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

ной, а процесс получения информации с экрана элек­ тронно-лучевой трубки слишком длительным и трудоем­ ким. Вместе с тем оператора во многих случаях интере­ сует лишь одни из параметров, например максимальное значение напряжения, длительность, пиковая мощность, энергия и т. и. В этом случае более эффективными и простыми оказываются методы измерения, основанные на аналоговом или дискретном преобразовании того или иного параметра сигнала.

Для индикации измеряемых величин при этом могут использоваться стрелочные или цифровые устройства.

Поскольку основное содержание дальнейшего изло­ жения посвящено методам аналогового преобразования одиночных сигналов, в настоящем разделе мы кратко рассмотрим лишь осциллографическне методы и методы, связанные в той или иной форме с дискретным преобра­ зованием.

Осциллографическне методы. Для измерения одно­ кратных сигналов используется в основном электронно­ лучевое осцнллографирование в реальном масштабе вре­ мени. При этом запоминание осциллограммы, необходи­ мое для отсчета результата измерения, производится путем фоторегистрацин или записи на мишени запоми­ нающей электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) [Л. 3, 4].

Осциллографы универсальные, или типа ОК, позво­ ляют регистрировать процессы, протекающие со ско­ ростью до 25-103 км/сек. Повышение скорости записи обычно осуществляется форсированием режима трубки путем увеличения напряжения третьего анода, вызываю­ щего повышение светоотдачи экрана.

При измерении параметров импульсных кратко­ временных сигналов существенное значение имеет по­ лоса пропускания вертикального усилителя осцилло­ графа.

Наиболее широкополосными из универсальных оте­

записи до 200 км/сек). Из осциллографов без предва­ рительного усиления сигнала максимальной чувстви­ тельностью обладает модель С1-61 (^уст= 0,4 нсек, чув­ ствительность 1 в/см, скорость записи до 500 км/сек),

8

'Выполненная на ЭЛТ бегущей волны, чувствительности, которой повышена с помощью квадропульных магнит­ ных линз. Из широкополосных приборов следует отме­ тить измеритель временных интервалов наносекундного ■диапазона И2-7, имеющий полосу пропускания до 2 Ггц и скорость записи до 10 000 км/сек.

Погрешность измерения параметров импульсов уни­ версальными осциллографами составляет 2— 10%.

Основными недостатками осциллографирования с фо­ торегистрацией является необходимость длительной под­ готовки прибора, сравнительно низкая скорость записи при фоторегистрации однократных процессов, длитель­ ность обработки материалов и расшифровки результата измерения. Увеличение скорости записи более чем на порядок возможно при применении ЭЛТ с волоконной юптикой или при электронно-оптическом преобразовании изображения.

Осциллографы с запоминанием, благодаря свойству хранения изображения на экране ЭЛТ, весьма удобны при работе с однократными процессами. Подобные при­ боры выполняются в основном на потенциалоскопах с видимым изображением. Лучшие образцы этих осцил­ лографов имеют скорость записи до 4-103 км/сек. При­ менение подобных приборов существенно сокращает вре­ мя получения и обработки информации, обеспечивает долговременное хранение изображения на экране трубки

ивозможность фотографирования.

Внастоящее время разработан и выпускается целый ряд запоминающих осциллографов (Cl-29, Cl-37, С1-42,

С1-47 и др.), имеющих полосу пропускания от 1 до 20 Мгц (/уСт= 20 ч- 400 нсек) при коэффициенте отклоне­ ния от 10 до 100 мв/см. К недостаткам этого типа при­ боров следует отнести узкополосность и низкую точность измерения амплитудно-временных параметров (погреш­ ность ± 10%).

Осциллографирование с трансформацией спектра на­ правлено на расширение полосы пропускания с сохране­ нием высокой чувствительности, присущей осциллогра­ фам с запоминанием. Сущность этого метода [Л. 5, 6] заключается в одновременном стробировании исследуе­ мого сигнала в ряде точек по его длительности, накопле­ нии и запоминании информации о мгновенном значении сигнала в этих точках с последующей регистрацией на низкочастотном запоминающем осциллографе. Для реа-

9

лйзации этого метода импульс пропускается через !<й- бель задержки, по длине которого в нескольких точках включены схемы стробирования, или через систему ре­ циркуляции с одной схемой стробирования. Получаемая при этом эффективная ширина полосы пропускания до­ стигает 500 Мгц.

Для измерения напряжения в осциллографах обычно используется метод непосредственного отсчета по калиб­ рованной шкале. Сущность метода заключается в том, что при подаче на вход прибора эталонного напряжения известной величины регулировкой чувствительности из­ мерительного тракта калибруется шкала на экране элек­ тронно-лучевой трубки.

