Файл: Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.06.2024
Просмотров: 110
Скачиваний: 0
чине, если в момент окончания входного импульса и на чала преобразования на вход преобразователя подать
отрицательный |
пьедестал |
напряжением |
смещающий |
|
рабочую |
точку |
диода в |
область малой |
проводимости. |
Форма |
результирующего |
сигнала, поступающего при |
этом на преобразователь, показана на рис. 2-8. Благода
ря введению |
пьедестала |
уменьшается |
влияние шунти |
|
рующего действия |
диода |
на процесс |
преобразования, |
|
а выражение |
для |
погрешности 6/Сп.д |
приобретает вид: |
г,
З^п.д— щ ; (2-26)
Например, для преобразователя с указанными выше параметрами при £/до = 0,5 в, Ua= 1 в и Я.= 10 в-1 для импульса напряжением Um= 1 в суммарная погрешность б/Сп^ОЛ % н определяется в основном стабилизатором тока. Отметим, что введение пьедестала приводит к не регулярности систематической части погрешности (2-21), которая в этом случае определяется выражением
ьит= St/зар + (1 - 8Дзар) |
!)§-• |
(2-27) |
Минимальную величину пьедестала определяют из выражения (2-25), задаваясь максимально допустимым значением б/Сп.д-
При калибровке преобразователя импульсом напря жением UK имеется возможность исключить или умень шить некоторые составляющие основной погрешности преобразования. В этом случае общая погрешность будет описываться выражением
ЬТи— bUэарН- 2^" |
Ц, - UK |
. (2-28) |
i (Е) Rt 0КЗ |
Для уменьшения погрешности самой калибровки, обусловленной дискретностью преобразования интервала Тц, уровень калибровочного сигнала выбирают близким
кзначению UmuаКс-
Вприведенных выше выражениях i(E) — ток стаби
лизатора в статическом режиме. Обычно этот ток равен току диода /до при начальном смещении [/д0, так что при расчетах зарядных и разрядных характеристик АВП можно принимать i(E) =гд0, а произведение 1доДгэкв=£'экв.
3 -449 |
33 |
2-9. Влияние формы импульсов на погрешность преобразования
До сих пор мы рассматривали работу преобразова телей, полагая, что на их вход поступает идеальный пря моугольный сигнал. Практически сигналы могут иметь самую разнообразную форму и существенно отличаться от детерминированных воздействий, при которых произ-
>х о д |
I к а н а л |
0 |
1 2 3 Ч - 5 В 7 8 Э 10 |
|
||
Рис. 2-9. Графики |
зависимо |
Рис. 2-Ю. Двухкаиальнын пре |
||
сти |
погрешности |
при |
заря |
образователь. |
де |
накопительного конденсато |
|
||
ра |
б(/3ар=/(^п/Тзар) |
для |
раз |
|
личных форм сигналов.
водится калибровка преобразователя. Форма сигналов влияет на погрешность накопления и преобразования информации.
Рассмотрим вначале накопительные погрешности, по лагая, что вольт-ампериая характеристика диода линей на, а эквивалентная схема для заряда имеет вид, пред ставленный на рис. 2-4. В |[Л. 53] проанализированы эти погрешности для линейно и экспоненциально нарастаю щей, линейно падающей и треугольной моделей входных импульсов. Не повторяя проведенного анализа, дадим окончательные результаты в виде графиков зависимости 6t/3aip—/(^гАгзар) для указанных форм импульсов (рис. 2-9). Длительность импульсов бралась по основа нию, причем для экспоненциально нарастающего она принималась равной ^г=3т, где т — постоянная времени нарастания экспоненты. Если известны постоянная вре-
34
мени заряда тзар и длительность |
|
Увых^) |
||||||||||
импульсов t„, ТО, пользуясь ЭТИМИ |
---------1|----------------- f-----0 |
|||||||||||
графиками, можно оценить ожи |
|
|
|
|
||||||||
даемые |
погрешности |
для значи |
|
|
|
|
||||||
тельного класса форм импульсов, |
|
|
|
|
||||||||
в том числе и для отличающихся |
|
|
|
|
||||||||
от приведенных ранее. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Из графиков видно, что наи |
|
|
|
|
||||||||
большие |
погрешности |
получают |
|
|
|
|
||||||
ся для линейно спадающих им |
Um |
1У6х (^) |
|
|
||||||||
пульсов. |
Используя |
метод нало |
\ |
|
|
|||||||
жения, нетрудно показать, на |
|
|
|
|||||||||
|
\ |
|
t |
|||||||||
пример, что для трапецеидально |
|
|
||||||||||
го импульса погрешность при за |
|
о *4° |
|
|
||||||||
