常数取决于传输门的导通电阻和峰值保持电容c2的乘积，选择国产器件cc4066作为传输门时，实测电容充放电时间常数为200ns，因此在后端ad转换速度足够快的情况下，电路的理论计数率可达106个/s以上。模块一的元器件如附表2所示，其核心器件为北京宇翔电子有限公司的cc4066。
55.表2传输门可控充放电模块主要电子元器件清单
56.序号元器件名称规格型号位号数量1开关二极管2dk030d1，d2，d332贴片电容0.01uf/100vc113贴片电容1000pf/100vc214贴片电阻10kωr115贴片电阻90kωr216传输门cc4066u11
57.模块二：信号跟随模块
58.该模块主要作用是提高峰值保持电路的带负载能力，使之适应各种后续的ad转换芯片；同时该模块的输出还连接到触发电路模块，使之产生触发脉冲。该模块的主要芯片为运算放大器，由于此时信号经过了保持，主要成分为低频，因此芯片选择较多，可以使用国产771所的op27或lf357，或者adi公司的op467等。模块二的元器件如附表3所示。
59.表3：信号跟随模块主要电子元器件清单
[0060][0061]
模块三：触发电路模块
[0062]
跟随电路的输出信号经隔直电路后，与比较器的预设阈值电压相比较，当该信号大于阈值电压时，比较器输出高电平，反之比较器保持低电平。比较器可选择国产771所的lf111或者j193，或者adi公司的ad8561等。模块三的元器件如附表4所示。
[0063]
表4：触发电路模块主要电子元器件清单
[0064]
序号元器件名称规格型号位号数量1贴片电容0.01uf/100vc112贴片电阻20kωr123贴片电阻4.9kωr214贴片电阻100ωr314比较器lf111/j193/ad8561u11
[0065]
模块四：可调延时复位模块
[0066]
该模块由rc延时电路和两个反相器构成。延时电路的时间常数可根据峰值保持电路输入信号的上升沿时间确定。当输入信号的上升时间较快，则延时时间常数可设置较小，从而提高计数率；当输入信号的上升时间较慢，则延时时间常数也设置较大，从而使峰值保持信号保持足够的时间以利于后续ad采集电路进行信号采集。这里采用两个反相器输出r非信号和r信号，来控制模块一中两个传输门，即断开峰值保持电容与前端电路的连接，同时进行放电复位。模块四的主要电子元器件见附表5所示，其核心器件为北京宇翔电子有限公司的cc4049/cc4069。
[0067]
表5：可调延时复位模块主要电子元器件清单
[0068][0069]
4.本发明实施例得到的一种峰值保持电路产品指标说明
[0070]
表1峰值保持电路技术指标汇总
[0071][0072]
本发明实施例的电路包含传输门可控充放电模块、信号跟随模块、触发器模块、时间可调复位模块四部分。其特点是
①
不需外部控制信号，自行峰值保持和复位；
②
可根据输入信号的时间常数灵活调节复位脉冲的起止时间，从而以最优的时间管理方案最大限度的提高计数率；
③
通过对两个传输门的控制实现在信号复位的同时，切断前端输入信号，从而避免高计数率下造成的信号叠加或者复位不完全等现象；
④
输入输出信号线性度高；
⑤
各模块可全面实现国产化，各部分功能模块核心器件可以使用进口器件，也可使用现有的国产器件搭建。
[0073]
实施例2
[0074]
本发明的实施例2为一种可调延时高计数率自复位峰值保持方法，基于上述实施例的可调延时高计数率自复位峰值保持电路实现，包括以下步骤：
[0075]
当前端未有信号输入峰值保持电路时，触发电路模块输出低电平信号进入时间可调复位模块，时间可调复位模块控制第一传输门导通、第二传输门断开；
[0076]
当前端有信号输入峰值保持电路时，峰值保持电容开始充电，当充电电压未超过设定阈值时，触发电路模块输出低电平信号进入时间可调复位模块，时间可调复位模块控制第一传输门导通、第二传输门断开；
[0077]
当充电电压超过设定阈值电压时，触发电路模块输出高电平触发信号进入时间可调复位模块，经延时后，时间可调复位模块控制第一传输门断开、第二传输门导通，峰值保持电容开始放电；在延时时间内，信号到达峰值并进行保持；
[0078]
当复位信号结束时，时间可调复位模块控制第一传输门导通、第二传输门断开。
[0079]
本技术的技术方案的技术效果：
[0080]
1、可解决国产峰保电路线性度差、输出信号幅度损失大以及计数率低等问题。
[0081]
2、复位不使用外部数字电路控制，逻辑电平成对输出，可减小数字电平对模拟电路的干扰。
[0082]
3、对国外性能优越的峰保器件实现国产化替代，可摆脱对进口器件的依赖。
