《電子技術(shù)應(yīng)用》
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使信号更快安定到最终值的预测电路
摘要: 本文中的电路可以预测(或立即跳至)一个输入信号变化的最终值。它的原理是,预期输入信号的变化与已知时间常数呈指数关系。本电路源于一个70年代即时读取的电子温度计,当将温度计探头置于病人舌下时,几秒钟后就可以显示出病人的体温。这表明,我们已经知道了温度探头的指数式热响应特性。
Abstract:
Key words :

  本文中的電路可以預(yù)測(cè)(或立即跳至)一個(gè)輸入信號(hào)變化的最終值。它的原理是,預(yù)期輸入信號(hào)的變化與已知時(shí)間常數(shù)呈指數(shù)關(guān)系。本電路源于一個(gè)70年代即時(shí)讀取的電子溫度計(jì),當(dāng)將溫度計(jì)探頭置于病人舌下時(shí),幾秒鐘后就可以顯示出病人的體溫。這表明,我們已經(jīng)知道了溫度探頭的指數(shù)式熱響應(yīng)特性。

  電路用一個(gè)四重軌至軌放大器完成算術(shù)運(yùn)算(圖1)。電路的輸入端為Node X。在這個(gè)結(jié)點(diǎn)上,用一個(gè)RC時(shí)間常數(shù)為500 ms的濾波器對(duì)1 kHz PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)作均化。所需要的輸出是一個(gè)與PWM占空比成比例的DC電壓。需要一個(gè)長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù),以減小紋波。用相同的時(shí)間常數(shù)對(duì)這個(gè)輸入信號(hào)做微分,就可以得到即時(shí)的輸出響應(yīng)。輸入信號(hào)是電容C1 上從初始電壓VI 變?yōu)樽罱K值VF的電壓。R1與C1設(shè)定時(shí)間常數(shù),如下式所示:

  其中,e是一個(gè)無(wú)理常數(shù),約等于2.718281828。然后將此信號(hào)用一個(gè)反向半增益緩沖器做緩沖,防止出現(xiàn)削波。為干凈起見忽略DC偏置,則Node VB處的AC輸出就是RC時(shí)間常數(shù)的一個(gè)函數(shù),如下式所示:

  然后,用放大器IC1對(duì)反相信號(hào)做微分。R2和C2設(shè)定微分器的時(shí)間常數(shù)。微分電路的增益隨頻率而增加,因此這類電路容易出現(xiàn)不穩(wěn)定。R5和C8用于保持電路的穩(wěn)定。在我們感興趣的低頻上,R2 與C2指示電路的功能,如下式所示:

  R1和C1設(shè)定輸入的時(shí)間常數(shù),可以將其選成與差分器時(shí)間常數(shù)R2×C2相同,從而使兩者匹配。這一步消去了方程中的一些項(xiàng),將輸出電壓的表達(dá)式簡(jiǎn)化如下:

  因?yàn)樽龇乐瓜鞣宓恼{(diào)節(jié),要用一種加權(quán)方式,將此信號(hào)加到輸入信號(hào)上,避免此電壓出現(xiàn)在IC4的正輸入端,如下式所示:

  注意上式中第一項(xiàng)和最后一項(xiàng)互相抵消。下面要設(shè)定放大器IC4的增益為3,如下式所示:

  當(dāng)輸入開始以某個(gè)已知指數(shù)速率變化時(shí),輸出端即可預(yù)期到結(jié)果,并立即跳至最終電壓(圖2)。很多有固定輸入時(shí)間常數(shù)的應(yīng)用,都可以采用此電路。

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