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

7-5. Метод автокоррекции преобразователей

Одним из радикальных способов устранения отме­ ченных недостатков является введение повторного за­ пуска преобразователей, предложенного и осуществлен­ ного в ряде работ [Л. 17, 138], который является по су­ ществу методом автокоррекцип преобразователей.

На рис. 7-17,а представлена обобщенная структур­ ная схема ПМВ с автокоррекцией путем повторного за-

преобразователя с автокоррекцией.

пуска. Как видно из схемы, с выхода преобразователя Выход 1 преобразованный интервал поступает на кас­ кад задержки КЗ и далее, через блок повторного запус­

задержки ЛЗ, которая исключает возможность опере­ жения стоповым сигналом старт-сигнала при одновре­

^н. Тогда, после первого цикла преобразования на выхо­ де ПМВ (рис. 7-17) {Выход 1) будем иметь преобразо*

180

ванный интервал

7’п1 = ^Сп(^п+Д^ф+'Глз+ А^к+Д'/п+А^дс),

где Д/ф — погрешность, вносимая формирователями; тЛз—

грешности собственно преобразователя, вызванные оста­ точными напряжениями на конденсаторах, влиянием развязывающих каскадов п пр., Д1ЯС— погрешность изза дискриминатора.

При повторном запуске через интервал времени ткп, определяемый каскадом задержки КЗ, на выходе ПМВ (Выход 1) появится импульс длительностью

Т п2= К п (Д^Ф + Тлз + Д^; + A'tn+ Д^дс) •

Каскад задержки должен представлять собой схему переноса интервала Гщ, причем должно выполняться условие Ткз>7’п1макс. В простейшей реализации такая схема может быть выполнена в виде электрической ли­ нии задержки на пассивных элементах. Временные диа­ граммы, соответствующие этому случаю, представлены на рис. 7-17,6. Импульсы длительностью 7\,i и Т„2 , сни­ маемые соответственно с триггера (Вых. 1) и выхода каскада задержки КЗ, подаются на входы схемы анти­ совпадений СА. Если к моменту повторного запуска па­ раметры схемы и режим питания не изменяются (что обычно имеет место, так как интервал времени между запусками не превышает обычно десятка микросекунд), то длительность выходного импульса схемы антисовпа­ дений

Т'п — Т'п!— 7'п2 = К пД1

будет линейной функцией измеряемого интервала. Вычитание интервалов можно осуществлять не толь­

ко в аналоговой, по п в цифровой форме. Как видно из временной диаграммы, с триггера Вых. 1 снимаются по­ следовательно два импульса длительностью Tni и ГпгОсуществляя дискретное преобразование этих импуль­ сов и подавая их на реверсивный счетчик, можно осуще­ ствить такое вычитание. В этом случае к каскаду за­ держки КЗ не предъявляются требования переноса ин­ тервала Т„, и он может быть выполнен на основе любого ждущего релаксатора с длительностью выходного им­

181

пульса, превышающей Т„. В качестве линии задержки ЛЗ обычно используют коаксиальный кабель или спи­ ральную линию задержки.

Следует отметить, что метод автокоррекции сущест­ венно понижает требования к стабильности элементов преобразователей, режимам питания и переходным ха­ рактеристикам стартового и стопового каналов, посколь­ ку при повторном запуске аддитивные и мультиплика­ тивные погрешности, вызываемые влиянием этих факто­ ров, компенсируются. Приведенная на рис. 7-17,а структурная схема является лишь примером метода автокоррекции. Возможны и другие структурные реали­ зации этого метода.

Г л а в а в о с ь м а я

Пороговые и ключевые устройства аналоговых преобразователей интервалов времени

8-1. Характеристики пороговых устройств

Для недетерминированных входных сигналов точность преобра­ зования их временных параметров (7„, /ф, tc) или временных интер­ валов между ними в значительной степени зависит от точности и стабильности работы входного порогового устройства, обеспечиваю­ щего временную «привязку» начала и конца измеряемого интервала к входным импульсам. Погрешность, вносимая входным устройством, в наносекундиом диапазоне носит доминирующий характер и ее следует учитывать при измерении временных интервалов.

Пригодность порогового устройства для привязки к интервальным импульсам можно оценить с помощью следующих основных пара­ метров: чувствительности, погрешности дискриминации уровня изме­ рения, инерционности.

При амплитудных измерениях под чувствительностью обычно понимают минимальный порог срабатывания, который может обес­ печить пороговое устройство. Однако при измерении интервалов времени такая оценка чувствительности приемлема только для иде­ альных условий, когда погрешностью, вносимой пороговым устрой­ ством, можно пренебречь. На практике оценку чувствительности, по-видимому, следует производить по минимальной амплитуде вход­ ных импульсов, при которой погрешность измерения временного интервала, вносимая дискриминирующим элементом порогового устройства, остается в допустимых пределах. Очевидно, что в этом случае чувствительность порогового устройства будет зависеть не только от его свойств, но и от внешних факторов, к числу которых прежде веего следует отнести амплитудно-временные параметры интервальных импульсов,

182

Весьма важной характеристикой порогового устройства являётсй погрешность дискриминации. Эта погрешность скалывается из по­ грешности установки уровня измерения и погрешности из-за изме­ нения этого уровня вследствие нестабильности питающего напряже­ ния, климатических воздействий, старения элементов схемы, помех и пр. Погрешность установки уровня измерения приводит к систе­ матической ошибке, вызывающей нелинейность преобразования ПМВ. Нестабильность уровня влияет на разрешающую способность преоб­ разователя. Величины этих погрешностей существенно зависят от скорости нарастания фронта входных импульсов.