[0083]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种可调延时自复位的峰值保持电路，其特征在于，所述峰值保持电路包括：传输门可控充放电模块和时间可调复位模块；其中，所述传输门可控充放电模块，包括：第一传输门、第二传输门和峰值保持电容；所述第一传输门的输出串联到第二传输门的输入，其中一个传输门导通或断开时，另一个传输门断开或导通，分别形成传输门充电回路和传输门放电回路；所述时间可调复位模块，用于在峰值电压信号保持结束时断开前端信号的输入，同时控制第一传输门和第二传输门形成传输门放电回路使峰值保持电容开始放电；用于在前端未有信号输入时和在峰值电压信号复位结束时控制第一传输门和第二传输门形成传输门充电回路；还用于对峰值保持电路输出的峰值信号进行保持，保证后端采集电路对峰值信号的采集。2.根据权利要求1所述的可调延时自复位的峰值保持电路，其特征在于，所述峰值保持电路还包括信号跟随模块，用于对峰值保持电容的电压进行跟随，并将峰值保持信号输出到后端采集电路。3.根据权利要求2所述的可调延时自复位的峰值保持电路，其特征在于，所述信号跟随模块包括：交流耦合电路和电压跟随器。4.根据权利要求2所述的可调延时自复位的峰值保持电路，其特征在于，所述峰值保持电路还包括触发电路模块，用于在前端无信号输入时输出低电平信号；还用于在接收到信号跟随模块输出的电压信号时，将电压与预设的阈值电压进行比较，并在接收的跟随电压不大于阈值电压时输出低电平信号，在接收的跟随电压大于阈值电压时输出高电平触发信号；其中，输出的低电平信号和高电平触发信号用于对时间可调复位模块输出的复位信号及其逻辑非信号进行控制。5.根据权利要求4所述的可调延时自复位的峰值保持电路，其特征在于，所述触发电路模块包括隔直电路和一个比较器。6.根据权利要求4所述的可调延时自复位的峰值保持电路，其特征在于，所述时间可调复位模块，包括：延时电路、第一反相器和第二反相器；所述延时电路，用于对峰值保持信号进行延迟，保证后端采集电路对峰值保持信号的采集；所述第一反相器和第二反相器，用于根据低电平信号或高电平触发信号产生复位信号及其逻辑非信号并分别传输到第一传输门和第二传输门，控制第一传输门和第二传输门的导通或断开。7.根据权利要求6所述的可调延时自复位的峰值保持电路，其特征在于，所述延时电路的时间常数td根据前端输入信号的上升沿时间tr和设定的信号保持时间th确定，具体为：td＝tr+th。8.根据权利要求7所述的可调延时自复位的峰值保持电路，其特征在于，所述峰值保持电路对前端输入信号的处理周期t＝2*td。9.根据权利要求1所述的可调延时自复位的峰值保持电路，其特征在于，所述传输门可控充放电模块还包括输入信号预处理电路；所述信号预处理电路，包括：第一嵌位二极管、第二嵌位二极管、隔离二极管和两个分
压电阻；其中，所述第一嵌位二极管和第二嵌位二极管，用于对前端输入的信号进行电压限制；所述隔离二极管，用于对电压限制后的信号进行反向禁止；所述两个分压电阻，用于开启隔离二极管使之保持正向导通。10.一种可调延时自复位的峰值保持方法，所述方法包括：当前端未有信号输入峰值保持电路时，触发电路模块输出低电平信号进入时间可调复位模块，时间可调复位模块控制第一传输门导通、第二传输门断开；当前端有信号输入峰值保持电路时，峰值保持电容开始充电，当充电电压未超过设定阈值时，触发电路模块输出低电平信号进入时间可调复位模块，时间可调复位模块控制第一传输门导通、第二传输门断开；当充电电压超过设定阈值电压时，触发电路模块输出高电平触发信号进入时间可调复位模块，经延时后，时间可调复位模块控制第一传输门断开、第二传输门导通，峰值保持电容开始放电；在延时时间内，信号到达峰值并进行保持；当复位信号结束时，时间可调复位模块控制第一传输门导通、第二传输门断开。

技术总结
本发明涉及峰值保持领域，涉及一种可调延时自复位峰值保持电路及方法。本发明电路包括传输门可控充放电模块和时间可调复位模块；传输门可控充放电模块包括第一传输门、第二传输门和峰值保持电容；第一传输门的输出串联到第二传输门的输入；时间可调复位模块在峰值电压信号保持结束时断开前端信号的输入，控制第一传输门和第二传输门形成传输门放电回路使峰值保持电容开始放电；在前端未有信号输入时和在峰值电压信号复位结束时控制第一传输门和第二传输门形成传输门充电回路；还对峰值保持电路输出的峰值信号进行保持，保证后端电路对峰值信号的采集。本发明解决了国产峰保电路线性度差、输出信号幅度损失大及计数率低等问题。题。题。


技术研发人员：张焕新 沈国红 廖家杰 朱光武 孙莹 脱长生 权子达 袁斌 王丽萍 荆涛 孙越强
受保护的技术使用者：中国科学院国家空间科学中心
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/9