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

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 27.06.2024

Просмотров: 119

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

заряд, накопленный в течение существования одиночного импульса. Для получения эффекта преобразования необ­ ходимо, чтобы постоянная времени разряда накопитель­ ного конденсатора была много больше постоянной вре­ мени заряда. В связи с этим требования, предъявляемые к преобразователям, зависят в конечном итоге от вход­ ного сопротивления и типа примененного отсчетного устройства. Для отсчета могут использоваться электро­ статические и рефлексные вольтметры, а также лампо­ вые электрометры [Л. 9, 34]. Значительное входное со­ противление этих устройств дает возможность получить большое время запоминания при малой оконечной емко­ сти запоминающей системы, что упрощает построение всего тракта преобразования. Однако эти методы изме­ рения не получили достаточного распространения ввиду трудности обеспечения высокого входного сопротивления в условиях различной влажности и температуры.

Методы измерения, использующие для отсчета обыч­ ные электронные вольтметры постоянного тока, харак­ теризуются значительной величиной оконечной емкости запоминающего устройства (от 0,5 до 20 мкф), что объ­ ясняется сравнительно низким входным сопротивлением этих приборов '[Л. 45—47]. Так, например, если допу­ стить спад показаний стрелочного индикатора в течение 10 сек на 1%, то при входном сопротивлении вольтметра 108 ом емкость запоминающего конденсатора получается равной 10 мкф, что усложняет схему диодно-конденса­ торного расширителя. В [Л. 48] показана возможность реализации системы статического запоминания с малым значением емкости запоминающего конденсатора при длительном времени хранения информации о напряже­ нии импульса.

Использование цифровых вольтметров постоянного тока с электронным преобразованием дает возможность снизить требуемое время запоминания. Этот способ не нашел до сих пор применения ввиду необходимости использования двух видов преобразования: импульсного напряжения в квазипостоянное и дискретного преобра­ зования, что, конечно, усложняет измерительное устрой­ ство.

Параметры РИ зависят как от характеристик самого преобразователя, так и от характеристик преобразуемо­ го сигнала: формы, максимального напряжения, дли­ тельности, крутизны фронтов и т. п.

20

На рис. 2-3,а представлена эквивалентная схема РИ. В исходном состоянии ключ Кл замкнут. С приходом импульса накопительный конденсатор заряжается через внутреннее сопротивление источника сигнала Ri до на­

пряжения,

пропорциональ­

 

 

 

 

 

ного максимальному

значе­

 

 

 

 

 

нию импульса. По оконча­

 

 

 

 

 

нии импульса ключ Кл раз­

 

 

 

 

 

мыкается

и

 

конденсатор

 

 

 

 

 

разряжается

через

сопро­

 

 

 

 

 

тивление

нагрузки с

посто­

 

 

 

 

 

янной

времени

тРаз= С п/?н,

 

 

a,)

 

 

которая

определяет

 

дли­

U,

 

 

 

тельность

расширенного им-

т

' AU3ap

u (tjg x

иЮвыя §

пульса. Как видно из

рис.

 

_______

 

 

2-3,6,

форма

входного

сиг-

,

7

\—

 

^Фтбых

нала,

а следовательно,

и его

 

 

—

 

частотный спектр К (со) су­

±Г 1

•зп

| .

V

 

t -

щественно

преобразуются

 

расширителем,

 

в связи с чем

 

 

6)

 

 

его

характеристики

целесо­

Ри.с. 2-3. Расширитель импуль­

образно

оценивать,

опери­

руя максимальными

значе­

сов.

 

 

 

а

— эквивалентная схема; б — фор­

ниями

входного и выходно­

ма входного н выходного напря­

го

сигналов.

 

 

 

 

жения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обычно в качестве клю­

 

 

 

 

 

ча

используют

нелинейный

 

 

 

 

 

элемент, обладающий вентильной характеристикой. Учи­ тывая это, функция преобразования РИ на этапе накоп­ ления заряда может быть записана в наиболее общем виде:

U(t)n

съ

К[ит; в(о,

(с/), %\<и.

На этапе запоминания (хранения) информации функция

преобразования имеет вид:

 

 

зп

U (t tm)вы х

 

= U mвых— ^

hWm, 8(0,

a, (U), 1У dt.

j"

t= t _

Здесь К и h — ток заряда и разряда накопительного конденсатора соответственно; Um— максимальное на­

21

пряжение преобразуемого импульса; e ( t ) — функция, описывающая форму входного импульса; 0 тпЫх — мак­ симальное напряжение на выходе РИ после окончания импульса; tm — момент, соответствующий максимально­ му напряжению ых; a(U), [3— нелинейные и линей­ ные параметры преобразователя.

Тогда, используя полученные выражения и обозначе­ ния на рис. 2-3,6 можно записать основные характери­ стики РИ:

Относительная погрешность при заряде возникает в процессе накопления на конденсаторе заряда, несущего информацию о напряжении импульса,

ЛР3П

и (Ош ПЫХ I

/П 1\

oU зар Г,

—• Г]

№~Ч

иm

иin

 

где Д'1/зар — абсолютная погрешность вследствие недозаряда.

