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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。

  电路用一个四重轨至轨放大器完成算术运算(图1)。电路的输入端为Node X。在这个结点上,用一个RC时间常数为500 ms的滤波器对1 kHz PWM(脉冲宽度调制)信号作均化。所需要的输出是一个与PWM占空比成比例的DC电压。需要一个长的时间常数,以减小纹波。用相同的时间常数对这个输入信号做微分,就可以得到即时的输出响应。输入信号是电容C1 上从初始电压VI 变为最终值VF的电压。R1与C1设定时间常数,如下式所示:

  其中,e是一个无理常数,约等于2.718281828。然后将此信号用一个反向半增益缓冲器做缓冲,防止出现削波。为干净起见忽略DC偏置,则Node VB处的AC输出就是RC时间常数的一个函数,如下式所示:

  然后,用放大器IC1对反相信号做微分。R2和C2设定微分器的时间常数。微分电路的增益随频率而增加,因此这类电路容易出现不稳定。R5和C8用于保持电路的稳定。在我们感兴趣的低频上,R2 与C2指示电路的功能,如下式所示:

  R1和C1设定输入的时间常数,可以将其选成与差分器时间常数R2×C2相同,从而使两者匹配。这一步消去了方程中的一些项,将输出电压的表达式简化如下:

  因为做防止削峰的调节,要用一种加权方式,将此信号加到输入信号上,避免此电压出现在IC4的正输入端,如下式所示:

  注意上式中第一项和最后一项互相抵消。下面要设定放大器IC4的增益为3,如下式所示:

  当输入开始以某个已知指数速率变化时,输出端即可预期到结果,并立即跳至最终电压(图2)。很多有固定输入时间常数的应用,都可以采用此电路。

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