Файл: Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.06.2024
Просмотров: 101
Скачиваний: 0
Преобразователем, для расчета которого можно восполь зоваться формулами (4-15) и (4-16), заменив в них /и на /?/ц. Как будет показано в гл. 4, двухканальные пре образователи при работе на экспоненциальном участке вольт-амперной характеристики, т. е. практически во всей области II, позволяют существенно уменьшить зарядную погрешность 6U3SlV.
Из рис. 3-10 следует, что в области больших напря жений (t/m> 4 в) при nt„/Cu>0,23 погрешность одного канала не превышает 10%. При уменьшении Um погреш ность увеличивается в 2—6 раз. Поэтому при выборе числа п для двухканального преобразователя необходи мо прежде всего обеспечить уменьшение погрешности при малых Um. Из выражения (4-12) или графика на рис. 4-4 видно, что если в двухканальном преобразовате ле задаться отношением THiiK/CH=0,2, то в диапазоне напряжений 1 — 10 в погрешность бПзар не будет превы шать 10%. Отсюда при Сп= 3 0 пф получим Tn!u< = ntll= = 6 нсек,что для £и.м1ш=1 нсек дает п = 6. Создание се рии из шести импульсов является вполне реальной за дачей. Дальнейшее увеличение п приводит к значитель ному усложнению устройства, и как видно из графиков на рис. 4-4, не дает существенного уменьшения погреш ности.
Преобразование одиночного импульса в серию в си стеме динамического запоминания без обратной связи может быть осуществлено последовательным отбором энергии сигнала при прохождении его по коаксиальному кабелю, разветвлением сигнала в параллельные цепи с различной задержкой и циркуляцией сигнала внутри кабеля с коэффициентом отражения от нагрузок, рав ным или близким к единице (пассивный рециркулятор).
При последовательном отборе (рис. 3-11,а) подклю ченные непосредственно или через развязывающие ка скады к центральному проводнику диоды создают в ли нии задержки дискретные неоднородности, которые иска жают как фронт, так и вершину передаваемого импульса. В работах А. Ф. Денисова [Л. 5, 68] выведены формулы и приведены результаты расчета искажений импульса внутри линии задержки, содержащей дискрет ные неоднородности. При величине емкости в неднородностях более 1 пф неравномерность вершины импульса может достигать 10%. Особенностью применения после довательного отбора при использовании диодно-конден-
8 0
саторных преобразователен одиночных импульсов явля ется то, что уже в точке подсоединения первого диода ослабление напряжения коротких импульсов за счет отбираемой энергии для заряда накопительного конден сатора настолько велико, что дальнейшее использование
> |
Т |
“I------ Г |
i |
! |
Вход |
%Ai %Лг I |
I |
||
|
1 |
1 |
Выход |
|
|
Г |
г Ц |
|
Рис. 3-11. Системы динамического запоми нания с последовательным (а) и парал лельным (б) отбором.
сигнала для подзаряда накопительного конденсатора не приводит к уменьшению погрешности.
Устранение этого недостатка с помощью развязы вающих или усилительных каскадов в наносекундном диапазоне затруднено из-за отсутствия достаточно быст родействующих устройств с малой входной емкостью и достаточно широкой полосой пропускания.
Трудности, связанные с применением пассивных ре циркуляторов, аналогичны (они были рассмотрены ра нее) .
Для устранения указанных недостатков можно использовать параллельную систему отбора информации с раздельными нагрузками в каждом канале и с п за рядными устройствами (рис. 3-11,6). Наличие согласо ванных нагрузок для каждого канала и развязывающих диодов резко ослабляет связь между каналами и влия-
6—449 |
81 |
Нйе отраженных сигналов на форму основных импуль сов. Это дает возможность установить необходимое вре мя задержки между импульсами (обычно 1—5 нсек) и выбрать минимальную электрическую задержку первого кабеля tQ, исходя из длительности процесса рассогласо вания. В результате поступающие на каждый диод импульсы практически не будут иметь искажения. При этом полоса пропускания всей системы определяется в основном широкополосностыо разветвителя и состав ляет 1,5—2,5 Ггц.
Как известно передаточная функция цепи, состоя щей из п параллельных звеньев описывается выражением
К (Р) = Е 'Уп (р).
i = i
где K i(р) — передаточная функция г-го звена.
