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

Естественно, что описываемый метод накладывает в связи с этим строгие ограничения на параметры пре­ образуемого сигнала. Так, например, если длительность фронта измеряемого импульса то возникают не­ допустимо большие погрешности за счет недозаряда на­ копительного конденсатора, поскольку токозадающая цепь, смещающая рабочую точку диода в область высо­ кой проводимости, отключается раньше момента времени tm, соответствующего U (t)макс. Наоборот, если tm< t 3.K, то из-за большой величины тока /д0 резко ухудшаются разрядные характеристики преобразователя. Возникаю­ щую при этом погрешность можно приближенно оценить по формуле

Таким образом, метод коммутации эффективен при из­ мерении параметров импульсов с весьма крутыми фрон­ тами. Проведенные исследования показали, что если величина задержки t3,K=»4- г - 5 нсек, то при £ф^10 нсек погрешности преобразования превышают 20%. При детерминированных по форме импульсах введением переменной задержки, зависящей от длительности фрон­ та сигнала, можно существенно улучшить зарядные характеристики преобразователя.

Трудность реализации метода коммутации связана также с возникновением пьедестала на выходе преобра­ зователя в момент поступления на коммутирующий ключ запирающего импульса. Влияние пьедестала и связан­ ную с ним погрешность можно уменьшить введением второго канала преобразования, аналогичного описанно­ му выше, с той разницей, что на него не поступает изме­ ряемый сигнал.

Если выходы каналов подключить к вычитающему устройству и добиться равенства пьедесталов, то указан­ ную погрешность можно существенно уменьшить.

Важным достоинством рассмотренного метода явля­ ется возможность получения высокой чувствительности

8 7

5-6. Преобразователи с ускорением заряда накопительного конденсатора

Для уменьшения влияния нелинейности диодного вен­ тиля и снижения эквивалентной постоянной времени за­ ряда накопительного конденсатора широко используются системы ускорения заряда с отрицательными обратными связями. Общий анализ работы таких систем приведен в ![Л. 70]. Различные варианты построения, практические рекомендации и схемы проводятся в {Л. 9, 20, 39, 40].

Рассмотрим кратко принцип действия этих устройств. На рис. 3-16 приведены блок-схемы ускоряющих систем

а — с открытым входом; 6 — с закрытым входом.

для преобразователей с открытым и закрытым входом. Как видно из рис. 3-16,а, преобразователь с ускорением заряда состоит из схемы сравнения СС, усилителя и диодно-конденсаторного накопителя. Подаваемый на вход устройства измеряемый импульс сравнивается по амплитуде с напряжением на накопительном конденса­ торе. Разностное напряжение, получаемое со схемы сравнения, подается на усилитель, выходной сигнал которого используется для заряда накопительного кон­ денсатора. Таким образом, заряд накопительного кон­ денсатора осуществляется не от импульса с амплитудой 0 т, а от усиленного по напряжению импульса амплиту­ дой К ( Um— Uс ), что дает возможность увеличить кру­ тизну нарастания экспоненциального напряжения на выходе преобразователя.

Другой вариант блок-схемы с ускорением заряда по­ казан на рис. 3-16,6. При поступлении на вход положи­ тельного импульса амплитудой Um накопительный кон­

88

денсатор Спак начинает заряжаться через выходное со­ противление источника сигнала, усилителя Rnux.yc и диод. При этом ко входу усилителя прикладывается по­ ложительный импульс. Снимаемый с выхода усилителя отрицательный сигнал поступает на катод диода, увели­ чивая тем самым напряжение, заряжающее накопитель­ ный конденсатор. Благодаря этому рабочая точка диода смещается в область положительных напряжений, где уменьшается влияние нелинейности вольт-амперной ха­ рактеристики и снижается динамическое сопротивление диода. Если на вход преобразователя с ускорением за­ ряда подать единичный перепад напряжения и коэффи­ циент усиления усилителя в цепи обратной связи пред­ ставить в виде

(3-36)

