книги из ГПНТБ / Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов

тренном идеальном случае инвариантность двухканаль­ ного преобразователя по отношению к параметрам вход­ ных сигналов;

С этой точки зрения в двухканальных преобразователях целесообразно применение диодов типа КД503, КД512, КД514 с высокой крутизной вольт-амперной характери­

принять равной 0,5—0 , 8 в. Как было показано выше, вольт-амперные характеристики диодов хорошо аппрок­ симируются двумя функциями: экспонентой и параболой для вакуумных диодов, а для полупроводниковых дио­ дов— экспонентой и прямой линией. В процессе заряда рабочая точка диода выходит на экспоненциальный уча­ сток в момент to, определяемый выражениями (2-35), (2-38). Величина to зависит от напряжения импульса Um, емкости накопительного конденсатора Сиак вольт-ампер- ной характеристики диода и режима РИ. При Uтмин ^

где Дтс = Пд.0— Ддо (см. рис. 2-14), и выпол­ нении условия (4-7) рабочая точка диода в каждом ка­ нале успевает выйти на экспоненциальный участок, если длительность импульса ta>to.

В связи с тем что to=q>(Um), а напряжения в кана­ лах различны, время toi для первого канала оказывает­ ся несколько больше соответствующего времени £ог для второго канала. Поэтому при прочих условиях погреш­ ности Д£/зар1 и ДUЗар2 оказываются не равными и вели­ чина ДПзар.э при ta> ’t0i определяется выражением

100

и погрешность двухканального преобразователя сущест­ венно зависит от Um.

Зависимости ДU3ap= f(U m) для одноканального пре­ образователя на диоде 2Д503Б при Сп= 47 пф, получен­ ные экспериментальным и расчетным путем, показаны на рис. 4-2. Из них видно, что при г‘ц>30 нсек погреш­ ность ДНзар2 практически не зависит от напряжения им­

О20 40 ВО ВОнсек- рис. 4-2. Теоретические и экспери­

рис. 2-17), а сопряжение участков аппроксимации вольтамперных характеристик диодов происходит плавно, то для практических расчетов ДБ/зар можно пользоваться

102

мы в каналах становятся идентичными. Задача миними­ зации разброса погрешностей в каналах в рабочем диа­ пазоне напряжений и длительностей измеряемых сигна­ лов является важным условием оптимальной реализации двухканального метода преобразования.

4-2. Уменьшение погрешности для малых длительностей импульсов

Из выражения (4-8) видно, что при малых длитель­ ностях импульсов существенное уменьшение погрешно­ сти может быть достигнуто при йи-^ог- Это условие мож­ но реализовать за счет введения асимметрии в один из каналов путем изменения емкости накопительного кон­ денсатора Сн, смещения рабочей точки диода или изме­ нения коэффициента ХЭ1;в (например, включением после­ довательно с диодом резистора). Практически наиболее удобно изменять величину С„.

Определим значение Сн первого канала, при котором

Анализ показывает, что полученная зависимость спра­ ведлива и для случая Аналогичным образом можно найти необходимые значения 1яо или Коки, если компенсацию осуществлять этими параметрами. Анализ выражения (4-14) позволяет сделать два важных вы­ вода. Во-первых, для исключения зарядной погрешности необходимо, чтобы емкость накопительного конденсато­ ра в первом канале CHi была меньше емкости во втором канале С ^ или, в более общем виде, чтобы выполнялось условие Тэ1<Тэ2. Во-вторых, значение CHi определяется не только параметрами РИ в каждом канале, оно зави­ сит также от Um и tu. В связи с этим в двухканальном преобразователе не удается полностью устранить по­ грешность накопления в широком диапазоне напряже-

104

Пий и длительностей входных импульсов, и поэтому сле­ дует идти по пути минимизации функции погрешности ДUзар = ty(Um, tn). Для этого величину Cm следует опре­ делять при минимальных Um и tn, когда разница в вели­ чинах Д^зар1 и ДДзарг максимальна (см. рис. 4-2 и 4-3). Таким образом, в выражении (4-14) оптимальная вели­ чина Cni опт= ср ( Um мин, ^п.ыин) ■ Значение Cm опт при на­ стройке преобразователя следует уточнять с тем, чтобы осуществить минимизацию погрешности At/3ap во всем диапазоне Um и tn. Анализ показывает, что при выборе Стоит в соответствии с формулой (4-14) зарядная по­ грешность в диапазоне ta>Uг.мшз положительна, а при ^n<Ai.Mim — отрицательна. В связи с этим при расчете

ирегулировке величины Си10пт можно выбирать

41,м1ш.опт>^и.мин. Это дает возможность усреднить по­ грешность с тем, чтобы в пределах всего диапазона дли­ тельностей она не превосходила допустимую величину. Величина относительной погрешности двухканального преобразователя при Сщ ф Сга и ta<_t0i (работа на ли­ нейных участках вольт-амперной характеристики дио­ дов) определяется выражением

тогда как погрешность одноканального преобразователя

вэтом диапазоне доходит до 40% (см. рис. 2-18,6).