Тогда, если пренебречь потерями в кабелях задерж ки, а величину задержки (я в каждом канале установить равной соответственно
£з1= А), ^32=^0+ А^о,
tsi — (i— 1) А^о,
то нетрудно заметить, что параллельная система отбо ра, изображенная на рис. 3-11,6, может быть заменена эквивалентной динамической моделью, состоящей из про стого диодно-конденсаторного преобразователя и пода ваемого на его вход эквивалентного сигнала
UBX(Р)экв = £/»* (Р) * нер £ |
l/" + (i- ' > , |
i = l |
|
представляющего собой последовательность из п импуль сов, UBx{р) оквКпер, сдвинутых относительно друг друга на интервал времени Ato.
Коэффициент передачи такой системы
К = :_ l5_
Auep RB*n ’
где рл — волновое сопротивление коаксиального кабеля; RBx — входное сопротивление устройства.
82
При рл=Двх и /1 = 6 /Спер= 1/6. Увеличение рл приво дит к повышению /Спер, однако при этом за счет увели чения постоянной времени заряда накопительных кон денсаторов возрастает и 6 U3ap.
При •измерении больших напряжений (/7т >10 в) для уменьшения 6 t/3ap целесообразно выбирать р= R bx= = 5 0 ом. Если необходимо повысить чувствительность, то оптимальным значением волнового сопротивления для
Линия передачи 6
Рис. 3-12. Функциональная схема шестиканальиой системы динамического запоминания с двухканальным диодно-конденсаторным рас ширителем.
рассматриваемого случая, как показывают расчеты, еледует считать р = 1 0 0 ом, при котором б£/зар не превы шает 5%, а К =0,33.
На рис. 3-12 показана шестиканальная параллельная система динамического запоминания, построенная с ис пользованием метода двухканального преобразования
[Л. 6 6 ].
Измеряемый импульс через согласованный широко полосный разветвитель поступает в согласованные линии передачи, развязанные между собой и выполненные на коаксиальных кабелях различной длины. Каждая линия нагружена на сопротивление, равное волновому и вы полненное в виде делителя (Ri + Rz), к которому через зарядные диоды Д t и Д2 подключен двухканальный рас ширитель. Широкополосность такой системы определяет ся полосой пропускания разветвителя и качеством вы полнения нагрузок.
Чтобы отраженный сигнал, возникающий в линиях при заряде накопительных конденсаторов, не приводил
(f ' / -щ
к искажению вершины импульсов, максимальная элек трическая длина линии передачи, выбранная исходя из длительности процесса рассогласования, составляет 5— 7 нсек. Благодаря задержке между моментом поступле ния измеряемого сигнала на вход каждой линии 'пере дачи и моментом возникновения отраженного сигнала, а также из-за развязки между линиями в системе дина мического преобразования сигнала отсутствуют искаже-
псек |
Тпах |
|
1 |
1 |
пф |
|
|||
npu\dU3tLD,g0n\°/o |
||||
0,5 — Сн |
|
|
|
|
°,ч |
/ \ |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
Z- |
|
|
|
0,2 |
5* |
|
|
|
10 |
|
|
||
0,1 |
1 |
' |
|
|
J |
-- |
— 7 |
|
|
|
|
|||
|
10— |
|
|
|
О |
|
3 |
6 |
S , 12 б |
Рис. 3-13. Графики зависимости T„a«IC „=f(U m) для двухкаиального преобразователя (сплошные линии) и для двухканального преобразователя с шестиканальной системой динамического запо минания (штриховые).
ния. В связи с этим применение разветвителя с парал лельными линиями передачи эквивалентно использова нию шести независимых генераторов сигнала с выходными сопротивлениями, равными волновому со противлению линий передачи.
Представляет интерес определить эффективность си стемы динамического запоминания, выполненной по двух канальному методу >(рис. 3-12) по сравнению с простым двухканальным преобразователем (рис. 4-1). Этот пока затель целесообразно определять по отношению Ттк/Си, вычисленному при одинаковых значениях Um и 6t)3ap.
