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

емая квазипоследователыюсть импульсов подается на диодно-коН- денсаторный накопитель, выходная функция которого песет инфор­ мацию о максимальном напряжении импульса (Л. 25].

Методы преобразования, основанные на непосредственном стати­ ческом запоминании напряжения на конденсаторе, получили наиболь­ шее практическое распространение. Эти методы можно условно раз­ делить па две группы: использующие линейный эффект преобразова­ ния и основанные на реализации нелинейного эффекта. К первой

Рис. 2-1. Классификация преобразователей.

группе относятся одпокаиальпый, двухканальный и дифференциаль­ но-интегральный методы преобразования, в которых нелинейность преобразования приводит к погрешности измерения. Эти методы будут рассмотрены в 'последующих разделах. Отметим лишь, что на их основе разработан значительный комплекс аппаратуры, позволяю­ щей измерять максимальное значение одиночных импульсов в диа­

в том числе и одиночных {Л. 34, 37, 38], которые позволяют полу­ чить информацию об обобщенной амплитуде, являющейся по сущест­ ву энергетической характеристикой сигнала. Эти методы основаны па использовании нескольких расширителей импульсов, выполненных на нелинейных элементах с различными вольт-амперными характе­ ристиками. Режим работы преобразователей выбирается таким обра­ зом, чтобы напряжения расширенных импульсов являлись линейными функциями длительности и нелинейными функциями напряжения измеряемых сигналов. Отношение напряжений расширителей при использовании логометрического интегрального метода дает инфор-

15

мацшо об обобщенной амплитуде входного импульса, не зависящую от его длительности и определяемую только его формой и максималь­ ным значением. При известной форме сигнала с помощью подобных устройств можно определить его напряжение. Для нахождения коэф­ фициента формы вводится третий расширитель. Интегральные мето­ ды преобразования наиболее эффективны в иаиосекундиом диапазо­ не длительностей при измерении импульсных напряжений менее 1 в. В этом диапазоне погрешность измерения составляет 10— 15%, порог чувствительности 5— 10 мв.

2-2. Структура аналоговых преобразователей

Структура аналогового преобразователя зависит от выбранного варианта построения логической схемы прибора. Возможны два варианта логики: накопление — преобразование — запоминание — индикация информации; накопление — преобразование — индикация— запоминание информации.

Рис. 2-2. Структурные схемы преобразователей.

Независимо от выбранного варианта логики в аналоговых пре­ образователях четко выделяются два этапа; этап получения инфор­ мации о напряжении одиночного импульса путем накопления заряда на конденсаторе и этап преобразования сигналов информации. В со­ ответствии с этим структурная схема аналогового преобразователя в наиболее общем виде может быть представлена последовательным соединением накопительного устройства (НУ) и устройства преоб­ разования информации—преобразующего устройства (ПУ) (рис. 2-2,а).

Наиболее сложным этапом, трудности которого возрастают с уменьшением напряжения и длительности измеряемых сигналов, является этап накопления заряда накопительного конденсатора до

обладающего вентильными свойствами.

Преобразование накопленной информации (разряд накопитель­ ного конденсатора) осуществляется с помощью разрядных устройств

16

РУ, методы построения которых определяют вид аналоговых сигна­ лов информации н принципы их дальнейшей обработки.

При построении расширителен импульсов (РИ) в качестве РУ используют обычно резисторы с большим активный сопротивлением R, в амплитудно-временных преобразователях — различные стабили­

сатора Спаи различают преобразователи с открытым и закрытым входом. Они отличаются разным влиянием формы измеряемого сиг­ нала на этап аналогового преобразования и имеют неодинаковые коэффициенты передачи ‘[Л. 9, 34]. Их обобщенные структурные схемы представлены на рис. 2-2,6, в.

Приведенное описание структуры аналоговых преобразователей является самым общим п достаточно упрощенным. Например, нако­ пительное и преобразующее устройства могут быть выполнены с использованием отрицательной обратной связи, включающей уси­ лители и развязывающие каскады, т. е. иметь дополнительные струк­ турные звенья .[Л. 23, 39, 40]. Возможны и другие реализации НУ и ПУ. Вместе с тем из приведенного выше обобщенного описания структуры видно, что совокупность рассматриваемых раздельно характеристик функции накопления и преобразования информации дает достаточно полное представление об аналоговом преобразова­ теле в целом. Особое значение имеет выбор ЗУ, влияющего иа оба этапа преобразования. В связи с этим при дальнейшем изложении мы вначале рассмотрим основные типы и характеристики зарядных устройств, а затем методы аналогового преобразования иформации.

2-3. Основные типы и характеристики зарядных устройств

Зарядные устройства во многом определяют погрешности преоб­ разователей. Особое значение их характеристики приобретают в наносекундно.м диапазоне, где важны малые прямое сопротивление и обратная проводимость, быстродействие, проходная емкость и другие параметры ЗУ. В качестве ЗУ могут использоваться вакуумные и полупроводниковые диоды, кремниевые стабилитроны, а также катод­ ные и эмиттериые повторители, выполненные соответственно иа лам­ пах и транзисторах. Наибольшее распространение получили два типа ЗУ.

