Файл: Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.06.2024
Просмотров: 99
Скачиваний: 0
Сравним nofpeimiocfii при заряде с учетом нелиней ности вольт-амперной характеристики диода для про стого диодно-конденсаторного преобразователя (2-37) и преобразователя с ускорением заряда. Зададимся С/То'=
= 1 в, tii= 0,5 мксек, |
£до = 0,3 ■10~8 а, Л,= 10-1 в, /(= 40, |
С„= 200 пф, Сл = 2' пф. |
Тогда в системе с ускорением заря |
да получим погрешность бС/зар = 1 %, а в простом диодно конденсаторном преобразователе бt/3ap~ 50%. Таким образом, выигрыш в уменьшении погрешности при заряде для малых напряжений превосходит коэффициент уси ления усилителя в цепи обратной связи. Это естествен но. При линейной аппроксимации характеристик диода выигрыш приблизительно равняется коэффициенту уси ления, так как в К раз уменьшается постоянная времени заряда. В системах с нелинейной характеристикой выиг рыш получается большим, потому что уменьшается экви валентная постоянная времени заряда и, кроме того, рабочая точка диода перемещается в область меньшей нелинейности вольт-амперной характеристики. Преобра
зователи |
с ускорением заряда наиболее |
эффективны |
в области |
малых напряжений (менее 1—2 |
в), т. е. там, |
где возрастает эквивалентная постоянная времени заря да и условие (3-39) легче реализовать. Практически при погрешности St/3ap< 10% можно обеспечить преобразо вание импульсных сигналов с минимальным напряже нием до 100 мв и минимальной длительностью до 20— 30 нсек [Л. 74]. Методика расчета преобразователей с ускорением заряда изложена в [Л. 34].
Полученные выше выражения позволяют также ре шать задачу синтеза систем ускорения: по заданным вре менным характеристикам преобразуемого сигнала и по грешности выбрать усилительное звено, его коэффициент усиления и переходную характеристику, при которых от сутствуют выбросы в выходной функции системы.
3-7. Разрядные устройства с отрицательной и положительной обратными связями
Отрицательные и положительные обратные связи ши роко используются в РИ и АВП для замедления разряда накопительного конденсатора и стабилизации тока раз ряда. Класс этих устройств весьма разнообразен, ввиду чего мы рассмотрим лишь некоторые из них, нашедшие наиболее широкое применение.
92
Системы с отрицательной обратной связью. Для за медления разряда конденсатора в РИ может быть при менена система, блок-схема которой приведена .на
рис. 3-17,а.
Предполагается, что в данной системе используется усилитель, имеющий входное сопротивление R Bx.ус = °°> выходное Яиых.ус=0 и коэффициент усиления, равный К. Будем считать, что за время существования импульса
Рис. 3-17. Расширители импульсов с отрицательной обратной связью для замедления разряда накопительного конденсатора.
конденсатор Сп зарядился через диод и выходное сопро тивление усилителя до максимального напряжения рас ширяемого импульса Um. В момент окончания импульса t = tu конденсатор начинает разряжаться и одновремен но ключом Кл вводится обратная связь через усилитель.
В соответствии с формулой (2-7) в момент окончания входного импульса напряжение на конденсаторе Uc(tn)'—KpUm- Тогда, полагая /С>'1, нетрудно получить выражение для выходной функции системы в режиме за поминания [Л. 9].
^ вы х О О ^ -К р Ц п е х р [ tfHCn (l + К ) ] ' (3 "4 1 )
Отсчет времени в выражении (3-41) ведется от мо мента окончания входного импульса. Как видно из по лученного выражения, конденсатор в данной схеме раз ряжается с эквивалентной постоянной времени в (К+.1) раз большей, чем в обычном диодно-конденсаторном расширителе. При /С^>1 эквивалентную постоянную вре мени разряда, а следовательно, и выигрыш в уменьше нии ошибки запоминания можно получить значитель ными.
93
Блок-схема другой системы с отрицательной обрат ной связью приведена на рис. 3-17,6. Чтобы сопротивле ние Ri не влияло на постоянную времени заряда, оно в течение прохождения импульса замыкается накоротко ключом Кл. В момент окончания импульса размыканием этого ключа вводится обратная связь. В процессе разря да конденсатора Сы на сопротивлении Ri выделяется от рицательное напряжение, являющееся входным для уси лителя обратной связи с коэффициентом усиления К- Обратная связь осуществляется с выхода усилител'я че рез сопротивление /?2 на конденсатор Снак. Обычно в по добных системах R u ^ R i + Rz и выходная функция си стемы имеет вид (3-41).
