3.3.2. Расширение длительности импульсов

При измерении коротких импульсов возникает серьезная проблема, связанная с необходимостью получения высокой частоты ГОЧ, что на практике трудно реализовать. Для устранения этой проблемы применяются схемы расширения длительности одиночных импульсов. Схема расширения длительности импульсов должна устанавливаться в разрыв цепи "выход DD2.1 – вход селектора DD1.2" (см. рис. 3.9).

Один из способов расширения длительности импульсов (аналого-цифровой) иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 3.10.

Принцип работы такого расширителя следующий. В схеме расширителя используются два генератора пилообразного напряжения ГПН1 и ГПН2. По переднему фронту импульса _X начинается развертка пилы с крутизной "а" с выхода ГПН1, а по заднему фронту начинается развертка пилы с крутизной "b" с выхода ГПН2. Причем крутизна "b" должна быть больше крутизны "а".

Как только напряжение на выходе ГПН2 станет равным напряжению на выходе ГПН1, запрещается развертка пилы "b", и фиксируется уровень U₀ (напряжение, при котором совпали значения Uгпн1 и Uгпн2). Этот уровень является опорным, и относительно его будет разворачиваться в дальнейшем пила "а".

С помощью специального счетчика импульсов емкостью N₀ подсчитывается число пересечений пилой "а" уровня U₀. Как только счетчик переполняется, процесс формирования расширенного импульса T_X завершается.

Рис. 3.10. Временные диаграммы реализации аналого-цифрового способа расширения длительности импульса

Уравнение преобразования расширителя:

где k_P – коэффициент расширения.

Значение T_X должно быть определено заранее, при расчете цифровой части схемы измерителя длительности исходя из погрешности квантования и связанной с ней частоты ГОЧ. При этом обычно задается f₀ ≤ 100 МГц.

По рассчитанному значению T_X определяют коэффициент расширения k_P:

где min(_Xmax) – минимальное значение предела измерения.

Для рассматриваемого способа расширения длительности импульса

Коэффициент расширения должен выбираться из ряда 10ⁿ, где n – любое целое число. Следовательно, отношение a/b выбирается из ряда 0,9; 0,99; 0,999;…

Рекомендуемое значение a/b = 0,9. При этом крутизна пилы "а" определяется временем ее развертки

а крутизна пилы "b" – временем развертки

Поскольку счетчик импульсов расширителя подсчитывает число пересечений пилой "a" уровня U₀ до своего переполнения, то t_Xa можно выразить следующим образом:

Задавшись крутизной "а", после определения t_Xa по последней формуле, можно рассчитать максимальное значение уровня U₀. При этом крутизну желательно задать так, чтобы U_0max не превысило половины напряжения питания ГПН1.

Из соотношения a/b = 0,9 следует, что b = a/0,9. По значению "b" определяется время t_Xb. Значение постоянных времени ГПН1 и ГПН2 можно определить, используя выражения:

где U_УПР – напряжение управления, поданное на входы ГПН1 и ГПН2.

Несмотря на то что напряжение U_УПР подается от разных элементов схемы, его значение для ГПН1 и ГПН2 должно быть одинаковым. Если измеряемая длительность импульса не ниже 10^-7 степени, при погрешности измерения порядка 0,1 %, для формирования U_УПР могут служить элементы КР1554.

Вариант функциональной схемы аналого-цифрового расширителя длительности импульсов приведен на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Функциональная схема аналого-цифрового расширителя

длительности импульсов

В данной схеме ГПН1 выполнен на базе ОУ DA1.1 и разрядного ключа DA2.1. Его постоянная времени _ГПН1 = R3C3. ГПН2 выполнен на базе ОУ DA1.2 и разрядного ключа DA2.2. Его постоянная времени _ГПН2 = R4C4.

Схема управления СУ представляет собой два компаратора напряжения. У первого компаратора выходное напряжение ГПН1 подается на инверсный вход, а выходное напряжение ГПН2 – на прямой. У второго компаратора – наоборот. До первого равенства напряжений Uгпн1 и Uгпн2 разрешена работа 1-го компаратора. Затем, до окончания формирования расширенного импульса, на выход подается сигнал 2-го компаратора.

В исходном состоянии на выходе СУ устанавливается "1". При каждом равенстве Uгпн1 и Uгпн2 на выходе формируется перепад из "1" в "0". После разряда конденсатора С3 ключом DA2.1 на выходе СУ вновь устанавливается "1".

