Файл: Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.06.2024
Просмотров: 87
Скачиваний: 0
fakoe запоминание необязательно, если начальные усЛбвия для функции f(b t), формирующей преобразованный интервал, равны значению функции {(at) в момент окончания измеряемого интервала. Это выполняется, например, в преобразователях, использующих метод заряда и разряда накопительного конденсатора через резисторы с разным значением сопротивления [Л. 133, 137]. Упрощенная схема и эпюры напряжений одного из таких устройств приведены на рис. 7-10,а, б. В псход-
Рнс. 7-10. Упрощенная схема (о) н эпюры напряжений (б) ПМВ.
ном состоянии ключ Кл замкнут и напряжение на кон денсаторе С равно нулю. На время измеряемого интер вала ключ размыкается и конденсатор С заряжается от источника Ei по экспоненциальному закону. В момент времени tK ключ Кл замыкается и конденсатор начинает разряжаться через сопротивление Rz, стремясь к потен циалу источника Е%.
'Процессы в схеме описываются уравнениями
U1(t) = E A l - e |
' |
при 0 < Д < tK\ |
|
|
(7-31) |
U. {t) = Ul — (E1-\-Ut)[I 1 |
— б |
НJ1 при t > tu, |
где xi = RiCu xz=RzC%.
Дискриминатор Дс, срабатывающий на нулевом уровне, выделяет преобразованный интервал. Функция
преобразования при этом имеет вид: |
|
Т и = ъ In |
(7-32) |
^2 |
|
170
Найдем напряжение источника Ег, при котором функ ция преобразования линейна, т. е. выполняется условие
const. (7-33)
Для этого, дифференцируя выражение (7-32), найдем:
|
сШ, |
dE% |
dTп _ |
dtк * -£Д1ЁЁ |
|
dtn — '■ |
|
£ г ( £ 2 + Д) |
Решпв это уравнение относительно £ 2 с учетом урав нений (7-31) и (7-33), получим:
«7 * _ U A E -U ,)
U + A ’
где /1 — постоянная интегрирования.
Функция преобразования при этом имеет вид:
где
Д^1 = т 2 1п ^ 1 |
+ |
При Л = 0 величина ДД, |
определяющая смещение |
функции преобразования, обращается в нуль. В этом случае
E i= E i— Ui{t). |
(7-34) |
Отсюда следует, что если в процессе разряда напря жение на накопительном конденсаторе будет стремиться к потенциалу, определяемому выражением (7-34), то экспоненциальный характер кривых заряда и разряда не будет влиять на точность преобразования. Это усло вие нетрудно обеспечить, если ввести в цепь разряда накопительного конденсатора последовательно с источ ником э. д. с., равную по величине и знаку напряже нию, до которого зарядился накопительный конденсатор за измеряемый интервал времени.
Несмотря на то что в данной схеме должно быть при
менено запоминающее |
устройство |
для формирования |
|
э. д. с., вводимой в цепь разряда, |
его влияние |
на точ- |
|
ность преобразования, |
как будет показано ниже, |
сказы- |
171
вается в меньшей мере, чем в преобразователях со ста тическим запоминанием.
Преобразователи, использующие метод авторегулировання скорости разряда, могут быть построены с использованием индуктивных и конденсаторных нако пителей. Недостатки первых были рассмотрены ранее, п поэтому в дальнейшем мы на них не будем останавли ваться.
