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

ния реагирует на моменты переключения сердечника из состояния 0 в состояние 1.

Усилитель, включенный на выходе, реагирует на сигналы установки в 0 и сигналы промежуточных состояний. По количе­ ству сигналов промежуточного состояния, записанных на ленте сигналами 0, можно судить о длительности импульсов.

Процент ошибки при целом числе п определяется соотноше­ нием:

Р % = -т" Л??СГ_ти min . 100 = 1/п • 100.

Ти шах

Точность измерения изменяется обратно пропорционально длительности импульса. При изменениях температуры калибро­ вочная кривая прибора меняется незначительно.

6. Метод статистических испытаний

Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) основан на использовании случайного процесса, одна из характеристик ко­ торого (вероятность, математическое ожидание) линейно связана с измеряемым параметром 111.

При измерении длительности* промежутка времени указанным методом определяется вероятность совпадения импульсов, про­ порциональных измеряемому промежутку времени ти, и кван­ тующих импульсов с периодом повторения т 0, причем в отличие от обычных методов, когда ти > т 0 при применении метода ста­ тистических испытаний ти может быть значительно меньше т 0.

Блок схема измерителя временных интервалов, использую­ щая метод статистических испытаний, показана на рис. 69. От генератора квантующей последовательности импульсов 1 сигналы поступают на схему совпадений 2, с выхода которой (при совпа­

141

Ввиду того, что последо* вательности квантующих и входных сигналов незави­ симы, а последовательность входных импульсов, длитель­ ность которых измеряется, может быть не строго перио­ дической (в общем случае случайной), процесс совпаде­ ния импульсов обеих после­ довательностей носит слу­

чайный характер. Если предположить, что моменты появлений входных импульсов (моменты tnl, tn2 и т. д.) (рис. 70) незави­ симы и равномерно распределены в пределах интервала т 0, то вероятности совпадения импульсов обеих последовательностей можно представить как отношение

Р%

С*0

Последнее выражение справедливо при условии выполнения неравенства ъи^>т:яо, где ти0—длительность импульсов кван­ тующей последовательности.

Практически определяется не вероятность Рс, а частота сов­ падений Хп, равная отношению числа совпадений N к числу испытаний, т. е. к числу п импульсов длительности ти, которому соответствует N зарегистрированных совпадений

Таким образом, путем регистрации числа совпадений N, соот­ ветствующего п импульсов длительностью ти, можно определить с некоторой погрешностью величину ти:

ти ^ Хпт;0.

При достаточно большом п, когда пХп > 10 и п (1 — Хп) > 10, основная погрешность измерения длительности метода бтатистических испытаний определяется соотношением

АтИ :.е

где р для заданного уровня доверительной вероятности опреде­ ляется из соотношения

Р = 2ФХ(Э) — 1,

где Ф (р) — интеграл Лапласа;

ф‘® = 7 У о'" 4*-

142

Дополнительная погрешность метода обусловлена отличием реальной формы импульсов обеих последовательностей от пря­ моугольной, влиянием параметров схемы совпадений, погреш­ ностью измерения периода т 0.

Основным преимуществом метода статистических испытаний, является возможность построения на базе обычного цифрового измерителя интервалов времени цифрового автоматического изме­ рителя с применением медленных пересчетных схем (10— 100 кГц) с диапазоном измерений длительностей от единиц наносекунд.

Недостаток метода — невозможность измерения длительности интервала времени, когда последовательность входных импульсов имеет стабильный период повторения, кратный величине т 0.

7. Методы измерения амплитуды импульсов

Весьма актуальной проблемой при контроле параметров совре­ менных устройств цифровой автоматики является измерение ам­ плитуды импульсов с длительностью порядка наносекунд.

Ниже описывается разработанный автором импульсный вольт­ метр, работающий по принципу компенсации входного сигнала сигналом обратной связи, в схеме которого используется туннель­ ный диод. Такой прибор обладает существенными достоинствами, так как позволяет измерять амплитуды импульсов длительностью порядка наносекунд при малых значениях амплитуды, причем показания прибора не зависят от формы импульсов. Вольтметр выполнен на полупроводниковых приборах, поэтому достаточно компактен и может быть использован как встроенный прибор.

Блок-схема вольтметра показана на рис. 71. Начальное сме­ щение туннельного диода устройства сравнения 1 устанавливается вблизи точки 1 вольтамперной характеристики (рис. 72) на ветви 0— 1, что соответствует пиковому значению тока туннель­ ного участка характеристики.

При подаче на вход устройства измеряемого импульсного сигнала диод переключается, создавая на выходе перепад напря­ жения.