где К(0) — коэффициент усиления усилителя в стацио­ нарном режиме; тв— постоянная времени усилителя в области высоких частот, а емкостью Сд для простоты пренебречь, то можно показать, что переходная характе­ ристика системы имеет апериодический характер при условии, когда коэффициент усиления усилителя

К ( 0 ) < (Л + 1):

4А

где

При этом достаточно большой коэффициент усиления (.К>10) можно реализовать лишь при условии, когда т3ар/тв>> 1> т. е. в преобразователях с большой постоян­ ной времени заряда тзар, предназначенных для сравни­ тельно длинных импульсов [Л. 70]. При тзар/тв<1 апериодический режим возможен для коэффициента усиления /((0), равного нескольким единицам, что де­ лает систему ускорения малоэффективной. При больших значениях /((0) система работает с выбросами из-за колебательного характера переходной характеристики.

При поступлении на вход устройства импульса с ко­ нечным временем нарастания, например вида

59

наличие колебательного процесса на переходной харак­ теристике системы даже для значительных коэффициен­ тов усиления Л’ (0) при определенных условиях не приво­ дит к выбросу выходной функции системы:

__ <_

Функция (3-37) не имеет выброса и монотонно стре­ мится к единице при условии:

(3-38)

Ч

где а = (Л + 1)/2Лтв.

Условие (3-38) связывает переходную характеристи­ ку системы с временной характеристикой входного сиг­

Из неравенства (3-39) можно найти минимальную постоянную времени фронта входного сигнала Тф.мин и максимальный коэффициент усиления Я’(0) макс, при ко­ торых для реализованного в системе значения тв отсут­ ствуют выбросы иа выходной функции. При этом для усилителя на лампах постоянную времени тв можно представить в виде тв = /С(0)тлм, где тЛм = C0/S — по­ стоянная .времени лампы с крутизной 5, нагруженной в цепи анода общей паразитной емкостью Со. Значения тлм для различных ламп приведены в [Л. 71]. Тогда для усилителя на лампах будем иметь [Л. 9]:

^Ф.мин — — 3,5тлм -\- ■j/" 12т^м -(- ЮтзарТлм ,

откуда видно, что параметры /С(0)Макс и Тф.М|Ш однознач­ но определяются добротностью усилительного каскада и постоянной времени заряда преобразователя.

90

При использовании транзисторного усилителя Необ­ ходимо учитывать комплексный характер его выходного сопротивления [Л. 72]:

тока коллектора в базовую цепь; р0 — коэффициент уси­ ления по току.

Отметим, что для уменьшения инерционности усили­ теля в цепи обратной связи следует использовать тран­ зисторы с высоким быстродействием и добротностью (например, К.Т325, ГТ329, ГТЗЗО и т. п.).

С целью уменьшения задержки в цепи обратной свя­ зи целесообразно применение преобразователя с закры­ тым входом (рис. 3-16,6), в котором отрицательная обратная связь охватывает только зарядный диод. По данным И. С. Крашенинникова {Л. 39] эта схема позво­ ляет также, в отличие от прочих возможных вариантов включения, уменьшить влияние нелинейности полупро­ водниковых переходов и, в частности, нелинейных пара­ зитных емкостей диодов и транзисторов.

Проведенный анализ не учитывает нелинейность вольт-амперной характеристики диода. Однако введение обратной связи, уменьшающей эквивалентную постоян­ ную времени заряда в К раз, увеличивает пределы при­ менимости линейной аппроксимации характеристики диода приблизительно на такую же величину, что дает возможность использовать полученные выше результаты до напряжений 1— 1,5 в для вакуумных диодов и 0,2— 0,5 в для полупроводниковых диодов. Это объясняется тем, что обратная связь смещает рабочую точку диода в область линейного участка вольт-амперной характе­ ристики. Можно показать, например, что при использо­ вании ускоряющей системы в преобразователе с вакуум­ ным диодом погрешность при заряде описывается выра­ жением

91