Из приведенного анализ видно, что большой выиг рыш в увеличении эквивалентной постоянной времени разряда, а следовательно, и уменьшении ошибки запо минания является бесспорным достоинством систем с отрицательной обратной связью. Некоторым недостат ком рассматриваемых систем является необходимость применения в цепи обратной'связи усилителя постоян ного тока, что повышает требования к стабильности источников питания.
Примеры практической реализации рассмотренных методов и характеристики некоторых их схем приведены в [Л. 48]. В одной из них, разработанной на основе инте гратора, был достигнут коэффициент расширения /(.,=
= 5- Ю6 при погрешности бН3ар = б(7311= 1 %. Использование отрицательных обратных связей для
повышения динамического сопротивления токостабилнзирующих двухполюсников, применяемых в РУ ампли тудно-временных преобразователен, общеизвестно [Л. 20, 21, 39, 51], в связи с чем мы на них не будем останавли ваться.
Системы с положительной обратной связью. Как из вестно, системы с положительной обратной связью обла дают достаточной степенью устойчивости, если коэффи циент усиления в цепи обратной связи К0.с<1. Обычно это имеет место при использовании катодных, эмиттерных или истоковых повторителей, у которых коэффи циент передачи по напряжению близок к единице.
Один из возможных вариантов реализации такой си стемы для РИ представлен на рис. 3-18,а. При С^>СИ заряд накопительного конденсатора осуществляется так же, как и в обычном РИ. При разряде конденсатора Сц
94
с помощью развязывающего каскада РК (обычно это катодный или истоковый повторитель) происходит под заряд конденсатора С таким образом, что выходное на пряжение РИ определяется суммой напряжений на обоих конденсаторах. Можно показать, что рассматриваемая система работает в колебательном режиме при т< 4траз и в апериодическом — при т > 4 т раз, где x= C R , а траз= = CtfRи. Более предпочтительным является колебатель-
Рнс. 3-18. Преобразователи с положительной обратной связью.
а — расширитель импульсов; б — амплитудно-временной преобразователь.
ный режим, при котором можно существенно увеличить время запоминания 7'зп. При этом выходная функция си стемы определяется выражением
и вых (t) = KpUmAe |
|
2Траз sin [ш0 (t — t„) + /}, |
(3-42) |
||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
. У (Наз — т) |
А |
1 . |
у — arclg |
2<Ур,У . |
||
|
|
2т•,Раз “ |
|
тш0 ’ |
|
2тр0з — Т |
|
При |
т = 2 т раз функция |
(3-42) |
максимальна |
в точке |
|||
t= ta и, |
что |
существенно |
важно, |
имеет |
производную |
||
U'вых(^н) = 0 . |
Благодаря этому увеличивается время запо |
минания Г3.ш которое при малых бU3a можно рассчиты вать по формуле
Т 'з.п «=* 2 ,8 т раз V |8t/,.B|.
Обычно используют режим, при котором т< 2траз, т. е. допускают небольшую положительную погрешность
8U. При условии |б£/| = ]б£/3.п| |
время запоминания |
Г V = 6,8> 3 У Щ Щ С1 |
V 21ШД). |
95
Эффективность такой системы можно оценить сравне нием с временем запоминания Тзп для простого РИ:
Например, при Ш 3_п= \ % Л’тзп— 58,5, т. е. эффектив ность системы запоминания достаточно велика. В заклю чение следует отметить, что стабильность выходных па раметров рассмотренной системы, так же как и в любой системе с положительной обратной связью, существен ным образом зависит от стабильности ее структуры— элементов R, С и коэффициента передачи развязываю щего каскада.