Выходной сигнал, поступающий с выхода схемы сравнения на туннельном диоде, усиливается. Запущенный усиленным импульсом ждущий мультивибратор вырабатывает выходной

Рис. 71. Блок-схема им­ пульсного вольтметра:

1 — схема сравнения; 2 — схема усиления и сброса; 3 — ждущий мультивибра­ тор; 4 —интегрирующая цепь; 5 — эмиттерный повтори­

тель; б — индикатор

ИЗ

Рис. 74. Сравнивающее устройство:

П р — преобразователь импульсов в постоянное напря­ жение

на транзисторе ПП2 служат для усиления сигнала запуска жду­ щего мультивибратора, собранного на транзисторах ППЗ и ПП4. Конденсатор С7, диод Дя и сопротивление Д 17 образуют интегри­ рующую цепь. Через эмиттерный повторитель на транзисторе ПП5 напряжение С конденсатора С7 интегрирующей цепи поступает по цепи обратной связи (сопротивление Д19) на устройство срав­ нения. Это же напряжение, являющееся выходным напряжением импульсного вольтметра, показывается индикатором U.

Схема на туннельном диоде ТД2 и транзисторе ПП6 обра­ зует цепь сброса схемы сравнения. Конденсатор С8 создает за­ держку сброса ТДХ для выдержки времени, необходимой для восстановления схемы ждущего мультивибратора при боль­ шой частоте повторения входных импульсов.

Найдем соотношения между входными и выходными сигналами импульсного вольтметра. Для этого рассмотрим упрощенную схему сравнивающего устройства (рис. 74). Сравнивающее устройство не будет срабатывать при поступлении входных сигналов в том случае, когда сигнал обратной связи будет уравновешивать вход­ ной сигнал. При этом рабочая точка вольтамперной характери­ стики туннельного диода будет находиться в точке А на характе­

ристике рис. 72. Сопротивление туннельного диода гя = Ua —

1 а

_ JA, значительно меньше, чем входное сопротивление осталь­

~/,

ных элементов, подключаемых в точке х схемы (рис. 74). Поэтому токи 7KV и можно найти из соотношений:

считая, что сопротивление гд является линейным и не зависит от

напряжения.

Учитывая, что в установившемся режиме / вх = — / ос из соотношений (66) и (67) найдем

Из последней формулы видно, что показания прибора при предварительной установке рабочей точки туннельного диода в точку 1 характеристики зависят только от отношения сопро­ тивлений Roc и Ri и практически не зависят от других параметров элементов схемы (в том числе и от значения питающего напря­ жения).

Оценим ошибку, получающуюся вследствие пренебрежения UA. Считая, что UA = kxUBX и UA — — k2UBых из выражения (69) найдем

Относительная ошибка измерения

Из выражения (69) можно вывести точную формулу для опре­ деления зависимости 1/вых от UBX:

146

в низковольтное состояние. Так как для увеличения входного сопротивления и чувствительности прибора рабочая точка А должна устанавливаться вблизи максимума характеристики, то необходимо выбрать соответствующую кривую для аппроксима­ ции вольтамперной характеристики диода. Вблизи максимума тока диода наиболее приемлема параболическая аппроксимация вольтамперной характеристики, в виде

где / х — максимальный ток диода;

V-i— напряжение, соответствующее максимальному току; 1В— ток диода, соответствующий точке В характеристики; VB— напряжение диода, соответствующее точке В характе­

ристики.

Скорость изменения напряжения на емкости определяется током емкости

Интервал времени tB— tA, в течение 'которого напряжение U изменяется от UA до UB, равен

С (V) dU

(77)

Заменяя в формуле (77) С (U) = С и подставляя значение ic, из выражения (73) получим

ив

Подставляя в формулу (78) значение i (U) из соотношения (74) найдем

ив

где а = —а; — Ъ\

148

Вид первообразной функции для интеграла вида (79) зависит от знака А

Используя соотношения (75), (76), (82), найдем значение А:

А = 4а (Iа -)- / вх — h -f- aV\) — 4a2Vi = 4а(/л -(- / вх — Д). (82)

Для того чтобы переключение туннельного диода произошло, (1а + / вх) должно быть больше / х; а 7> 0 и, значит, величина А > 0. В этом случае решением уравнения (79) будет

Далее, для того чтобы переключение туннельного диода про­ изошло, длительность измеряемого импульса £и должно быть больше или равно /пер. Ограничиваясь равенством,получим

Соотношение между длительностью импульса и относительной

Таким образом, из рассмотрения выражения (87) видно, что минимальная длительность импульса, которую можно измерять с заданной ошибкой, прямо пропорционально зависит от емкости диода и не зависит от тока 1Х. При использовании указанного соотношения необходимо учитывать, что рассматривался не весь участок отрицательной характеристики туннельного диода, а только участок вблизи максимума тока, режим переключения, вблизи которого не зависит от значения тока 1±, а определяется величиной превышения суммарного тока туннельного диода 1а + 7ВХ над максимальным током I г.

Из выражения (87) можно получить зависимость относитель­ ной ошибки 8, от чувствительности вольтметра, определяемой

< * 1

149