Работа схемы происходит следующим образом. По переднему фронту импульса _X, инверсный выход триггера DD1.1 устанавливается в "0", и через элемент DD5.2 тактируется триггер DD6.1. Прямой выход этого триггера устанавливается в "1", а инверсный – в "0". Логическая единица на выходе элемента DD5.2 устанавливает в "1" выход триггера DD2.2, начиная тем самым формирование расширенного импульса T_X и разрешая счетчику СТ подсчет совпадений напряжений Uгпн1 и Uгпн2. Логическая единица, установленная на прямом выходе триггера DD2.2, разрешает тактирование триггера DD3.1. Поэтому, при появлении на прямом выходе триггера DD6.1 "1", на выходе триггера DD3.1 также установится "1". В результате начнется формирование напряжения Uгпн1.

На инверсном выходе триггера DD2.2 установится "0", и будет запрещена работа элемента DD5.2. Это делается для того, чтобы повысить устойчивость схемы к воздействию импульсных помех по окончании импульса _X, т.е. во время формирования расширенного импульса.

Логический нуль, установленный на инверсном выходе триггера DD2.2, подготавливает нижнюю (по рис. 3.11) часть схемы к приему заднего фронта импульса _X.

По заднему фронту импульса _X установится в "0" инверсный выход триггера DD2.1, в результате чего сбросятся триггеры DD1.1 и DD6.1. В то же время на прямом выходе триггера DD6.2 установится "1", а на инверсном – "0". В результате ключ DA2.2 разомкнется, а DA4.1 – замкнется.

При сбросе триггера DD6.1 на его инверсном выходе устанавливается "1", тактирующая триггер DD3.2. В результате на его выходе также установится "1". Таким образом, начнется развертка напряжения Uгпн2.

Работа генераторов ГПН1 и ГПН2 подчиняется приведенной выше временной диаграмме процесса расширения, а сам процесс расширения закончится, как только переполнится счетчик СТ. При этом сбросится триггер DD2.2, и схема придет в исходное состояние.

На базе ОУ DA3, ключей DA4.1 и DA4.2, диода VD1 и конденсатора C5 выполнен пиковый детектор, фиксирующий напряжение U₀, при котором произошло равенство Uгпн1 и Uгпн2. Это происходит посредством СУ, логический нуль на выходе которой сбрасывает триггер DD6.2. В результате замыкается ключ DA2.2, разряжая конденсатор С4, и размыкается ключ DA4.1, после чего на вход детектора будет подано нулевое напряжение через резистор R5. Для подготовки детектора к приему следующей информации одновременно с окончанием интервала T_X замкнется и ключ DA4.2, обнуляя пиковый детектор.

Рассмотрим составляющие погрешности, вносимые в результат измерения при использовании в ЦИДИ схемы расширителя длительности импульсов. Основную погрешность здесь вносят генераторы пилообразного напряжения и пиковый детектор. Однако если применить для ГПН1 и ГПН2 сдвоенный ОУ с достаточным быстродействием, взяв резисторы из микросборки набора резисторов, а также применить конденсаторы из микросборки набора конденсаторов, то погрешности ГПН1 и ГПН2 сводятся к нулю. Следует учесть, что этот способ годится, только если прибор однопредельный.

Для многопредельных приборов резисторы в ГПН можно взять из микросборки, а конденсаторы необходимо подбирать при регулировке и настройке.

Конденсаторы в ГПН1 и ГПН2 должны быть одного типа. Это позволяет скомпенсировать температурные погрешности и погрешности, вызванные токами утечки.

Если DA1.2 может быть любого быстродействия, то DA1.1 должен выбираться из отведенной на ГПН1 погрешности линейности:

где f_CP = 1/(2R3C3) – частота среза цепи обратной связи ГПН1.

Отсюда частота единичного усиления ОУ DA1.1

При выборе элементов пикового детектора следует пользоваться теми же рекомендациями, что и для любого вольтметра пиковых значений.

Максимальное рабочее напряжение конденсатора С5 следует выбирать значительно больше (в 10 – 100 раз), чем максимальное напряжение, которое будет приложено к этому конденсатору в схеме. Это позволяет существенно снизить погрешность, вызванную током утечки конденсатора.