ряде можно рассчитать по фор |
|
|
|
|||||||||
муле |
|
8U3ap= 8UibUz, |
где |
— |
|
|
|
|
||||
погрешность при заряде для ли |
|
|
|
|
||||||||
нейно |
нарастающего |
импульса |
|
|
|
|
||||||
длительностью по основанию |
tn— |
|
|
|
|
|||||||
—Тф, |
|
а |
6£/г — погрешность |
при |
|
|
|
|
||||
заряде |
прямоугольным |
импуль |
|
|
|
|
||||||
сом с длительностью ta. Эти по |
|
|
|
|
||||||||
грешности можно |
рассчитать по |
|
|
|
|
|||||||
графикам рис. 2-9. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Можно показать, что влияние |
Рис. 2-11. Принципиаль |
|||||||||||
формы |
импульсов |
на |
зарядные |
ная схема РИ с закры |
||||||||
погрешности существенно умень |
тым входом (а) |
и |
эпю |
|||||||||
шается при использовании двух |
ры |
напряжении |
в |
схе |
||||||||
ме |
(б). |
|
|
|||||||||
канального метода |
преобразова |
|
|
|
|
|||||||
ния, |
описанного |
в |
гл. |
4 |
(рис. |
|
|
|
|
|||
2-10). |
|
Если на II |
канал |
подать |
|
|
|
|
||||
напряжение nilm, |
где |
п — коэффициент передачи |
дели |
|||||||||
теля, |
а постоянную времени заряда |
выбрать из условия |
т3ар2 = —Тзарь то относительную погрешность из-за фор
мы сигнала после вычитающего устройства ВУ можно определить из выражения
|
^11 \ |
- . . |
f |
tn |
SU.зар |
L3ap |
— nBU.зар |
т эар |
|
й^зар— |
|
1—п |
|
|
определяя для заданной |
формы сигнала погрешности |
в каждом канале по графикам рис. 2-9.
Рассмотрим далее влияние формы сигналов на по грешности преобразования аналоговой информации. Эти
з* |
35 |
погрешности зависят в основном от характера вершины и среза импульса. В расширителях импульсов с откры тым входом эти погрешности практически отсутствуют, у расширителей с закрытым входом появляется допол нительная погрешность преобразования. На рис. 2-11 представлена принципиальная схема РИ с закрытым вхо дом (рис. 2-11,а) и эпюры напряжений (рис. 2-11,6) при линейном срезе входного импульса. Как ясно из прин ципа работы расширителя, выходное напряжение расши ренного импульса на нагрузке Ди появляется после окон чания входного импульса или в общем случае с момента времени, соответствующего условию UBX(t) < ^ вы х (0• При этом полярность выходного сигнала противополож на полярности входного.
Анализ влияния заднего фронта импульса при линей ном и экспоненциальном срезе приводит к следующим выражениям для дополнительной погрешности из-за формы [Л. 53]:
При линейном срезе UBX(t) — Um( l —kt) (отсчет вре мени ведется от начала заднего фронта импульса)
kt
8^ф.л= 1 - — expf— —г)} V k
где
^СР. а: т Раз
При экспоненциальном срезе UBX(t) = Ume —и
а
А'2 \ а — А',
8^ф. 3 = 1 —
Как видно из приведенных выражений, дополнитель ная погрешность из-за формы является функцией отно шения к/а. На графике рис. 2-12 приведены зависимости бзф=/(й/а) для линейного (1) и экспоненциального (2) среза в области малых погрешностей, по которым при известных параметрах сигнала и РИ можно найти бДф. При линейном спаде плоской вершины погрешность рас считывается так же, как и для случая линейного среза заднего фронта. Для уменьшения дополнительных по грешностей от формы следует стремиться к увеличению постоянной времени разряда накопительного конденса тора. Можно показать, что при использовании двухка-
36
нального метода эти погрешности могут быть также зна чительно уменьшены, если принять Тразг^ятразь
Рассмотрим далее влияние формы импульсов на по грешности АВП. Эти погрешности, как и в РИ, зависят от крутизны спада вершины и среза импульса. Основное значение имеет крутизна спада плоской вершины хи= =AU m/tn. Если она меньше скорости преобразования %п< 1/^СпО) то возникает погрешность, зависящая от дли тельности преобразуемого сигнала /„ и максимального напряжения спада A>Um [Л. 34].
ЪТф— -jr-j]---- т г1 = &Tt — ЬТ&. |
(2-29) |
Auo^m |
|
С уменьшением напряжения и увеличением длительно сти преобразуемого сигнала погрешность ЪТф возрас тает. Погрешность бTt можно уменьшить за счет уве личения коэффициента преобразования Kuo=CB/i (Е). Это достигается увеличением емкости Снаи и уменьше нием начального тока диода.
