книги из ГПНТБ / Видершайн, М. Н. Производственный контроль параметров элементов цифровой автоматики

Он выявляет участки с нулевой производной и в этом режиме может использоваться в качестве многоканального амплитудного анализатора, мертвое время которого зависит только от фронта анализируемых импульсов (возможна разрешающая способ­ ность 1Q-7 с по паре случайных импульсов длительностью 0,1 мкс каждый).

Устройство содержит ЗУ емкостью 160 8-разрядных слов. Время обращения к ЗУ, равное 10 нс, ограничено быстродействием элементов памяти.

4. Автокомпенсационные методы измерения временных параметров

Рядом преимуществ обладают автокомпенсационные функцио­ нально-временные методы измерения временных параметров, рас­ сматриваемые ниже. Этими методами, разработанными автором обеспечивается возможность измерения нано- и пикосекундных интервалов времени при использовании относительно простых электронных схем.

При автокомпенсационном функционально-временном методе измерения отсчет временного интервала производится на стрелоч­ ном или цифровом индикаторе или выход измерителя параметров связывается с системой, обеспечивающей автоматизацию процес­ сов измерения и обработки результатов.

120

Рис. 53. Блок-схема автокомпенсационного измерителя временнйх параметров со стрелочным индикатором:

запоминания постоянного напряжения; 9 — индикатор

Блок-схема автокомпенсационного измерителя временных параметров импульсных сигналов с получением отсчета на стре­ лочном индикаторе показана на рис. 53, на цифровом индика­ торе — на рис. 54.

Блок-схема рис. 53 состоит из двух схем сравнения 1 и 2, гене­ ратора пилообразного напряжения 3, схемы сравнения с перемен­ ным уровнем сравнения 5, схемы запрета 6, ждущего мультивибра­ тора 6, устройства запоминания постоянного напряжения 8, цепи управления уровнем сравнения (цепи обратной связи), индика­ тора 9 и линии задержки 4,

Блок-схема при измерении длительности фронта импульса работает следующим образом. Схема сравнения 1 срабатывает при достижении входным импульсом 0,1 амплитудного значения, схема сравнения 2 — при достижении импульсом 0,9 своего ам­ плитудного значения (рис. 55).

Таким образом, сигнал, вырабатываемый схемой сравнения 2 (рис. 53), запаздывает на время тф по отношению к сигналу от схемы сравнения 1. Сигнал схемы сравнения 1 запускает генератор пилообразного напряжения 3. Схема сравнения с переменным уровнем сравнения 5 при отсутствии смещения по цепи обратной связи срабатывает с минимальной задержкой по отношению к сиг­ налу от схемы сравнения 1, равной времени задержки линии 4. Выходной сигнал схемы 5 поступает на один из входов схемы

Управление уровнем

Рис. 54. Блок-схема автокомпенсационного измерителя времен­ нйх параметров с цифровым отсчетом:

1 , 2 — схемы сравнения 3 — генератор пилообразного напряжения; 4 — линия задержки: 5 — схема сравнения с переменным уровнем сравне­ ния; 6 — схема запрета; 7 — преобразователь код—напряжение; в — де­

шифратор; 9 — цифровой индикатор

121

запрета би'проходит на ее выход, так как на втором, запрещающем входе схемы запрета 6, сигнал отсутствует. От нее запускается ждущий мультивибратор 7, часть выходного напряжения кото­ рого запоминается в устройстве запоминания 8 и по цепи обрат­ ной связи подается на схему сравнения с переменным уровнем сравнения 5. Смещение в схеме 5 изменяется, что приводит к уве­ личению задержки срабатывания схемы 5 от последующих сигна­ лов схемы сравнения 1. Устройство продолжает функционировать до тех пор, пока задержка срабатывания схемы 5 не станет рав­ ной Тф. В этом случае сигналы поступят одновременно на два входа схемы запрета 6. На выходе последней сигнал отсутствует. Схема будет находиться в уравновешенном состоянии. Напряжение смещения, прямо пропорциональное длительности измеряемого промежутка времени, показывается индикатором 9.

Блок-схема автокомпенсационного измерителя временных параметров импульсных сигналов с получением отсчета на цифро­ вом индикаторе (рис. 54) состоит из двух схем сравнения 1 и 2, генератора пилообразного напряжения 3, линии задержки 4, схемы сравнения с переменным уровнем сравнения 5, схемы за­ прета 6, преобразователя код— напряжения 7, цепи управления уровнем сравнения (цепи обратной связи), дешифратора 8 и циф­ рового индикатора 9. Преобразователь код—напряжения 7 ра­ ботает по принципу поразрядного кодирования. Напряжение на выходе преобразователя пропорционально показаниям триггер­ ного счетчика, вход которого соединен с выходом схемы запрета 6.