Для измерения временных характеристик исследуе­ мых сигналов используются калиброванные по скоро­ сти развертки, задающие временной масштаб изобра­ жения.

Методы дискретного преобразования. Эти методы на­ шли широкое распространение при измерении парамет­ ров одиночных импульсных сигналов и при построении различного рода аналого-цифровых преобразователей [Л. 7—9]. Высокое быстродействие, точность, возмож­ ность получения результата измерения в цифровой фор­ ме, простота кодирования и хранения информации и ряд других преимуществ обусловили применение дискретных методов преобразования при измерении параметров оди­ ночных сигналов.

При измерении однократных временных интервалов наибольшее распространение получил метод прямого счета, в соответствии с которым измеряемый интервал квантуется в реальном масштабе времени последова­ тельностью счетных импульсов [Л. 10— 12]. Ограничени­ ем этого метода является быстродействие декодирую­ щих пересчетных устройств, которые в настоящее время обеспечивают скорость счета в несколько сотен мегагерц, что соответствует уверенному временному разрешению около 5— 10 нсек.

Погрешность измерения указанными методами опре­ деляется длительностью периода счетных импульсов Тсч и относительной нестабильностью частоты генератора этих импульсов дсч, которая может иметь величину от 10-5 до 10~9. Таким образом, общая абсолютная погреш­ ность определяется величиной

AT= ± Г Сч(1 ± 6 Сч).

10

Это, естественно, ограничивает точность измерения ма­ лых временных интервалов (менее 1 мксек). Существейное повышение точности и разрешающей способности метода прямого счета может быть достигнуто его соче­ танием с верньерными или накопительными методами аналогового преобразования масштаба времени, которые будут рассмотрены ниже.

Различные вопросы построения измерителей интер­ валов времени с дискретным преобразованием приме­ нительно к задачам экспериментальной физики рассмот­ рены в :[Л. 13]. В [Л. 14] приводятся классификация и характеристики цифровых методов измерения длитель­ ности одиночных импульсов.

В ряде работ (Л. 15—17] описаны приборы, обеспе­ чивающие измерение временных характеристик одиноч­ ных импульсных сигналов с использованием предвари­ тельного аналогового, а затем аналого-цифрового пре­ образования. К ним относятся приборы И2-14 и И2-21 [Л. 15, 17].

Достигнутые в этих приборах минимальная длитель­ ность измеряемого интервала времени и разрешающая способность составили 10 и 0,2 нсек соответственно. Да­ лее будет показано, что на этом же принципе могут быть построены приборы с более высокими метрологическими характеристиками.

Таким образом, в настоящее время существует боль­ шой объем литературы по дискретным методам преоб­ разования интервалов времени, список которой можно значительно расширить, используя цитируемую литера­ туру.

При измерении напряжения одиночных импульсов и анализе их распределения по амплитудам в спектромет­ рии ядерных излучений осуществляют дискретное пре­ образование интервала времени, являющегося выходной функцией аналогового амплитудно-временного преобра­ зователя. На этом принципе построены вольтметры оди­ ночных импульсов типа В4-6, В4-15, В4-17 [Л. 18, 19] и значительное количество одноканальных и многоканаль­ ных амплитудных анализаторов [Л. 20, 21]. Вольтметры одиночных импульсов с дискретным преобразованием позволяют измерять импульсные напряжения в диапа-

11

зоне 0,01 — 1 000 в при длительности от 10 нсек до 100 мсек. Погрешность измерения при этом составляет

1,5 -8% .

Некоторые быстродействующие цифровые вольтмет­ ры постоянного тока позволяют регистрировать напря­ жение импульса за время его существования. Минималь­ ная длительность измеряемого по этому методу импуль­ са определяется быстродействием преобразователя и может достигнуть нескольких микросекунд. Этот метод характеризуется зависимостью результата измерения от формы сигнала и практически может применяться лишь для измерения амплитуды импульсов с плоской верши­ ной. Те же самые замечания относятся и к гальванометрическому методу измерения одиночных сигналов [Л. 9].

Измерение напряжения одиночных импульсов можно осуществлять по дискретно-пороговому методу [Л. 22], который по своей сущности мало чем отличается от ме­ тодов многоканальных амплитудных анализаторов с по­ роговыми дискриминаторами [Л. 20, 21].

Напряжение одиночного импульса может быть пре­ образовано также в дискретную величину, например по­ следовательный единичный код, путем ступенчатого разряда накопительного конденсатора [Л. 23] или с по­ мощью колебательного контура с накопительным конден­ сатором, преобразующего накопленный заряд в последо­ вательность затухающих колебаний, измерение числа ко­ торых позволяет определить напряжение импульса [Л. 24]. Достаточно подробный обзор и классификация методов измерения напряжения одиночных импульсов приведены в [Л. 25].

