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

6-3. Об уменьшении погрешности линейных ПМВ

Как было показано выше, погрешность линейных ПМВ определяется в значительной степени нелиней­ ностью функции преобразования в области малых вре­ мен, т. е. на начальном участке кривой заряда накопи­ тельного конденсатора. Эту трудность можно обойти в ПМВ, если исключить из процесса преобразования начальный участок. С этой целью в схеме рис. 6-5,а кон­

денсатор С заряжается не в течение измеряемого ин­ тервала tx, а в течение интервала tx-\-t<j, а затем на этапе обратного пре­ образования возникаю­ щая при этом погреш­ ность исключается. Один из вариантов реализации этой идеи предложен в

(Л. 128]. На рис. 6 - 6 изо­ бражена структурная схе­ ма подобного ПМВ. На вход преобразователя по­ ступают два интерваль­ ных старт- и стоп-импуль- са. Старт-импульс опроки­ дывает триггер Тг, кото­

рый включает стабилизатор тока заряда СТЗ конденса­ тора С. После прохождения липни задержки ЛЗ старт-импульс открывает ключ Кл для прохождения че­ рез него стоп-импульса, снимаемого с отвода линии задержки и возвращающего триггер Тг в исходное со­ стояние. Ключ Кл предотвращает возвращение триггера Тг в исходное состояние задержанным старт-импульсом. Таким образом, триггер вырабатывает импульс длитель­ ностью t = t x+ t 0j где t0— электрическая задержка меж­ ду входом линии задержки и ее отводом. В течение интервала времени t накопительный конденсатор Спа1! заряжается током СТЗ, и снимаемое с него напряжение

са ЗУ переключается в режим запоминания напряжения на конденсаторе Uc (to). Это напряжение поступает на

150

бДйн из входов дискриминатора Л,с в качестве onopiidго. На другой вход дискриминатора поступает напряже­ ние с накопительного конденсатора, который после окон­ чания импульса триггера разряжается через стабилиза­ тор тока разряда СТР. В момент равенства напряжения на накопительном конденсаторе С и на выходе ЗУ ди­ скриминатор вырабатывает импульс. Время задержки^ старт-импульса выбирается таким, чтобы исключить из процесса преобразования нелинейный участок напряже­ ния па накопительном конденсаторе. Преобразованный интервал времени отсчитывается между задержанным стоп-импульсом, снимаемым с зажима 1, и выходным импульсом дискриминатора Дс, снимаемым с зажима 2. Этот интервал пропорционален входному интервалу tx.

Изложенный метод позволяет существенно уменьшить нелинейность функции преобразования при заряде на­ копительного конденсатора и минимальную длитель­ ность преобразуемого интервала. Для его реализации необходимо построение высококачественного расширителя импульсов с коэффициентом расширения КД^КДх-

Г л а в а с е д ь м а я

Основы теории компенсационных преобразователей масштаба времени

7-1. Принципы построения компенсационных преобразователей

Схемные и конструктивные реализации методов пре­ образования, в которых используется принцип стабили­ зации тока заряда и разряда накопительного конденса­ тора, достаточно сложны. Кроме того, они обладают ря­ дом существенных недостатков, которые были рассмо­ трены в гл. 6 .

В связи с изложенным значительный интерес пред­ ставляют конденсаторные накопительные преобразовате­ ли с компенсацией нелинейности заряда, в которых для формирования временных функций используются пассив­ ные элементы. Сущность компенсации сводится к тому,

151

Уравпепие (7-1) является математическим выраже­ нием идеи компенсации нелинейности функции преобра­ зования, возникающей на этапе накопления заряда.

Покажем, что такая компенсация возможна при ис* пользовании непрерывных, однозначных и монотонных функций. Пусть F(x) —монотонная и непрерывная функ­ ция, где х — аргумент, пропорциональный времени. Тог­ да для двух функций F (at) и F(bt), где а и Ь — пара­ метры, характеризующие скорость их изменения, для любого t= /и найдется такое t = T„, при котором спра­ ведливо равенство

Здесь t„ и 7’п — измеряемый и преобразованный ин­ тервалы.

Справедливость этого соотношения легко проверить подстановкой уравнения (7-3) в (7-2), при которой по­ следнее обращается в тождество.

В уравнении (7-2) ради общности рассматриваются лишь модули функций и тем самым не накладываются

•ограничения на их знак. Нетрудно заметить, что и вре­

= ТП—tK, т. е. определяется, как и в предыдущем случае, уравнением (7-2). Из уравнения (7-3) видно, что при

152

время динамического запоминания обратно пропорцио­ нально скорости изменения подобных функций и огра­ ничивается областью монотонности и непрерывности этих функций.

7-2. Компенсационные ПМВ со статическим запоминанием

Если в качестве F (at) используется функция напря­ жения U(t), то запоминание несложно обеспечить, при­ менив статические запоминающие устройства (пиковые расширители). Обобщенная блок-схема преобразователя с таким устройством приведена на рис. 7-1,я. В этой схеме стартовые импульсы запускают генератор функ­

Линейные функции напряжения, как уже указывалось, могут^ быть получены с помощью интегрирующих устройств или путем использования начального участка экспоненциального и синусоидального напряжений. Воз­ можности применения линейных преобразователей с ис­ пользованием этих функций были рассмотрены выше, в связи с чем в дальнейшем будут рассмотрены только

ПМВ, использующие экспоненциальные и синусоидаль­ ные функции напряжения,

154

Экспоненциальные преобразователи. В [Л. i29, i3l] описаны схемы экспоненциальных преобразователей, в ко­ торых используется расширитель с открытым входом. Вариант такой схемы приведен на рис. 7-2. В исходном состоянии ключи Кл 1 и Клг замкнуты. При их размыка­ нии напряжение на конденсаторах изменяется по экспо­ ненциальному закону с постоянными времени ti = ./?iCi п xz—RiCz- Стоп-импульс возвращает ключ Клу в исход­ ное состояние, диод Д запирается, и конденсатор Ci

В ы ход

Рис. 7-2. Экспоненциальный ПМВ со статическим запомина­ нием.