Вакуумные диоды. Зарядные устройства этого типа нашли ши­ рокое применение в преобразователях импульсных вольтметров микросекундного диапазона вследствие высокого обратного сопро­

в наиосекундиом диапазоне и связанные с ними требования. В наиосекундном диапазоне величина накопительного конденсатора преобразователя Спак составляет обычно несколько десятков пико­ фарад. В этих условиях скачок выходного напряжения в момент окончания измеряемого импульса, обусловленный проходной емко­ стью диода Сд, может достигать значительной величины {см. фор­

Гео. пуб.яич|Ця иаучно- технике-«s

одним из важных критериев применимости диода в ианосекундиом диапазоне.

Другим, не менее важным фактором является прямое сопротив­ ление диода Яд, от величины которого зависят постоянная времени диода Тд=ДдСд и постоянная времени заряда накопительного кон­ денсатора Тзпр= ЯдС„, а следовательно, и минимальная длитель­ ность преобразуемого импульса /и.ппп. Значение Яд определяют обычно на линейном участке аппроксимации вольт-ампериоп харак­ теристики диода, т. е. при 11я > 14-2 в.

Следующей важной характеристикой вакуумных диодов являет­ ся их резонансная частота /роз, величина которой при заданной про­ ходной емкости Сд определяется индуктивностью выводов диодов. С этим вопросом тесно связана также'задача согласования источни­ ка сигнала с преобразователем, которая решается оптимально встраиванием диода в коаксиальную пли полосковую линию. Такую возможность допускают металлостеклянные диоды с дисковыми и цилиндрическими выводами электродов. Краткие технические харак­ теристики некоторых из них приведены в табл. 2-1.

Таблица 2-1

Лучшими являются СВЧ измерительные диоды карандашного типа 0Д13Д и 6Д16Д, обладающие сравнительно малыми размерами и малыми значениями тд. Эти диоды имеют незначительные междуэлектродные расстояния и, как показывают теоретические и экспе­ риментальные исследования, не проявляют своей инерционности, обусловленной конечным временем пролета электрона между элек­ тродами при длительностях импульсов более 2—3 нсек.

Полупроводниковые диоды. Основное отличие полупроводнико­ вого диода от вакуумного заключается в большей крутизне его вольт-амперной характеристики на рабочем участке. Так, например, если типовое значение показателя при экспоненциальной аппрокси­ мации у вакуумных диодов составляет ?„=8— 10 1/в, то для полупро­ водниковых диодов эта величина находится в пределах 204-40 1/а [Л. 34, 41]. Обладая приблизительно на порядок меньшим прямым сопротивлением R, полупроводниковые диоды позволяют существен­ но уменьшить погрешности преобразования импульсов малой ампли­ туды и длительности. Важное достоинство полупроводниковых дио­ дов (малые размеры) позволяет значительно проще, чем в случае вакуумных диодов, осуществить коаксиальную или полосковую кон­ струкцию преобразователя. К недостаткам этих диодов следует от­ нести наличие тока обратной проводимости i0ор, уменьшающего ко­ эффициент расширения и время запоминания з РИ и ухудшающего линейность преобразования в АВП, а также большую, чем у вакуум­ ных диодов, проходную емкость Сд, к тому же зависящую от велн-

18

чины обратного напряжения. Существенное значение имеет также за­ висимость основных параметров, в особенности /0бр н X, от темпера­ туры окружающей среды.

При использовании полупроводниковых диодов для преобразова­ ния коротких импульсов особое значение приобретают и их импуль­ сные характеристики, так как при работе в режиме переключения диоды в определенной степени инерционны. Эта инерционность про­ является в конечном времени установления прямого и восстановле­ ния обратного сопротивления [Л. 41, 42], что приводит к увеличению погрешностей при заряде и запоминании. Эти характеристики опреде­ ляются временем восстановления тП0сст и зарядом переключения Qn [Л. 42] и для ряда диодов нормируются.

Среди многообразия диодов, выпускаемых промышленностью, наибольшего внимания заслуживают импульсные диоды, высокое быстродействие которых обеспечивается с помощью диффузионного легирования германия или кремния золотом. Основные характери­ стики некоторых из них приведены в табл. 2-2.

Таблица 2-2

Как видно из приведенных данных, диоды типа КД512А и КД514А наиболее полно удовлетворяют предъявленным требованиям. Особо следует отметить диоды КД514А, выполненные иа горячих «носителях» и не имеющие эффекта накопления неосновных носите­ лей заряда. Инерционность этих диодов определяется лишь величи­ ной электростатической емкости и временем пролета электронов через высокоомный слой кремния.

2-4. Метод преобразования импульсного напряжения в квазипостоянное

Принцип действия преобразователей импульсного на­ пряжения в квазипостоянное (в дальнейшем мы будем их называть расширителями импульсов РИ) основан на способности конденсатора сохранять некоторое время