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

пульса, превышающей Т„. В качестве линии задержки ЛЗ обычно используют коаксиальный кабель или спи­ ральную линию задержки.

Следует отметить, что метод автокоррекции сущест­ венно понижает требования к стабильности элементов преобразователей, режимам питания и переходным ха­ рактеристикам стартового и стопового каналов, посколь­ ку при повторном запуске аддитивные и мультиплика­ тивные погрешности, вызываемые влиянием этих факто­ ров, компенсируются. Приведенная на рис. 7-17,а структурная схема является лишь примером метода автокоррекции. Возможны и другие структурные реали­ зации этого метода.

Г л а в а в о с ь м а я

Пороговые и ключевые устройства аналоговых преобразователей интервалов времени

8-1. Характеристики пороговых устройств

Для недетерминированных входных сигналов точность преобра­ зования их временных параметров (7„, /ф, tc) или временных интер­ валов между ними в значительной степени зависит от точности и стабильности работы входного порогового устройства, обеспечиваю­ щего временную «привязку» начала и конца измеряемого интервала к входным импульсам. Погрешность, вносимая входным устройством, в наносекундиом диапазоне носит доминирующий характер и ее следует учитывать при измерении временных интервалов.

Пригодность порогового устройства для привязки к интервальным импульсам можно оценить с помощью следующих основных пара­ метров: чувствительности, погрешности дискриминации уровня изме­ рения, инерционности.

При амплитудных измерениях под чувствительностью обычно понимают минимальный порог срабатывания, который может обес­ печить пороговое устройство. Однако при измерении интервалов времени такая оценка чувствительности приемлема только для иде­ альных условий, когда погрешностью, вносимой пороговым устрой­ ством, можно пренебречь. На практике оценку чувствительности, по-видимому, следует производить по минимальной амплитуде вход­ ных импульсов, при которой погрешность измерения временного интервала, вносимая дискриминирующим элементом порогового устройства, остается в допустимых пределах. Очевидно, что в этом случае чувствительность порогового устройства будет зависеть не только от его свойств, но и от внешних факторов, к числу которых прежде веего следует отнести амплитудно-временные параметры интервальных импульсов,

182

Весьма важной характеристикой порогового устройства являётсй погрешность дискриминации. Эта погрешность скалывается из по­ грешности установки уровня измерения и погрешности из-за изме­ нения этого уровня вследствие нестабильности питающего напряже­ ния, климатических воздействий, старения элементов схемы, помех и пр. Погрешность установки уровня измерения приводит к систе­ матической ошибке, вызывающей нелинейность преобразования ПМВ. Нестабильность уровня влияет на разрешающую способность преоб­ разователя. Величины этих погрешностей существенно зависят от скорости нарастания фронта входных импульсов.

Инерционные свойства порогового устройства характеризуются его быстродействием (временем задержки), широкополосностыо канала передачи сигнала от входа преобразователя до дискримини­ рующего элемента и длительностью фронта выходного импульса. Наиболее существенное влияние па работу устройства оказывают первые два фактора, устранение действия которых является одной из актуальных проблем при измерении пико- и ианосекундных интер­ валов времени.

Кроме указанных параметров, являющихся наиболее важными при измерении временных интервалов, в ряде случаев для оценки качества пороговых устройств могут использоваться дополнительные характеристики: диапазон изменения устанавливаемых уровней, спо­ собность к перегрузкам, потребляемая мощность, надежность и др.

8-2. Основные погрешности дискриминаторов уровня измерения

В качестве дискриминаторов уровня измерения могут применять­ ся нелинейные делители, использующие вентильные свойства элек­ тронных приборов, импульсные генераторы с положительной обрат­ ной связью и импульсные генераторы, в которых применены элемен­ ты с отрицательным сопротивлением. Наиболее перспективными при измерении коротких интервалов являются пороговые устройства, использующие элементы с отрицательным сопротивлением, причем самыми быстродействующими из них являются туннельные диоды

( Т Д ) .