Конденсаторные преобразователи, так же какпПМВ с динамическим запоминанием, можно разделить на два
вида: |
одноконденсаторные |
и |
двухконденсаторные. |
Рас |
||||||||
|
r+£V |
|
|
|
смотрим их с |
точки зре |
||||||
|
|
|
|
ния |
возможности приме |
|||||||
|
|
|
|
|
нения в наносекундном и |
|||||||
|
|
|
|
|
пикосекундном - |
диапазо- |
||||||
Старт |
|
|
~Выход и ах |
временных |
интерва |
|||||||
|
|
|
|
лов. |
|
|
|
|
|
|
||
'ст оп |
\Кя J£> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Одноконденсатор н ы е |
|||||||||
|
_ г |
|
|
|
преобразователи. |
|
На |
|||||
|
|
|
|
|
рис. 7-11 представлена |
|||||||
|
|
|
|
|
упрощенная |
схема |
одно |
|||||
|
|
|
|
|
конденсаторного |
преоб |
||||||
Рие. 7-11. Функциональная схема |
разователя |
|
[Л. |
|
137]. |
|||||||
В этой |
схеме заряд |
кон |
||||||||||
одноконденсаторного ПМВ с авто- |
||||||||||||
регулирование.ч скорости |
разряда. |
денсатора |
Ci |
в |
течение |
|||||||
|
|
|
|
|
измеряемого |
интервала |
||||||
|
|
|
|
|
(ключ |
Кл |
|
разомкнут) |
||||
осуществляется |
от |
источника Е ь |
Скорость |
разря |
||||||||
даконденсатора |
определяется |
сопротивлением |
рези |
|||||||||
стора |
R* и напряжением источника |
Ег. Для |
компенса |
|||||||||
ции нелинейности заряда |
в |
схеме |
применен |
пиковый |
расширитель Р, запоминающий напряжение на конден саторе Ci. Выходной импульс расширителя через разде лительный конденсатор С2 подается в цепь разряда последовательно с источников Е2. Напряжение с конден сатора Ci подается на дискриминатор нуля Д с и расши ритель через катодный повторитель КП. Вместо катод ного повторителя могут, вообще говоря, применяться и транзисторные согласующие каскады. Однако нужно иметь в виду, что при стремлении получить высокий ко
эффициент преобразования |
(что весьма |
существенно |
в пикосекундном диапазоне |
измеряемых |
интервалов) |
сопротивление разрядного резистора R2 может состав лять единицы н даже десятки мегаом. Входное сопро
172
тивление согласующего каскада должно быть по край ней мере на порядок больше, чтобы его нестабильность не сказывалась на точности работы преобразователя.
Приведенный выше анализ был посвящен изложению принципа автокомпенсации и, естественно, не учитывал ряд причин, вызывающих в реальных схемах ухудшение точности и разрешающей способности преобразователя.
( t j |
б ) |
Рис. 7-12. Эквивалентные схемы для заряда (а) и разряда (б) конденсатора ПМВ.
С учетом этих причин эквивалентная схема заряда кон денсатора Ci имеет вид, представленный на рис. 7-12,с. Для этой схемы справедливо следующее уравнение:
|
d U , ( i ) |
(О |
|
(7-35) |
|
|
dt |
|
т, э |
|
|
|
|
|
|
||
|
— (/д — Е г |
Я, |
|
|
|
|
^ |
|
|
|
|
где £ , э = — ■------------ в-------- эквивалентное |
напряжение |
||||
|
1 + ( ' - * « > 75- |
|
|
|
|
заряда |
конденсатора С,; |
|
|
|
|
|
R С |
эквивалентная |
постоянная вре- |
||
Тдэ — - — ■— 'гД-ь тр— |
|||||
1 |
-f- (i —Де/А1/А2 |
|
|
|
|
мени заряда; |
|
|
|
|
|
и л — падение напряжения |
на диоде |
Д\ |
Кс = Кк.рКр — |
суммарный коэффициент передачи катодного повтори теля Кк.п и расширителя /<р; Ui(t) — напряжение на кон денсаторе при заряде.
Решая уравнение (7-35) относительно Ui(t) и пола гая Кс н Нд неизменными в течение интервала преобра зования, находим:
U , ( / „ ) = » £ 1 Э — ( E t i = - U a ) e |
19 |
(7-36) |
|
173
где U0— напряжение на конденсаторе в исходном сос тоянии при /п = 0 ; Ui(t) — напряжение на конденсаторе, соответствующее окончанию входного интервала.
По окончании измеряемого интервала ключ 1\л за мыкается и конденсатор Ci начинает разряжаться. Экви валентная схема для разряда, приведенная на рис. 7-12,6, составлена при допущении, что входное сопротив ление катодного повторителя, обратное сопротивление диода Д и выходное сопротивление расширителя Р не влияют на скорость разряда. Дифференциальное урав нение для этой схемы имеет вид:
■ d U а (I) _ ____ U , ( 0 - Я У Л (1и ) + Е , 7 Я ? .