Работа схемы рис. 54 аналогична описанной ранее блок-схеме рис. 53. При поступлении сигналов на вход схемы напряжение на выходе преобразователя код1—напряжение изменяется до тех пор, пока задержка срабатывания схемы 5 не станет равной изме­ ряемому промежутку времени. Состояние счетчика преобразова­ теля при этом будет показывать измеряемый промежуток времени в цифровом коде. Дешифратор 8 служит для преобразования двоич­ ного кода в десятичный, показываемый индикатором 9.

122

Рассмотрим упрощенную схему измерителя (рис. 56) и опреде­ лим зависимость выходного напряжения схемы от крутизны выход­ ного сигнала генератора пилообразного напряжения.

Пусть Roc > гтд; RCM> гтд; Rr > гтд, где гтд — сопротивле­ ние туннельного диода на восходящей ветви туннельного участка характеристики.

Первоначально рабочая точка туннельного диода резисто­ ром Rm устанавливается вблизи пикового значения тока диода на туннельном участке характеристики. Напряжение /УВЬ1Х по­ дается в обратной по отношению к смещению полярности и умень­

Момент срабатывания туннельного диода определится из

Погрешность автокомпенсационного функционально-времен­ ного метода измерения обуславливается в основном задержкой срабатывания схем сравнения и ошибками вследстве нелинейно­ сти генератора пилообразного напряжения или схемы задержки на полупроводниковом диоде с накоплением заряда.

Для оценки погрешности, обусловленной схемами сравнения, необходимо проанализировать работу схемы сравнения, построен­ ной на туннельном диоде. Предполагая, что туннельный диод работает в режиме переключения напряжения (RKвелико), экви­ валентную схему сравнения можно представить в виде, показан­ ном на рис. 57.

Считаем, что емкость туннельного диода С (U) не зависит от напряжения, т. е. С (U) = С и определяется только зарядной емкостью р—п перехода (так как диффузионная'емкость мала вследствие малого времени жизни неосновных носителей).

123

Рис. 57. Эквивалентная схема устройства сравнения

Рис. 58. Аппроксимированная вольтамперная характеристика туннельного диода

Вольтамперную характеристику туннельного диода аппрокси­ мируем кусочно-линейной функцией (рис. 58) и время переклю­ чения найдем как сумму времени переключения отдельных уча­ стков характеристики. На каждом участке время t будем отсчи­ тывать от начала перехода изображающей точки на данный уча­

чения U8; к — значения Т/4 и tb— значения U5.

Для определения tnep схемы сравнения решим уравнение вида

где а — крутизна изменения входного тока А/с.

Аналитическое выражение вольтамперной характеристики туннельного диода при аппроксимации ее кусочно-линейной функцией (рис. 58) для каждого из участков имеет вид:

I участок

i (U) = ± Ui ri

где

II участок

i (U) - Л;

124

I l l уч а сток

i(U) = ~r (U1~ U ) + I1,

где

IV участок

i Ш) = /*;

V участок

где

Подставив значение ic из выражения (7) в уравнение (6), можно найти его решение с учетом соотношения (8) и аналитиче­ ских выражений i (U) для каждого из участков вольтамперной характеристики.

Длительность задержки схемы сравнения, как показано в ра­ боте [20], определяется II участком аппроксимированной вольт- 'амперной характеристики туннельного диода и равняется

(9)

Определим погрешность измерителя временных интервалов, обусловленную зависимостью времени срабатывания схем срав­ нения от крутизны входного сигнала. Возвращаясь к блок-схеме рис. 53, рассмотрим уравнение (5), устанавливающее зависимость между измеряемым промежутком времени и выходным напряже­ нием прибора. Замечаем, что уравнение (5) справедливо, когда

•сумма задержки срабатывания генератора пилообразного напря­ жения t'r относительно момента достижения сигналом порога сра­ батывания схемы сравнения 1 (ССХ) и задержки срабатывания схемы сравнения с" переменным уровнем сравнения 5 (£с4) равна задержке сигнала, поступающего от схемы сравнения 2 (СС2) на вход 2 схемы запрета 6 (<с2).

В свою очередь, сумма задержки срабатывания генератора пилообразного напряжения относительно момента достижения сигналом порога срабатывания схемы сравнения 1 равна

( 10)

где £зад1 — длительность задержки срабатывания схемы срав­ нения 1, обусловленная II участком вольтамперной характеристики туннельного диода;

tr — задержка срабатывания собственно генератора пило­ образного напряжения;

( И )

125

где t3ZR2 — длительность задержки срабатывания схемы срав­ нения 2, обусловленная II участком вольтамперной характеристики туннельного диода;

tm — длительность задержки линии задержки ЛЗу, £ф2— длительность фронта схемы сравнения ССг.