Рассмотрим далее один из вариантов использования положительной обратной связи для стабилизации тока разряда в АВП. Пример построения такой схемы приве ден на рис. 3-18,6. В этой схеме в исходном состоянии
через диод пропускают начальный ток |
iRo~ E /R n (обыч |
но R u ^ R ). После заряда конденсатора |
Сп до напряже |
ния импульса Um он начинает разряжаться, стремясь к первоначальному потенциалу. С помощью развязываю щего каскада РК с коэффициентом передачи Кр.к в раз рядную цепь вводится положительная обратная связь. Если при этом Кр.к~1, то потенциал точки В «следит» за потенциалом точки А, что обеспечивает неизменность падения напряжения на сопротивлении R„, а следова тельно, постоянство тока разряда накопительного кон денсатора. Как ясно из изложенного, структура схемы -совпадает со структурой генератора пилообразного на пряжения компенсационного типа [Л. 73]. Обычно в та кой схеме С^>СН, Rn^R^Rnbix.yc. Погрешность за счет нелинейности преобразования определяется выражением
Нетрудно видеть при этом, что если коэффициент пе редачи развязывающего каскада Кр.к— >-1 , то 8Кп— >-0 . Обычно /(р.к>0,95, тогда, если U тпманс/ £ < 0 ,1 , погреш ность 8Кп составляет десятые доли процента,
9G
Г л а в а ч е т в е р т а я
Двухканальный метод преобразования
4-1. Основы теории двухканального преобразования
Существенное улучшение характеристик диодно-кон денсаторных преобразователей одиночных импульсов в области малых напряжений и длительностей измеряе мых сигналов может быть достигнуто путем введения второго канала преобразования. В этом случае при при близительно одинаковой параметрической чувствитель ности преобразователей каждого.канала к тем или иным внешним воздействиям, в том числе и входным сигна лам, может быть обеспечена квазииивариантность пара метров всего преобразователя по отношению к этим воз действиям и их вариациям [Л. 152].
Подобный метод был использован для уменьшения погрешности диодных детекторов, возникающей за счет скважности [Л. 75], а также в стробоскопическом вольт метре В4-9 при измерении периодических сигналов нано-
секундной длительности [Л. 76]. |
Этот же |
метод, но |
в иной структурной реализации |
и другом |
приложении, |
нашел применение при разработке измерительных преоб разователей вольтметров одиночных импульсов В4-15 и В4-17 1[Л. 19, 454], где второй канал используется для уменьшения погрешностей, обусловленных иедозарядом накопительного конденсатора. Ниже будут рассмотрены вопросы теории этого метода.
В работах [Л. 55, 6 6 , 67, 77] показано, что абсолют ные значения зарядных погрешностей А47зар одноканальиых диодно-конденсаторных преобразователей .при опре деленных условиях не зависят или мало зависят от ве личины напряжения преобразуемого сигнала. Это обстоятельство позволяет при использовании двухканаль ного метода путем вычитания выходных функций кана лов снизить погрешность преобразования в области ма лых напряжений и длительностей измеряемых импуль сов.
На рис. 4-1 представлена функциональная схема та кого двухканального преобразователя. Измеряемый импульс подается непосредственно на преобразователь 1 и через делитель Ri—R2 на преобразователь 2. Выход-
7 — 4 4 9
Вход |
Преобразо |
|
ные |
сигналы |
преобразо |
|
S6- |
|
вателей поступают на вы- |
||||
Un, |
ватель 1 |
Выход' |
читающее |
|
устройство |
|
BY |
|
|||||
|
-Я ! |
(ВУ). Преобразователи |
||||
nUm----- |
Преобразо |
|
могут выполняться в виде |
|||
ватель Z |
|
расширителей |
импульсов |
|||
' [jk |
|
|
(РИ) |
или |
|
амплитудно |
|
|
временных |
преобразова |
|||
|
|
|
телей (АВП). От способа |
|||
Рис. 4-1. Функциональная схема |
преобразования зависят |
|||||
цвухканального преобразователя. |
структура и вид выходной |
|||||
|
|
|
функции |
вычитающего |
||
|
|
|
устройства. При дальней |
шем анализе нами будет рассматриваться функция на копления, поэтому полученные результаты будут, разу меется, применимы как для РИ, так и для АВП. Пред положим, что двухканальный преобразователь выполнен в виде РИ. Тогда в момент окончания входного импуль са напряжением Um максимальное напряжение на выхо де РИ в каждом канале будет:
(^и) = |
Um Д^зари ) |
(4 -1 ) |
UC2((в) = |
>lUm -f- Д(/Зпр2. ] |
|
Выходное напряжение вычитающего устройства опре
деляется выражением |
|
^вых= Ав{(1—п) (Лп +Д'Нзар], |
(4-2) |
где Кв — коэффициент передачи вычитающего устройст ва, п = Я 2/ {R1 + R2 ) — коэффициент передачи входного де лителя; А(Узар — абсолютная зарядная погрешность двух канального преобразователя.
Величина АП3ар определяется разностью абсолютных значений зарядных погрешностей в каналах
А ’П 3ар — А П 3ар1— Д ( / Зар2. |
(4 - 3 ) |
При прямоугольном входном сигнале
днзаР1= к ^ р); |
(4-4)
Л{/заР2 = - ^ М Р ) , j
где fi,2 (P) =<р(Н, т ) — логарифмические функции па раметров преобразователя, длительности и напряжения входного импульса, определяемые выражениями (2-37), (2-40), (2-41).
98