где U2(t) — напряжение на конденсаторе при разряде; x2= R 2C\. Время в уравнении (7-37) ^отсчитывается от конца измеряемого интервала. Моменту окончания раз
ряда накопительного конденсатора (конец |
преобразо |
|||
ванного интервала |
7П) соответствует |
условие U2(Tn) — |
||
= НоТогда, решая |
уравнение |
(7-37) |
с учетом (7-36), |
|
найдем функцию преобразования |
|
|
||
( l - f t c) |
1 |
|
T|3J + |
Еп |
Тп= Э, In |
|
|
|
(7-38) |
Ut + E t + K t [ { E „ - U t) e |
|
|
||
Нетрудно показать, что минимальная нелинейность |
||||
преобразования имеет место при условии |
|
|||
E2= K cE ia- U |
0, |
|
(7-39) |
которое легко обеспечивается изменением одного из пи тающих напряжений. Учитывая (7-39) и обозначив tu/xia=Xi, получаем:
(7.40)
Погрешность за счет нелинейности функции преобра зования
( 7 ‘ 4 1 )
обусловлена отличием коэффициента передачи К с от единицы и является, функцией измеряемого интервала.
•174
На рис. 7-13,а приведен график этой зависимости для нескольких значений коэффициента К с - Как видно из рисунка, погрешность ЬТп существенно возрастает с уве личением х, т. е. с увеличением коэффициента использо вания напряжения e = U i(tn)/E iS. Это объясняется не полной компенсацией зарядной погрешности при малых значениях коэффициента передачи К с- Наиболее прием лемым с точки зрения получения малой погрешности
Рис. 7-13. Зависимость iT n = <f(x)K _ 4ar и 5?п = ¥ 0 0 m=var
является режим работы преобразователя при коэффи циенте использования напряжения е^30%', в этом слу чае для оценки погрешности можно воспользоваться приближенной формулой
87 п* |
1+ л - |
которая получена путем замены экспоненты, находящей ся под знаком логарифма в уравнении (7-41), ее разло жением в степенной ряд.
На рис. 7-13,а для сравнения приведен также график зависимости погрешности 8Тпх при отсутствии компен сации ( К с —0)- Как видно из рисунка, введение компен сирующей э. д. с. в цепь разряда позволяет более чем на порядок уменьшить нелинейность преобразования при сравнительно низких коэффициентах передачи катодно го повторителя и расширителя . ( К с = 0 ,8 -н0,9).
При выводе соотношения (7-38) предполагалось, что напряжение на выходе пикового расширителя после окончания измеряемого интервала остается неизмени-
175
мым. |
В л и ян и е погрешност и |
зап о м и н ан иUmя |
5 расширив |
||
теля |
на точность работы |
преобразователя |
можно оце |
||
нить, если положить для |
простоты /<с= 1, |
Дд= Д 0 = О и |
|||
считать, что напряжение |
на |
выходе расширителя при |
|||
малых погрешностях (8 £ЛП< 1 0 %) изменяется |
по линей |
||||
ному закону: |
|
|
|
|
u v(i) = u i(ta) - т ,
где N — скорость изменения напряжения на выходе рас ширителя.
Тогда, решая уравнение (7-37) и производя преобра зования, аналогичные предыдущему случаю, найдем значение погрешности, возникающей из-за изменения
Up (t):
ЬТа,за = |
у + |
у In j _ ту + ц + п _ тце1/_ 1) 1. |
|||
где |
|
|
|
|
|
, |
E t ~ U t . |
___ |
U, |
. |
|
|
|
|
|
Е — U„ |
• |
На |
рис. |
7-13,6 |
приведены графики зависимости |
бТп,(у) для двух значений коэффициента ш, характери
зующего |
скорость |
изменения |
напряжения |
на |
выходе |
|
расширителя. |
|
|
|
|
и у = |
|
При т |
= 0,05 |
( ч т о |
соответствует 617ЗП= 5%) |
|||
= 0,2ч-0,3 |
значение погрешности бТп составляет десятые |
|||||
доли процента, что во |
много |
раз меньше |
аналогичной |
погрешности в преобразователе со статическим запоми нанием.
Погрешность от изменения питающих напряжений при выполнении условия (7-39) является величиной вто рого порядка малости и практически не влияет на точ ность преобразования в том случае, если изменения на пряжения источников Е i и Ег равны по величине и зна
ку. |
Это нетрудно обеспечить при /<с~ 1 |
и U0 = 0, |
исполь |
||
зуя |
нестабилизированные источники |
питания. |
Однако |
||
в реальных |
схемах изменения |
коэффициента передачи |
|||
Лс и напряжения U0 могут привести к нарушению усло |
|||||
вия |
(7-39) |
и, следовательно, к |
ухудшению разрешаю |
||
щей способности преобразователя. |
|
|
Другим недостатком одноконденсаторных преобразо вателей является нестабильность порога срабатывания дискриминатора Дс, которую, вообще говоря, можно уменьшить путем предварительного усиления входного
176