Относительная погрешность запоминания возникает из-за стенания накопленного на конденсаторе заряда в процессе преобразования импульсного сигнала в квазипостоянное напряжение:

SUau= - ^ - =

- ^ s L - 1,

(2-2)

и тп пых

и m пых

 

где ДU3n— абсолютная погрешность запоминания.

Минимальная длительность преобразуемого импульса

характеризует быстродействие преобразователя и опре­ деляется временем накопления заряда 7’11ак=^и.»тт при котором погрешность б£/зар не превышает заданную ве­ личину.

Время запоминания Т;ш характеризует длительность расширенного импульса и определяется отрезком време­ ни, в течение которого погрешность запоминания 6(УЭП расширителя не превосходит заданную.

Коэффициент расширения

К

х

г :

(2-3)

tn.

 

 

определяется отношением длительности расширенного импульса к минимальной длительности входного импуль­ са при заданных б£/зар и 6Uau.

2,2

Коэффициент передачи расширителя определяется от­ ношением

(2-4)

о m пХ

и характеризует линейность амплитудной характеристи­ ки расширителя.

2-5. Одноступенчатые диодно-конденсаторные РИ

Рассмотрим случай, когда в качестве нелинейного ключа в схеме РИ (рис. 2-3,а) применен диод. Такую схему называют одноступенчатым диодно-конденсатор­ ным расширителем. Диодно-конденсаторные расширите­ ли могут выполняться по схеме с открытым и закрытым входом. Их эквивалентные схемы для заряда и разряда

Рис. 2-4. Упрощенные эквивалентные схемы

для заря­

да (а) и разряда накопительного конденсатора

(б).

накопительного конденсатора одинаковы (рис. 2-4). Основные параметры такого преобразователя можно найти, если принять в качестве модели входного сигнала П-образный импульс большой амплитуды. При этом не­ линейностью вольт-амперной характеристики диода мож­ но пренебречь и считать его прямое сопротивление Дд постоянным в диапазоне рабочих напряжений. Для про­ стоты удобно полагать диод идеальным вентилем, имею­ щим обратное сопротивление Дд.0&р=°°. Анализ одно­ ступенчатого РИ при сделанных допущениях для линей­ ной модели диода приведен в [Л. 9]. Используя ее ре­ зультаты, запишем некоторые основные характеристики одноступенчатого днодно-кондеисаторного РИ.

23

Погрешность При Заряде дЛя импульса ДлптёЛьнО'

стыо

 

 

 

 

8[/MP=

 

M ln ^ -----(2-5)

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М = с н +

с ;

’ т зар =

/?д(Сц +

Сд).

 

 

Минимальная длительность импульса (время накоп­

ления Гнак) при допустимой

погрешности б^зар.доп

 

 

 

 

^п. мину== Тзар ^ПТП

■

 

 

(2-6)

 

 

 

 

 

 

 

 

0(-'ЭПр. ДОц

 

 

 

Погрешность запоминания для времени запоминания

Т'зп

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sи зи =

1 - М ехр (

-----(2-7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

тРаз

/

 

 

ГДе Т(раз= 7?н (С’и+ Сд) •

 

при

заданной

допустимой по­

Время

запоминания

грешности б£/зп.доп

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

 

 

 

 

 

 

 

 

^ д ц : = храз i n ]

gj j

•

 

 

( 2 " 8 )

Коэффициент расширения

K z находится

из выраже­

ний

(2-6)

и

(2-8). Удобно при

этом допустить 6t/3ap =

= 6t7ra= 0,01.

Тогда

с учетом того, что Af« 1, a

■6t/3n<^C1,

получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К .

 

тР в з ® ^ з п

О О 1 Л - 3

«н

 

(2-9)

 

 

 

^заР

lr,

Я Г !

-----

 

 

 

 

 

 

 

ОС/заР

 

 

 

 

 

 

Коэффициент передачи расширителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K v= KoM,

 

 

 

(2-10)

где

К 0 =

-р—тЧэ----- •коэффициент^ передачи

по

постоян-

 

 

А Н ”Г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ному току; М — множитель, учитывающий скачок напря­ жения при t= i„ [см. формулу (2-5)].

Из выражения (2-9) следует, что для достижения больших коэффициентов расширения необходимо иметь значительную величину сопротивления нагрузки. Из это­ го выражения можно получить соотношение

# а=460 /(,Я *

24

из которого, задавшись требуемым коэффициентом рас­ ширения K z, можно определить сопротивление нагруз­

ки Rn. Заметим, что при больших значениях Rn рабочая точка диода смещается в область нелинейного участка вольт-амперной характеристики; это увеличивает экви­ валентную постоянную времени заряда т3ар, а следова­ тельно, и относительную погрешность при заряде 6<U33V, а также это ограничивает величину коэффициента рас­ ширения одноступенчатых расширителей значениями 100— 1 000 для РИ на вакуумном диоде и 10— 100 для. полупроводникового РИ, ввиду чего они используются обычно в качестве предварительных или промежуточных

ступеней при преобразовании

одиночных импульсов

в квазипостояиное напряжение

или интервал времени.