некоторое время сохраняет заряд. При обеспечении усло­ вия преобразованный интервал, фиксируемый схе­ мой сравнения в момент равенства напряжений на кон­ денсаторах, значительно превосходит измеряемый интервал.

Схема сброса предназначена для разряда конденса­ торов по окончании преобразованного интервала. Кон­ денсатор Су здесь выполняет две функции: является эле­ ментом пикового расширителя и генератора экспоненци­ ального напряжения. В приведенной на рис. 7-2 схеме из-за влияния ряда факторов возникают погрешности, связанные с нелинейностью и нестабильностью функций преобразования. Рассмотрим эти погрешности.

Запишем выражения для изменения напряжения на конденсаторах Ci и С2 за измеряемый /„ и преобразо-

155

банный Тп интервалы времённ:

Здесь т2/т1= /(п — коэффициент преобразования. Однако практически условие ECi(tn) = Uc2(Tn) трудно

обеспечить, так как схема сравнения имеет конечное значение порога чувствительности Un, напряжение на конденсаторе Ct за время Та уменьшается (погрешность запоминания бU3n), а коэффициент передачи пикового расширителя Др=?-1. Тогда

156

Выражение (7-12) позволяет рассчитать погрешность для данной конкретной реализации ПМВ со статическим запоминанием. Как видно из выражения (7-12), точ­ ность преобразования в значительной степени зависит от погрешности запоминания пикового расширителя, которая растет с увеличением коэффициента преобразо­ вания. Ток разряда, характеризующий эту погрешность,, определяется в основном обратным током диода и для-

для рассматриваемой схемной реализации относительно

образования КпД<Ю3 нсек. Тогда, если диапазон пре­ образуемых интервалов составляет 1— 1 0 нсек, Кп.макс^ЮО. При увеличении К„ до значения 103 по­ грешность возрастает в 3 раза.

Таким образом, получение больших коэффициентов преобразования в рассматриваемом типе ПМВ затруд­ нительно в связи с несовершенством систем статиче­ ского запоминания. Смещение функции преобразования (7-11) относительно нуля (Т„Ф 0 при £ц=0) может быть исключено введением в стартовый канал задержки

К числу факторов, определяющих разрешающую спо­ собность преобразователя, следует отнести; нестабиль­ ность начального уровня Uш относительно Дог, неста­ бильность ДС-параметров схемы, изменение чувстви­ тельности схемы сравнения U„, нестабильность коэффи-

157

Цйепта передачи расшнриФеля 7(Р, изменение обратного

личину порядка тысячных долей процента и ею можно пренебречь. Влияние нестабильности /?С-параметров можно найти из формулы (7-8)

Поскольку эта погрешность не может быть кратко­ временной, ее нетрудно исключить калибровкой преоб­ разователя. То же самое относится к погрешности за счет нестабильности коэффициента передачи пикового расширителя 67’П(А/СР).

та использования напряжения эта величина возрастает.

Так, при tIt/n = 2 6Ta (AU„) =0,16%.

Эта составляющая пропорциональна коэффициенту преобразования и в связи с этим оказывает существен­ ное влияние на разрешающую способность. Для пара­ метров схемы преобразователя, погрешности, которого представлены на рис. 7-3 при tn/xi = l, 7СП=Ю0 и Ti = = 10 нсек, 50%-иое изменение тока /р (например, вслед­ ствие изменения температурных условий) вызовет по­ грешность 67'п(А/р) =0,2%; однако при 7СП=1 000 эта по-

158

грешность будет составлять уже 2%. Это еще раз ука­ зывает на трудности реализации в ПМВ со статическим запоминанием больших коэффициентов преобразования.

Формулы (7-9) — (7-14) позволяют проводить инже­ нерные расчеты при оценке погрешности и разрешающей способности рассматриваемого типа ПМВ.

Один из вариантов схемной реализации ПМВ со ста­ тическим запоминанием приведен в [Л. 130]. Упрощен­

циальному закону с постоянной

времени X i=R Ci. По окончании измеряемого интервала замыкается ключ Кл2 и начинается заряд конденсатора С2. В момент времени, когда напряжение иа диоде, равное разности напряжений на конденсаторах Ci и С2, станет равным нулю, дискриминатор Д с вырабатывает импульс, который вместе со стартовым образует преобразованный интервал. Коэффициент преобразования рассмотренной схемы равен:

Приведенная на рис. 7-4 схема.по принципу действия не отличается от рассмотренной выше. Для нее также справедливы выведенные ранее соотношения, характе­ ризующие точность преобразования. Однако использова­ ние расширителя с закрытым входом имеет некоторые особенности. К их числу относится то, что коэффициент преобразования, как видно из выражения (7-17), опреде­ ляется только отношением емкостей конденсаторов Сi и С2, что позволяет повысить температурную стабиль­ ность работы преобразователя. Однако необходимая при калибровке подстройка коэффициента преобразования

159