Файл: Видершайн, М. Н. Производственный контроль параметров элементов цифровой автоматики.pdf

Г л а в а IV

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

1. Классификация методов измерения

Элементы цифровой автоматики работают в импульсном режиме. Электрические параметры сигналов в таком режиме характери­ зуются двумя стационарными состояниями потенциального сиг­ нала или амплитудой и длительностью импульсного сигнала и параметрами переходных процессов. Измерения электрических параметров элементов цифровой автоматики в производствен­ ных условиях являются непростой задачей, так как при этом необ­ ходимо обеспечить множество измерений микро- и наносекундных промежутков времени с фиксацией и выдачей результатов изме­ рений.

Длительность параметров сигналов элементов цифровой авто­ матики, работающих с частотой повторения рабочих импульсов порядка 300 кГц, лежйт в пределах 0,1— 0,3 мс для фронтов и 1 : 1,5 мкс для импульсов.

Для элементов цифровой автоматики, работающих с частотой повторения импульсов I—2 МГц, эти величины находятся соот­ ветственно в пределах 0,02— 0,05 мкс и 0,1—0,2 мкс.

До последнего времени осциллографический метод измерения параметров импульсных сигналов является основным. Однако, если в лабораторных измерениях это вполне оправдано, то приме­ нение осциллографов в производственных условиях вело к боль­ шой трудоемкости измерений, необходимости высокой квалифи­ кации операторов, трудности автоматизации измерений, а также, ввиду однообразия процессов и участия в получении отсчета опе­ ратора, к возможности получения ошибочных результатов.

Вероятность ошибки измерений зависит от многих факторов, в том числе от продолжительности непрерывной работы оператора.

Одним из основных способов повышения эффективности кон­ трольноизмерительных работ является применение автомати­ ческих цифровых измерительных устройств. Использование авто­ матических устройств по сравнению с неавтоматическим способом измерения дает возможность исключения ошибок оператора, ускорения процесса измерения, получения документов с неиска­ женными данными' о контролируемом узле.

Автоматические установки могут быть построены по принципу работы «годен» — «не годен», или измерения истинного значе-

101

Рис. 31. Классификация неосциллографических методов измерения временнйх параметров

ния параметров схемы и сопоставления результатов со значениями, обеспечивающими удовлетворительную работу узла в определен­ ных условиях и в определенный срок.

Методы измерения временных параметров классифицированы по следующим основным признакам: способу основного преобра­ зования сигнала; методу создания эталона времени; способу от­ счета.

Классификация методов измерения амплитуды импульсов произведена в соответствии со способами основного и дополни­ тельного преобразования и отсчета. Классификация неосцилло-

Рис. 32. Классификация осциллографических методов измерения временнйх параметров

102

Способ основного преобразобания

СнерегенераСрегенера­

тиднымдис тивным дис­ крининатрт криминатором

Способ отсчета

Рис. 33. Классификация методов измерения амплитуды импульсов

графических измерителей временных параметров согласно ука­ занным признакам приведена на рис. 31, осциллографических — на рис. 32. На рис. 33 приведена классификация измерителей амплитуды импульсов.

2. Стробоскопические методы измерения временных параметров

Стробоскопический метод измерения параметров позволяет изме­ рять временные и амплитудные характеристики наносекундных импульсов с амплитудой от нескольких милливольт до десятков вольт. В обычных электронных осциллографах для возможности исследования сигналов малой амплитуды он подается на вход вертикального усилителя, ширина полосы пропускания которого ограничена величиной несколько сотен мегагерц. Увеличение ширины полосы вертикального усилителя связано со значитель­ ными трудностями. Для возможности исследования более быстрых процессов сигнал подается на отклоняющие пластины электронно­ лучевых трубок (ЭЛТ) непосредственно, помимо усилителя вер­ тикального канала. Однако при этом величина сигнала должна быть достаточно большой (несколько десятков вольт), что практи­ чески исключает возможность применения этого метода при кон­ троле электрических параметров элементов цифровой автоматики. Кроме того, вследствие конечности времени распространения электронов в ЭЛТ ограничивается исследование фронтов импуль­ сов и формы сигналов в наносекундном диапазоне. Яркость изо­ бражения на экране ЭЛТ зависит от скорости перемещения луча

ЮЗ

по экрану й частоты повторения сигналов. При малой частоте повторения сигналов и большой скорости перемещения луча яркость изображения становится недостаточной для нормального наблюдения формы сигнала.