Известно большое количество схемных реализаций дискрими­ наторов на ТД, являющихся модификациями основной схемы. Все они направлены на устранение тех или иных недостатков ТД, напри­ мер деградацию (Л. 139, 140], паразитные импульсы до срабатыва­ ния [Л. 141], малое входное сопротивление и т. д. Здесь мы рас­ смотрим погрешности основной схемы (рис. 8-1,а), к которой может быть сведено большинство схем дискриминаторов на ТД. Парамет­ ры схемы выбираются таким образом, чтобы линия нагрузки пере­ секла вольт-ампериую характеристику в одной точке А восходящей туннельной ветви (рис. 8-1,6). Тогда поступающий на вход схемы положительный импульс тока амплитудой Д / в х > Д / по р будет перево­ дить диод в точку В характеристики. С уменьшением входного тока диод возвращается в исходное состояние (точка А). В результате па диоде возникают импульсы напряжения AU = UB— Uа - Очевидно,

183

что основные характеристики генератора iia ТД как noporonoi'o устройства определяются электрическими параметрами туннельного диода: стабильностью его тока максимума, быстродействием и пр. Для улучшения характеристик порогового устройства дискриминатор выполняют обычно в коаксиальной или полосковой конструкции. В дальнейшем мы будем рассматривать коаксиальный вариант как наиболее широкополосный.

На примере дискриминатор^; схема которого приведена на рис. 8-1,я, рассмотрим основные погрешности, вносимые входным устройством. Факторы, влияющие на точность работы комплекса входное устройство — преобразователь, можно разделить на две категории.

К первой следует отнести те, которые приводят к запаздыванию интервальных импульсов, вызывая тем самым смещение функции преобразования. Влияние этого смещения эквивалентно нелинейности преобразования, величина которой зависит от формы входных сигна­

вого тока ТД. Значительное влияние на точность работы дис­ криминатора^ оказывает температурный и временной уход пикового тока. Точный анализ влияния температуры на стабильность пикового тока является достаточно сложной задачей. Ориентируясь на неко­ торые сведения из литературы [Л. 139, 142], можно считать, что тем­ пературный уход пикового тока ТД не превышает 10— 15% для

184

п=.1

где Unx(() — входное напряжение; t3— время пробега волны на уча­ стке S l:—S2. Очевидно, что погрешность, вносимая инерционностью, будет максимальной при идеальном перепаде входного, напряжения амплитудой. От. Форма выходного напряжения для этого случая при v = 0,8 приведена на рис 8-2,6, а огибающая этой ступенчатой функ­ ции равна {Л. 31]:

[т~ +Л in М

Р (() = 1 — <Л 3 1 . (8-2)

В выражении (8-2) время отсчитывается от момента появления прямой волны в нагрузке. Из уравнения (8-2), задаваясь относи­ тельным уровнем изменения Po=P(O i), найдем сдвиг функции пре­ образования, возникающий вследствие неоднородности в тракте пе­ редачи сигнала

в неоднородности и существенно зависит от коэффициента отраже­ ния. При v ^ 0 ,3 (что соответствует удвоению волнового сопротивле­ ния в неоднородности) величина ©t= 0 в диапазоне уровней Р 0^ 0 ,9 .

Временной сдвиг 0i приводит к погрешности в Tex' случаях, когда неоднородность имеется только в одном из трактов (стартовом или стоповом) или когда измерение интервалов производится на су­ щественно различных уровнях измерения. При идентичных в кон­ структивном отношении каналах передачи интервальных импульсов и при равных уровнях точность работы входного устройства опреде­ ляется неоднозначностью привязки к интервальным импульсам, воз­ никающей из-за ступенчатого характера выходного напряжения. Эта неоднозначность приводит к ухудшению разрешающей способности устройства и равна 02= /3.

При конечной длительности фронта входного сигнала рассмотрен­ ные погрешности имеют меньшее значение. На рис. 8-2,6 приведен график зависимости выходного напряжения при условиях, аналогич­ ных ранее рассмотренным, и при поступлении на вход входного устройства трапецеидального импульса с длительностью фронта Тф<<з- При этом временная неопределенность, как видно из рис. 8-2,6, равна:

Выражение для погрешности, возникающей из-за смещения

18£?