2-6. Многоступенчатые расширители импульсов

В зависимости от типа регистрирующего устройства требуемое время запоминания расширителя 7^ при за­ данной погрешности хранения информации бU3n изме­ няется в широких пределах — от единиц миллисекунд до нескольких секунд. Так, при использовании для индика­

ции стрелочного прибора время для визуального отсче­ та составляет по крайней мере Тзп= 5 сек. Если при этом измеряемый сигнал имеет, например, длительность t„= = 0,1 мксек, то коэффициент расширения расширителя должен быть ТС.^5-107, что можно обеспечить лишь

при использовании нескольких ступеней расширения. Схема п ступенчатого расширителя представлена на рис. 2-5. К первому расширителю предъявляется глав­ ным образом требование получения малых погрешно­ стей при заряде, последующие решают задачу длитель­ ного хранения информации. Каждая ступень расширите-

ля состоит из развязывающего каскада РК (катодный., эмиттерный или нстоковый повторитель) ключевого ди­ ода Д, накопительного конденсатора Снак и нагрузочно­ го резистора Дв- Погрешность запоминания многосту­ пенчатого расширителя {Л. 49] определяется постоян­ ной времени разряда конденсатора последнего расши­ рителя и для малых погрешностей может быть найдена из выражения 6U3n~ T 3J r va3. Погрешность, возникающая при заряде накопительного конденсатора 6U3aip, в пер­ вой ступени расширения может быть определена для случая больших сигналов из выражения (2-5), при ма­ лых сигналах — из выражений (2-36), (2-37), (2-39), (2-40). Погрешность, вызываемая скачком выходного напряжения за счет перезаряда накопительного конден­ сатора первого расширителя, в момент окончания вход­ ного импульса, определяется соотношением

5tycK1 = С: у - (1 - SH3api) (2-11)

и носит в определенных пределах систематический характер. Однако при работе многоступенчатого расшири­ теля в широком диапазоне длительностей эту погреш­ ность учесть практически невозможно. Так, если входной сигнал имеет длительность ^i>T3ni, то эта погрешность существенно уменьшается, поскольку в выражении (2-11) в этом случае фигурирует накопительная емкость второго расширителя СПаи2, значительно большая, чем Спак1-

 

Нетрудно показать, что общие коэффициент расшире­

ния

и коэффициент передачи К Р «-ступенчатого рас­

ширителя равны:

 

 

 

 

Л \ о б ш =

П Я * ;

К р О б и ; = п х * .

( 2 - 1 2 )

 

 

(=1

1=1

 

Общая суммарная погрешность за счет заряда и за­

поминания

 

 

 

 

5П, =

8£/зар, ( g

+ £ 8U3a (1\),

(2-13)

 

 

 

;=i

 

где

Ti — необходимое время запоминания в каждой сту­

пени расширителя.

К недостаткам многоступенчатых расширителей сле­ дует отнести низкую стабильность начального уровня изза изменения окружающей температуры (для полупро-

26

Родниковых схем) и напряжения накала (для ламповых схем), а также возрастание погрешностей в широком диапазоне длительностей входных сигналов. Ввиду этого применение более двух-трех ступеней расширения ока­ зывается нерациональным. Отметим, что при ориентиро­ вочных расчетах максимальную емкость г-й ступени рас­ ширителя можно выбирать из условия

Сг макс^Сг-At(i-i),

(2-14)

где С/_, и /Сx(f_])— емкость и коэффициент

расширения

(М)-й ступени расширителя.

Имея в виду выражения (2-12) и (2-14), для оконеч­ ной емкости многоступенчатого расширителя можно за­ писать:

П

 

 

^пак. кон == ^iiaKi П

—i)-

(2-15)

i = l

Так, например, при емкости накопительного конден­ сатора Спат =100 пф и использовании трехступенчатого

расширителя с коэффициентом расширения каждой сту­ пени /С_= 103 величина емкости СПак=100 мкф. С учетом

выражения (2-7) однопроцентная погрешность запоми­ нания в течение времени ТШ=Ъ сек получается при раз­ ряде такого конденсатора на сопротивление Ян= 5 Мом. В этом случае для отсчета может быть применен обыч­ ный электронный вольтметр постоянного тока со стре­ лочным индикатором. При использовании двуступенча­

того расширителя

и тех же значениях параметров 6f/3n

м Тяп требуемое

сопротивление нагрузки 7?п = 5-109 ом.

Столь большое входное сопротивление можно обеспе­ чить, используя электрометрические режимы ламп или рефлексные вольтметры, что усложняет схему измерения. На принципе многоступенчатого расширения построены вольтметры одиночных импульсов, описанные в работах

[Л. 32, 45, 46, 50].

2-7. Метод амплитудно-временного преобразования

В основе амплитудно-временного преобразования одиночных импульсов лежат главным образом три спо­ соба [Л. 9, 34].

1. Способ сравнения амплитуды измеряемого импуль са напряжения с мгновенным значением пилообразного напряжения.

27

Смотрите также файлы