Однако этот путь нежелате лен, так как и в том и в дру гом случае возрастают по грешности при заряде. Рас сматриваемые погрешности значительны даже при боль
ших |
коэффициентах |
преоб |
|
разования. |
Пусть |
КпО— |
|
= 1 мсек/в, |
fu = 300 |
мксек, |
|
Um= 1 |
в, А'Е/„г= 0,05 |
в, т. е. |
измеряется импульс с 5%- ным спадом. Тогда получим бТф= (0,3—0,05) •100 = 25%.
Для импульсов с крутиз ной спада плоской вершины или крутизной ср*еза боль шей, чем скорость преобразо вания, погрешности, вызы
ваемые формой импульсов, отсутствуют. Это объясняет ся тем, что с началом преобразования коммутирую щий диод отключает источник сигнала от разрядной цепи. При наличии двух максимумов на вершине импульсов погрешность преобразования зависит от их амплитуды и формы. Экспериментальные исследова ния и анализ показывают, что при форме сигнала, от личной от прямоугольной, импульсные амплитудно-вре-
37
менные преобразователи имеют недопустимо большие погрешности преобразования, затрудняющие их исполь зование в качестве измерительных узлов. Исключение этих погрешностей является весьма важным условием практической реализации принципа амплитудно-времен ного преобразования при измерении одиночных импуль сов.
Блок-схема устройства, которое позволяет уменьшить погрешности преобразования из-за формы сигнала, изо бражена на рис. 2-13 [Л. 9, 34]. Измеряемый импульс
Рис. 2-13. Блок-схема устройства для уменьшения погрешности пре образования из-за формы импульсов.
подается на АВП через нелинейный управляемый дели тель, состоящий из резистора R и нелинейного ключа (К л). Усилитель К регистрирует начало разряда нако пительного конденсатора и подает сигнал на запуск кипп-реле КР. Разряд начинается в момент, когда изме ряемое напряжение достигает максимального значения. В этот момент запускается кипп-реле, импульс которого поступает на нелинейный управляемый ключ Кл и от ключает цепь входного сигнала от входа АВП. Вход АВП запирается и начинается линейный разряд нако пительного конденсатора. Таким ооразом устраняется влияние на параметры АВП спада плоской вершины импульса и среза большой длительности.
Рассмотрим методику выбора коэффициента усиле ния усилителя К. Путь на вход АВП с коэффициентом преобразования Апо=1 мсек/в подается импульс ампли тудной Um= 1 в и длительностью К — 1 мсек. Крутизна спада плоской вершины % = 0,05 мсек/в. Задаваясь значе нием 6 7 ^ 1 % , находим максимально допустимую часть длительности гШпульса, которая добавляется к интерва лу преобразования: /'„=0,01 КпоКт— 0,0\ мсек.
38
Мгновенное значение напряжения спада, соответст вующее этой длительности AU'm= H t'll= 5 - К)-4 в.
Полагая напряжение срабатывания кипп-реле Е ср = = 5 б, определяем требуемый коэффициент усиления К =
= Ecv/AU'm=lQ l>. При этом в соответствии |
с формулой |
|||
(2-29) погрешность 67^= 1%, а 67^ = 0,05%. |
|
|||
Проделанный расчет является весьма приближенным, |
||||
так как не учитывает |
задержку |
сигналов, |
связанную |
|
с переходной |
характеристикой |
усилителя |
и временем |
|
срабатывания кипп-реле и нелинейного ключа. |
||||
Описанный |
способ |
позволяет |
в момент |
отпирания |
ключа подавать на вход АВП отрицательный пьедестал Uu. Его уровень должен быть подобран оптимальным в соответствии с соображениями, изложенными в § 2-7. Рассмотренное устройство применено в цифровых вольт метрах одиночных импульсов типа В4-6, В4-15 и В4-17 [Л. 18, 19, 35, 154].
2-10. Зарядные погрешности диодно-конденсаторных накопительных устройств
До сих пор мы рассматривали погрешности, возни кающие при заряде накопительного конденсатора, при нимая линейную модель диода. Такое допущение спра ведливо лишь для больших напряжений на диоде. Прак тически измерительные преобразователи работают при напряжениях менее 10 в, и в этом случае необходимо учитывать нелинейность вольт-амперных характеристик диодов, приводящую к существенному возрастанию -на копительных погрешностей по сравнению с результата ми, вычисленными для линейной модели диода (2-5). Для оценки влияния нелинейности рассмотрим вначале вольт-амлерные характеристики вакуумного и полупро водникового диодов и их аппроксимацию (рис. 2-14).
Вакуумный диод. Как известно, начальный участок вольт-амперной характеристики вакуумного диода в об ласти отрицательных напряжений на аноде (область малых токов), вплоть до напряжения, близкого к нуле вому (рис. 2-14,а), хорошо аппроксимируется показа тельной функцией [Л. 53]
*д = /веХ£,\ |
(2-30) |
39