Файл: Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов.pdf

Значение Z определяется подбором из выражения

Z = Z T + /n.

Если тДиф^10, то при принятых нами допущениях:

с увеличением 0 и в общем случае превышает /ф. Одно­ временно уменьшается U"mВЫх, за счет чего возникает погрешность измерения параметров импульсов с пологи­ ми фронтами. Расчет погрешности можно производить по фор'муле

Погрешности б(Ии б(ф, а следовательно, и быстродей­ ствие преобразователя зависят от выбора его парамет­ ров. Время t'm уменьшается с увеличением точности дифференцирования. Уменьшение с этой целью Тдиф в наносекундном диапазоне ограничено влиянием Rr и пара­ зитных емкостей.

Существенно также то, что уменьшение Сд, как и уве­ личение Си возможно лишь в рамках допустимого зна­ чения Кп- Уменьшение Кп ведет к потере основного пре­ имущества преобразователя — высокой чувствительности. В некоторой мере компенсировать потерю чувствитель­ ности можно с помощью операционных интегрирующих усилителей. Однако построение таких усилителей для

74

коротких импульсов тока представляется весьма слож­ ной задачей. Выбор емкости конденсатора Си следует производить из компромиссных соображений, поскольку ее уменьшение повышает быстродействие и величину ко­ эффициента передачи преобразователя, но в то же время увеличивает б/ф и б/и- При выборе элементов преобразо­ вателя следует также иметь в виду, что его быстродей­ ствие зависит от инерционных свойств входного развязы­ вающего устройства и генератора тока [Л. 57].

Рассмотрим наиболее быстродействующий вариант преобразователя, в котором в качестве генератора тока используется каскад с общей базой на высокочастотном транзисторе (Л. 56]. В таком преобразователе (рис. 3-8,6) дифференцирующая цепочка образуется конденсатором Сд и входным сопротивлением каскада на транзисторе Т. Динамической нагрузкой транзистора является стабили­ затор тока СТ.

Пренебрегая сопротивлением диода и паразитными емкостями и используя линейную эквивалентную модель транзистора для средних частот [Л. 72], можно показать,

/?г.т='Гк||Дст, где Ret — динамическое сопротивление ста­ билизатора тока.

Приведенные соотношения получены при условиях R3’> r 3 + (1—а) Тб и агк» г б.

В силу изложенных выше причин погрешности бги и бгф в наносекундном диапазоне имеют весомые значе­ ния, сужающие область использования дифференциаль-

но-йнтеградь^ых преобразователей,

75

Покажем это на примере преобразователя с транзис­

исследовании были выбраны равными: Сд=330 пф; С „=

Расчет по формуле (3-29) для такого преобразовате­

Рис. 3-9. Графики зависимостей 6(n=/(6i) (а) и бiф= /(0) (б) (штриховой линией показаны расчетные кривые, сплошной — экспериментальные).

(3-30), проведен штриховой линией на рис. 3-9,а. Из гра­ фика следует, что £п.мин равна 20 нсек при бш = — 10% и 30 нсек при б*и=—5%.

Зависимость выходного напряжения от длительности фронта = 2,20 иллюстрируется графиком б(ф= 'f(0),

Экспериментальные данные (рис. 3-9,а) показывают, что реальные значения бги достаточно хорошо совпадают с расчетными. При этом бы мало зависит от Um, что подтверждает возможность получения высокой чувстви­ тельности преобразователя с сохранением его быстро­

зависимость коэффициента передачи преобразователя от

76

длительности переднего фронта Увеличение интегри­ рующей емкости приводило к уменьшению этой зависи­ мости, однако при этом пропорционально уменьшался и коэффициент передачи преобразователя, что соответ­ ствовало выражению (3-24). Для устранения этого не­ достатка был использован операционный интегрирую­ щий усилитель, позволивший снизить значение емкости С], до 390 пф.

Эксперимент показал (рис. 3-9,6), что реальные зна­ чения б(ф достаточно хорошо совпадают с расчетными данными только при больших Um. С уменьшением Um

счет нелинейности амплитудной характеристики в диа­ пазоне напряжений входных импульсов 10— 100 мв, сня­ тая при tw——1 мксек и /ф= 20 нсек, не превышала 3%.

