《電子技術應用》
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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測(或立即跳至)一個輸入信號變化的最終值。它的原理是,預期輸入信號的變化與已知時間常數呈指數關系。本電路源于一個70年代即時讀取的電子溫度計,當將溫度計探頭置于病人舌下時,幾秒鐘后就可以顯示出病人的體溫。這表明,我們已經知道了溫度探頭的指數式熱響應特性。

  電路用一個四重軌至軌放大器完成算術運算(圖1)。電路的輸入端為Node X。在這個結點上,用一個RC時間常數為500 ms的濾波器對1 kHz PWM(脈沖寬度調制)信號作均化。所需要的輸出是一個與PWM占空比成比例的DC電壓。需要一個長的時間常數,以減小紋波。用相同的時間常數對這個輸入信號做微分,就可以得到即時的輸出響應。輸入信號是電容C1 上從初始電壓VI 變為最終值VF的電壓。R1與C1設定時間常數,如下式所示:

  其中,e是一個無理常數,約等于2.718281828。然后將此信號用一個反向半增益緩沖器做緩沖,防止出現削波。為干凈起見忽略DC偏置,則Node VB處的AC輸出就是RC時間常數的一個函數,如下式所示:

  然后,用放大器IC1對反相信號做微分。R2和C2設定微分器的時間常數。微分電路的增益隨頻率而增加,因此這類電路容易出現不穩定。R5和C8用于保持電路的穩定。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設定輸入的時間常數,可以將其選成與差分器時間常數R2×C2相同,從而使兩者匹配。這一步消去了方程中的一些項,將輸出電壓的表達式簡化如下:

  因為做防止削峰的調節,要用一種加權方式,將此信號加到輸入信號上,避免此電壓出現在IC4的正輸入端,如下式所示:

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

  當輸入開始以某個已知指數速率變化時,輸出端即可預期到結果,并立即跳至最終電壓(圖2)。很多有固定輸入時間常數的應用,都可以采用此電路。

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