На рис. 3-13 приведены взятые из [Л. 66] расчетные кривые зависимости Тиак/С й = {(и т) для двухканального преобразователя на кремниевом диоде при |6't/3ap|, рав ной I, 2, 5 и 10% (сплошные линии). Здесь же приведе ны аналогичные зависимости для двухканального преоб-
84
разователя совместно с шестиканальной динамической системой запоминания (штриховые линии).
Графики показывают, что применение динамической системы запоминания позволяет уменьшить Т,шк/Сц в 3—6 раз в зависимости от напряжения измеряемого импульса.
Описанный преобразователь позволяет измерять оди ночные импульсы напряжением более 2 в с длитель-
Рис. 3-14. |
Экспериментальные зависимости 6U = |
|
=f(t,i) для |
системы динамического |
запоминания |
с двухкаиальным преобразователем |
на диодах |
КД514А при /доI = г'доа = 1 мка, Я пх= 50 ом.
ностыо по уровню 0,5 от 1 нсек и более. Основная по грешность не превышает 10% в точке измерения.
Для повышения чувствительности можно уменьшить число каналов. Например, при четырех каналах в опи санной системе измерялись импульсы напряжением от 1 в при длительности свыше 2 нсек с той же погреш ностью. На рис. 3-14 приведены графики зависимости основной погрешности преобразования (&U) в функции от длительности импульсов при различных Um.
Дополнительная погрешность, возникающая при из менении формы импульса, имела отрицательный знак и в диапазоне от 1 до 5 нсек не превышала 10%, в диапа зоне от 5 до 100 нсек не превышала 5%.
3-5. Метод коммутации
Как было показано выше, влияние нелинейности вольт-амперных характеристик диода можно значитель но уменьшить, пропуская через него большой начальный
85
ток 1д0. Однако при этом существенно ухудшаются раз рядные характеристики преобразователей —-уменьшает ся время запоминания в РИ и коэффициент преобразо
вания в АВП.
Идея метода коммутации заключается в том, что на период заряда накопительного конденсатора через диод с помощью токозадающей цепи ТЦ пропускают большой начальный ток £д0, выводящий рабочую точку диода на участок с малым динамическим сопротивлением. По окончании импульса или в момент времени, соответст
вующий его максимальному значению, |
этот ток внешним |
||||||||||
"вх |
|
|
|
коммутирующим |
сигна- |
||||||
|
|
ивых лом прерывается, |
и иачи- |
||||||||
© - |
-W- |
— 0 |
нается |
медленный разряд |
|||||||
ик |
В |
'до |
|
накопительного конденса |
|||||||
|
|
тора |
через |
разрядное |
|||||||
& |
|
Ил |
|
устройство РУ. Блок-схе |
|||||||
|
|
0Н РУ |
ма |
преобразования оди |
|||||||
|
|
ТЦ |
|
ночного импульса |
по это |
||||||
|
|
|
му методу |
приведена |
на |
||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
X |
|
рис. 3-15. |
работ |
[Л. |
58, |
||||
|
|
|
|
59, |
В ряде |
||||||
Рис. 3-15. Блок-схема преобразо |
69] |
даются |
описания |
||||||||
схем практической реали |
|||||||||||
вания по методу коммутации. |
|
||||||||||
|
|
|
|
зации |
метода |
коммута |
|||||
|
|
|
|
ции и указываются до |
|||||||
стигнутые результаты. Минимальная |
длительность |
пре |
|||||||||
образуемого |
импульса |
в |
этих |
работах |
составляет |
||||||
10 |
нсек при |
напряжении |
до 100—200 |
мв. |
Основное |
ограничение этого метода связано главным образом с не определенностью момента времени, в который следует подать коммутирующий импульс UK для отключения то козадающей цепи.
Поскольку через диод в исходном состоянии пропу скают большой начальный ток 1д.0, то любые малые за держки в цепи коммутации резко увеличивают разряд ные погрешности преобразования амплитуды импульса в аналоговую величину. Для исключения этого недостат ка в цепь сигнала перед преобразователем вводят линию электрической задержки (обычно отрезок коаксиального кабеля) с тем, чтобы в момент окончания преобразуе мого импульса токозадающая цепь была отключена.
Величина этой задержки |
определяется задержками |
и инерционностью тракта |
коммутации и ключа. |