Овыборе коэффициента п. Выше уже отмечалось, что

вобласти малых напряжений и длительностей преоб-

105

разуемых импульсов существенное значение приобрета­ ет неравенство /oivMccУвеличение коэффициента пере­ дачи п значительно ослабляет это неравенство, посколь­ ку уменьшается разница между импульсными напряже­ ниями, подаваемыми на оба канала. Это видно из вы­ ражения (4-1) и графика t0/Cn=q)(U m), приведенного на рис. 2-17. С увеличением п уменьшается также ве­ личина минимального напряжения Ummm, при котором

Рис. 4-5. Зависимость 6U3Sip=/(6i) для двухканалыюго преобразователя на диодах 2Д503Б при Um, равном 1, 2, 10 и 20 в (кривые 1, 2, 3 и 4 соответственно).

реализуется условие A£/3api~ А1 /аар2 [см. формулу (4-7)]. С этих точек зрения приближение п—>-1 целесообразно. Однако при /г-И выходное напряжение вычитающего устройства (4-2) 7/Вых->-0, что ограничивает величину п чувствительностью последующих каскадов преобразова­ ния. При конструировании АВП н РИ наносекундпого диапазона с целью увеличения коэффициента преобра­ зования выходная функция каждого канала подается на вычитающее устройство через согласующие каскады пли канальные усилители. При этом максимальное значение п ограничивается линейностью и нестабильностью трак­ та, предшествующего вычитанию. Покажем это. Пусть коэффициент передачи согласующих каскадов в каждом из каналов будет:

АГс1 = Ксо(1+бАс1);

7 ( с 2 = А с о ( 1 + б / С с 2 ) )

где Кой — коэффициент передачи согласующих каскадов в точке калибровки; б/Cci и ЬКог — относительные по­ грешности из-за нелинейности согласующих каскадов.

Тогда, пренебрегая в выражении (4-2) зарядной по­ грешностью ALAjap и погрешностью вычитания б/Св, вы-

106

ходную функцию вычитающего устройства можно запи­ сать в виде

п = 0,9 она возрастает до 10%- Аналогичные результаты могут быть получены и при использовании канальных усилителей. В связи с изложенным оптимальное значе­ ние п выбирают из компромиссных соображений с уче­ том нелинейности каскадов и величины /УтМ1Ш. При

£Лпмин:~ '1 б Пот— 0 , 6 = 0 ,8 .

4-3. О компенсации неидентичности вольт-амперных характеристик диодов

До сих пор мы рассматривали погрешности двухка­ нальных преобразователей, полагая вольт-амперные ха­ рактеристики вентилей (2-30),,(2-32) идентичными, т. е. Л1=Яг=Я.. Практически из-за большого разброса или дрейфа характеристик вентилей это условие трудно обес­ печить, и зарядная погрешность при выполнении условия

(4-7) равна:

где в случае полупроводниковых диодов

р ; = 1 - ехр [ — -дХ| (/^, + ^ j ;

Р2 = 1 -ехр|^ — -дМ/^ +

т. е. подобрать отношение логарифмических функций.

107

изменением режима по постоянному току одного из пре-

образователен или изменением Сц можно скомпенсиро­ вать неидентичность вольт-амперных характеристик дио­ дов и свести к минимуму или усреднить зарядную по­ грешность Аи зар. Ток гдо — начальный ток диода — может регулироваться у вакуумных диодов напряжением кана­ ла или внешним смещением, у полупроводниковых дио­ дов— внешним смещением. Значение накопительной ем­ кости Снак может варьироваться в необходимых преде­ лах.

При работе в широком диапазоне длительностей импульсов и калибровке преобразователя при фиксиро­

108

— 0,7; 0,8 и 0,9, рассчитанные по формуле >(4-17) для

фики показывают, что рассмотренный способ позволяет существенно уменьшить погрешность преобразования, однако при значительном разбросе параметров li и Is малые погрешности в широком диапазоне длительностей не обеспечиваются.

Этот недостаток можно устранить путем подбора вен­ тилей с почти идентичными характеристиками например с приблизительно одинаковыми начальными токами при одном и том же смещении.

Для обеспечения большей точности вычитания и со­ ответственно получения более достоверных данных о тре­ буемой величине отношения (4-19) калибровку или на­ стройку преобразователя целесообразно производить в области минимальных напряжений и длительностей измеряемых импульсов, т. е. там, где зарядные погреш­ ности максимальны.

Благодаря изложенному удается скомпенсировать неидентичность вольт-амперных характеристик вентилей в точке калибровки и Свести к минимуму или усреднить погрешность преобразования в области малых напряже­ ний и длительностей измеряемых импульсов. С увели­ чением импульсного напряжения относительные погреш­ ности уменьшаются, что обеспечивает широкодиапазонность двухканальных преобразователей.

На базе рассмотренного метода возможно построе­ ние двухканальных АВП и РИ, у которых погрешности за счет недозаряда накопительного конденсатора и ряд погрешностей преобразования интервала могут быть существенно уменьшены. Рассмотрим возможные прак­ тические реализации таких преобразователей.

На рис. 4-7,а представлена блок-схема АВП с пла­ вающим порогом дискриминации. Идея построения схе­ мы сводится к тому, что уровень дискриминации интер­ вала преобразования в АВП определяется напряжением расширителя, абсолютное значение зарядной погрешно­ сти которого одинаково с зарядной погрешностью АВП. Благодаря этому при уменьшении напряжения на нако-

109