В соответствии с ранее сказанным уравнение (5) справедливо при условии

Н- ^с4 — tc2

Длительность задержки линии при этом должна быть уста­ новлена равной

^лз == 4 2 “К ^зад 1 ^зад 2 •

Расчетный режим измерителя выберем из условия, что кру­ тизна а 1 сигнала, поступающего на схему сравнения 1, равна крутизне а 2 сигнала, поступающего на схему сравнения 2. В этом случае, при идентичности параметров туннельных диодов в схе­ мах ССХ и СС2

^зад 1 = ^зад 2

И

В случае, если а 1 Ф а 2, £зад1 Ф taад2 и в схеме измерения воз­ никнет погрешность по отношению к расчетному (установленному при регулировке) режиму. Величина погрешности

At3 ^зад 2 ^зад X•

Последняя возникает при измерениях, когда крутизна входного сигнала неодинакова на отдельных участках фронта или спада.

Относительная погрешность измерения

Крутизна входного сигнала а х, подаваемого на схему ССХ, связана с длительностью фронта входного сигнала тф и чувстви­ тельностью схемы сравнения / a = / i — / д соотношением

ai !а

Откуда

126

Перепишем последнее соотношение с учетом выражения (9)

V2(Ut — U1)C а 1

Умножая числитель и знаменатель на | /a lt получим

В уравнении (15) множитель перед скобкой представляет собой нормированную длительность задержки схемы сравнения, так как

Сучетом выражения (16) уравнение (15) может быть переписано

ввиде:

Из полученного соотношения следует, что погрешность измери­ теля пропорциональна нормированной длительности задержки схемы сравнения и корню квадратному из отношения крутизны сигнала на входе 1-й и 2-й схемы сравнения.

В случае, если а г = ос2, погрешность будет равна нулю. Из

формулы (17) можно найти отношение — , при котором погреш- ®2

ность измерения будет не более заданной величины 6зад.

При анализе влияния нелинейности генератора пилообразного напряжения (ГПН) на погрешности измерителя параметров им­ пульсов учитываются следующие факторы, приводящие к погреш­ ности:

наличие в характеристике ГПН начального участка с нелиней­ ным законом изменения напряжения;

отличие реальной характеристики ГПН и г (t) от идеальной (линейно изменяющейся) U2 (V При регулировке измерителя за начало отсчета можно принять время to, считая время от 0 до to временем задержки срабатывания генератора пилообразного на­ пряжения V и компенсировать его с помощью задержки выход­ ного сигнала схемы сравнения 2 (рис. 53).

Таким образом, основная погрешность измерителя из-за нели­ нейности генератора пилообразного напряжения будет опреде­ ляться отличием реальной характеристики от идеальной (линейно изменяющейся).

127

Оценка нелинейности генератора пилообразного напряжений производится с помощью коэффициента нелинейности харак­ теризующей степень непостоянства скорости изменения напря­ жения в течение рабочего хода

При получении пилообразного напряжения способом заряда или разряда конденсатора

т. е. коэффициент нелинейности 1 определяется относительным изменением тока заряда или разряда конденсатора во время ра­ бочего хода ГПН. Для стабилизации тока заряда или разряда конденсатора могут быть использованы транзисторы. Рассмотрим работу транзистора как токостабилизирующего двухполюсника при включении его по схеме с общей базой и с общим эмиттером.

Реальные характеристики транзисторов при включении по

128

эмиттером. Относительную стабильность схем можно оценить от­ ношением

т. е. коэффициент а стабильнее коэффициента р примерно в 30— 100 раз. Определим погрешность генератора пилообразного напря­ жения в зависимости от коэффициента нелинейности.

При регулировке измерителя время Т (рис. 61), равное мак­ симальному отсчету прибора по данной шкале, устанавливается таким образом, чтобы истинное значение измеряемого промежутка времени и показания прибора совпадали. Далее можно утверждать, что погрешность будет отсутствовать в том случае, когда изме­

Коэффициент К принимается в качестве масштаба времени из­ мерителя. При временах t =f= Т истинное значение измеряемого промежутка времени будет отличаться от измеренного вследствие отличия реальной характеристики генератора пилообразного на­ пряжения U2 (t) от прямой. Пусть истинное значение измеряемого промежутка времени равно tx. При этом выходное напряжение измерителя при идеальной характеристике

Действительное выходное напряжение измерителя, вследствие отличия реальной характеристики от линейной, будет

U г == U г {t)t=u