Таким образом, мы кратко рассмотрели возможности измерения и преобразования дискретными методами амп­ литудных и временных характеристик одиночных сигна­ лов, несущих наибольший объем информации о харак­ теристиках изучаемых процессов.

Следует отметить, что методы дискретного преобра­ зования в сочетании с осциллографической индикацией применяются и для измерения формы одиночных сигна­ лов [Л. 5, 6]. При этом возможно квантование не только по времени, но и по уровню.

Проведенное рассмотрение ни в какой мере не пре­ тендует на полноту и может дать лишь общее представ­ ление о возможностях метода дискретного преобразова­ ния при исследовании одиночных сигналов.

12

Отметим, что измерение импульсной мощности и энергии оптических квантовых генераторов методами импульсной фотометрии после преобразования светового сигнала в электрический сводится к задаче построения аналоговых измерительных преобразователей одиночных и редко повторяющихся импульсов напряжения или тока [Л. 26]. То же самое относится к измерению мощности одиночных сигналов в гидроакустике [Л. 27]. При про­ ведении подобных измерений осциллографическими ме­ тодами задача сводится к оценке с помощью полученных осциллограмм мгновенного значения напряжения или тока одиночного сигнала. Таким образом, решение про­ блем, связанных с измерением и преобразованием энер­ гетических параметров одиночных сигналов, в значи­ тельной степени зависит от техники измерения их ампли­ тудно-временных параметров.

Аналоговые методы преобразования. При использова­ нии методов аналогового преобразования одиночных сиг­ налов задача сводится к преобразованию их амплитуд­ ных и временных параметров в непрерывные, аналого­ вые величины — квазипостоянное напряжение или время. При этом для отсчета могут использоваться обычные стрелочные или цифровые приборы, а результат измере­ ния регистрируется с помощью ЦПМ или самописца. Та­ ким образом, речь идет о преобразованиях вида

Li[U(t) макс]= £/; L2\U(t) макс]= Тп,

где U и Гп— аналоговое напряжение и интервал време­ ни; Li—L4 — операторы преобразования.

Следуя Харченко [Л. 28], аналоговым измерительным преобразователем мы будем называть устройство, в ко­ тором реализуется с известной точностью однозначная функциональная связь между двумя физическими вели­ чинами х и у. Зависимость y = f (x ) называется функцией преобразования. Она может быть задана графически или аналитически, на основании опытных данных и по ее виду можно судить о соответствии характеристик преоб­ разователя заданному оператору преобразования L

( 1- 1) .

Вообще говоря, любое измерительное устройство без выходного отсчетного приспособления представляет со­ бой в широком смысле измерительный преобразователь

13

[Л. 28], если оно удовлетворяет указанному выше опре­ делению. Таким образом, к измерительным преобразо­ вателям можно отнести и масштабные преобразователи, например аттенюаторы или усилители, а также и более сложные комплексы, образующие измерительную цепь, в которой осуществляются операции преобразования, пе­ редачи, воспроизведения и представления измерительной информации.

В последующих главах будут рассмотрены методы построения аналоговых измерительных преобразовате­ лей, решающих задачу вида (1-1), а также некоторые вопросы построения автоматических адаптивных преоб­ разователей.

Г л а в а в т о р а я

Аналоговые преобразователи напряжения одиночных сигналов

2-1. Методы аналогового преобразования и их классификация

Методы аналогового преобразования базируются на возможно­ сти при воздействии одиночных импульсов накапливать и запоми­ нать на конденсаторе заряд н преобразовывать его в непрерывные аналоговые величины, несущие информацию о параметрах импуль­ сов, — квазипостоянное напряжение или интервал времени. На основе этого принципа разработано значительное количество измерительных приборов. Учитывая, что параметры измерительных устройств в ос­ новном определяются характеристиками преобразователей, в качест­ ве основного классификационного признака целесообразно принять способ получения и преобразования информации. Классификация аналоговых методов преобразования напряжения одиночных импуль­

со статическим запоминанием и динамическим запоминанием инфор­ мации о напряжении одиночного импульса. Последний способ заклю­ чается в преобразовании одиночного импульса в квазипоследова­ тельность импульсов, несущую в себе информацию о значении пер­ воначального сигнала (Л. 29, 30]. Подобное преобразование осуществляется с помощью запоминающих устройств, построенных па электромагнитных замедляющих системах: линиях задержки, коак­ сиальных кабелях и др. Запоминающие устройства с разомкнутой замедляющей системой (без обратной связи) предназначены для преобразования одиночного импульса в пачку, состоящую из несколь­ ких импульсов. Для увеличения количества импульсов замедляющая система может быть замкнута в петлю через усилитель, компенсиру­ ющий потери (устройства рециркуляторного типа) [Л, 31], Получа-

14