Таким образом, реализация высокой чувствительнос­ ти преобразователя возможна лишь при весьма жестких ограничениях, накладываемых на длительность и ско­ рость нарастания входных импульсов. Ориентировочно можно считать, что при Um в несколько десятков мил­ ливольт для получения б;и=6гф = —5% необходимо, что­

3-4. Метод преобразования одиночного импульса в квазипоследовательность

Решение задачи о преобразовании одиночного импульса в квазипоследовательность, несущую инфор­ мацию о первоначальном сигнале — один из возможных путей построения преобразователя напряжения одиноч­ ных импульсов наносекундного диапазона.

Для создания квазипоследовательности импульсов, в достаточной степени подобных одиночному, возможно применение устройств динамического запоминания без обратной связи и с положительной обратной связью (активных рециркуляторов), выполненных на базе замед­ ляющих систем. За исключением сверхпроводящих, обычные электромагнитные замедляющие системы беЗ

77

обратной связи не позволяют получить более десяти — двадцати импульсов в пачке. Такое ограничение обуслов­ лено затуханием, пропорциональным величине задержки и ограничивающим полосу пропускания системы, влия­ нием 'неоднородностей, в точках подключения генерато­ ра и нагрузки, а также недостаточной широкополосностыо устройств для ввода и съема информации.

Отметим, что по этим же причинам ограничены воз­ можности и активных рециркуляторов, работающих в ре­ жиме мультипликации. Требуемая полоса пропускания рециркулятора зависит от количества прохождений импульса по кольцу циркуляции и в соответствии с фор­ мулами (3-1) определяется выражением

fD.r = 0,16]/'/г/тус.

Эквивалентное время установления переходной харак­ теристики после n-го цикла равно:

t == tyo

где tyo— время установления в кольце циркуляции. Отсюда видно, на сколько повышаются требования

к широкополосное™ замедляющей системы в целом при использовании ее в режиме рециркуляции.

Другой фактор, усложняющий выполнение активно­ го рециркулятора, связан с требованием высокой ста­ бильности коэффициента передачи К цепи рециркуляции и равенства его единице. При К Ф 1 напряжение импуль­

ческого запоминания. В связи с указанными трудностя­ ми в дальнейшем мы рассмотрим возможности примене­ ния замедляющих систем без обратных связей.

При создании системы динамического запоминания необходимо прежде всего определить минимальное коли­ чество импульсов, при котором погрешность преобразо­ вания не будет превышать допустимую величину. Для этого надо рассмотреть динамику изменения напряжения на накопительном конденсаторе диодно-конденсаторно­ го накопителя при подаче на него серии импульсов. Как было показано выше, применение быстродействующих полупроводниковых диодов позволяет пренебречь их емкостью, временем 'восстановления и инерционностью

7?

определить необходимое количество импульсов через время накопления заряда Гпак, методика расчета кото­ рого предложена в ;[Л. 66, 67].

На рис. 3-10 приведены графики зависимости б£/зар =

=рассчитанные по формулам (2-39) и (2-40) для

преобразователя на диоде КД514А (1=24 в~1, Is— 2,4Х

разделены на две области; в области / заряд накопи­ тельного конденсатора осуществляется током линейного участка вольт-амперной характеристики диода, в облас­ ти II рабочая точка диода выходит в экспоненциальный

менение погрешности бНзар. Поэтому при работе с одно­ канальным преобразователем для получения приемле­ мых величин 6£/зар требуется значительное количество импульсов в серии. Например, чтобы получить б£/3ар по­ рядка 10% при £Лп=2 в, Сп= 30 пф и tn= 1 нсек, необхо­ димо обеспечить «>20, причем, дальнейшее увеличение п не приводит к заметному уменьшению б£/3арПолуче­ ние такого количества импульсов достаточно сложно.

Более эффективным оказывается применение систем динамического запоминания совместно с двухканальным

79