Стробоскопический метод измерения обеспечивает эквивалент­ ную ширину полосы пропускания 1000 МГц и более и чувствитель­ ность выше чем 1 мВ/см. При этом яркость изображения при при­ менении обычных ЭЛТ получается равномерной во всем диапазоне частот. СтробоРкопическое преобразование основано на преобра­ зовании высокочастотных переходных характеристик в низко­ частотные с дальнейшим измерением характеристик сигнала с по­ мощью низкочастотных устройств. Сущность стробоскопического метода .заключается в последовательном во времени измерении мгновенных значений сигналов с помощью коротких стробирую­ щих импульсов, сдвигаемых относительно повторяющегося сиг­ нала.

Стробоскопические приборы состоят из следующих основных частей: каскада формирования строб-импульса, смесителя, каскада временной задержки и отсчетной системы.

Принцип работы стробоскопического осциллографа иллюстри­ руется рис. 34. На каждом периоде или через определенное коли­ чество периодов исследуемого сигнала производится измерение мгновенного значения сигнала с соответствующим сдвигом по времени At от предыдущего мгновенного значения измеряемого сигнала. В дальнейшем производится восстановление низко­ частотного сигнала по точкам, причем кривая, соединяющая вер­ шины импульсов, соответствует измеряемому сигналу в другом масштабе времени. Возможно снятие отсчетов не с каждого пе­ риода, а через определенное количество их (рис. 35). При этом обеспечивается большее увеличение масштаба времени.

Блок-схема стробоскопического осциллографа [41 ] приведена на рис. 36. При поступлении на вход осциллографа запускающего импульса, формируемого в момент пересечения измеряемым сиг­ налом нулевого уровня, начинается процесс измерения. Схема задержки 2 включается на входе стробирующего ключа 3 для ком­ пенсации времени, необходимого для формирования запускаю­ щего импульса. Далее производится первый отсчет мгновенного значения сигнала в момент времени t1 путем отпирания ключа 3 на время, равное длительности импульсов генератора стробирую­ щих импульсов 7. Импульсный сигнал с амплитудой, равной мгновенному значению измеряемого сигнала в данной точке, поступает на вход вертикального усилителя 5 и пластины элек­ троннолучевой трубки.

Одновременно на. горизонтальные пластины электронно­ лучевой трубки осциллографа подается ступенчатое напряжение временной развертки, смещающее световое пятно на экране элек-

104

Рис. 35. Получение отсчета через 3 периода измеряемого сигнала

5 13

С и гн а л ~м одуля -

ц и и яркости

Рис. 36. Блок-схема стробоскопического осциллографа

отклонения; 6 — формирователь импульса запуска; 7 — генератор стробирующих импульсов; 8 — схема управления яркостью луча; 9 — схема развертки в реальном мастшабе времени; 10 — схема

сравнения; 11 — «медленная» ступенчатая развертка; 1 2 — усили* тель горизонтального отклонения; 13 — электроннолучевая трубку

троннолучевой трубки вправо на расстояние, соответствующее времени A t.

На экране электроннолучевой трубки возникает изображение сигнала в соответствующем масштабе, состоящее из отдельных точек (рис. 37). Для удобства наблюдения плотность точек должна быть не менее 10 на 1 см изображения. Цикл измерения может регулироваться в зависимости от необходимой длительности наблюдения за исследуемым сигналом. Ширина полосы пропуска­ ния стробоскопического осциллографа определяется длитель­ ностью стробирующего импульса. Чем меньше длительность,

тем больше ширина полосы пропускания. Как показано в работе [41 ], ширина по­ лосы пропускания (на уров­ не 3 дБ) определяется выра­ жением

где тс — эффективная дли­ тельность стробирующего им­ пульса.

Для измерения переход­ ных процессов длительностью в I—2 нс необходимо обеспе­ чить полосу пропускания порядка 500 мГц, что при­ водит к необходимости при­ менения стробимпульсов дли­ тельностью 1— 1,5 нс.

Получение импульсов та­ кой длительности возможно различными путями, в ча-

106