Инерционные свойства порогового устройства характеризуются его быстродействием (временем задержки), широкополосностыо канала передачи сигнала от входа преобразователя до дискримини­ рующего элемента и длительностью фронта выходного импульса. Наиболее существенное влияние па работу устройства оказывают первые два фактора, устранение действия которых является одной из актуальных проблем при измерении пико- и ианосекундных интер­ валов времени.

Кроме указанных параметров, являющихся наиболее важными при измерении временных интервалов, в ряде случаев для оценки качества пороговых устройств могут использоваться дополнительные характеристики: диапазон изменения устанавливаемых уровней, спо­ собность к перегрузкам, потребляемая мощность, надежность и др.

8-2. Основные погрешности дискриминаторов уровня измерения

В качестве дискриминаторов уровня измерения могут применять­ ся нелинейные делители, использующие вентильные свойства элек­ тронных приборов, импульсные генераторы с положительной обрат­ ной связью и импульсные генераторы, в которых применены элемен­ ты с отрицательным сопротивлением. Наиболее перспективными при измерении коротких интервалов являются пороговые устройства, использующие элементы с отрицательным сопротивлением, причем самыми быстродействующими из них являются туннельные диоды

( Т Д ) .

Известно большое количество схемных реализаций дискрими­ наторов на ТД, являющихся модификациями основной схемы. Все они направлены на устранение тех или иных недостатков ТД, напри­ мер деградацию (Л. 139, 140], паразитные импульсы до срабатыва­ ния [Л. 141], малое входное сопротивление и т. д. Здесь мы рас­ смотрим погрешности основной схемы (рис. 8-1,а), к которой может быть сведено большинство схем дискриминаторов на ТД. Парамет­ ры схемы выбираются таким образом, чтобы линия нагрузки пере­ секла вольт-ампериую характеристику в одной точке А восходящей туннельной ветви (рис. 8-1,6). Тогда поступающий на вход схемы положительный импульс тока амплитудой Д / в х > Д / по р будет перево­ дить диод в точку В характеристики. С уменьшением входного тока диод возвращается в исходное состояние (точка А). В результате па диоде возникают импульсы напряжения AU = UB— Uа - Очевидно,

183

что основные характеристики генератора iia ТД как noporonoi'o устройства определяются электрическими параметрами туннельного диода: стабильностью его тока максимума, быстродействием и пр. Для улучшения характеристик порогового устройства дискриминатор выполняют обычно в коаксиальной или полосковой конструкции. В дальнейшем мы будем рассматривать коаксиальный вариант как наиболее широкополосный.

На примере дискриминатор^; схема которого приведена на рис. 8-1,я, рассмотрим основные погрешности, вносимые входным устройством. Факторы, влияющие на точность работы комплекса входное устройство — преобразователь, можно разделить на две категории.

К первой следует отнести те, которые приводят к запаздыванию интервальных импульсов, вызывая тем самым смещение функции преобразования. Влияние этого смещения эквивалентно нелинейности преобразования, величина которой зависит от формы входных сигна­

вого тока ТД. Значительное влияние на точность работы дис­ криминатора^ оказывает температурный и временной уход пикового тока. Точный анализ влияния температуры на стабильность пикового тока является достаточно сложной задачей. Ориентируясь на неко­ торые сведения из литературы [Л. 139, 142], можно считать, что тем­ пературный уход пикового тока ТД не превышает 10— 15% для

184

п=.1

где Unx(() — входное напряжение; t3— время пробега волны на уча­ стке S l:—S2. Очевидно, что погрешность, вносимая инерционностью, будет максимальной при идеальном перепаде входного, напряжения амплитудой. От. Форма выходного напряжения для этого случая при v = 0,8 приведена на рис 8-2,6, а огибающая этой ступенчатой функ­ ции равна {Л. 31]:

[т~ +Л in М

Р (() = 1 — <Л 3 1 . (8-2)

В выражении (8-2) время отсчитывается от момента появления прямой волны в нагрузке. Из уравнения (8-2), задаваясь относи­ тельным уровнем изменения Po=P(O i), найдем сдвиг функции пре­ образования, возникающий вследствие неоднородности в тракте пе­ редачи сигнала

в неоднородности и существенно зависит от коэффициента отраже­ ния. При v ^ 0 ,3 (что соответствует удвоению волнового сопротивле­ ния в неоднородности) величина ©t= 0 в диапазоне уровней Р 0^ 0 ,9 .

Временной сдвиг 0i приводит к погрешности в Tex' случаях, когда неоднородность имеется только в одном из трактов (стартовом или стоповом) или когда измерение интервалов производится на су­ щественно различных уровнях измерения. При идентичных в кон­ структивном отношении каналах передачи интервальных импульсов и при равных уровнях точность работы входного устройства опреде­ ляется неоднозначностью привязки к интервальным импульсам, воз­ никающей из-за ступенчатого характера выходного напряжения. Эта неоднозначность приводит к ухудшению разрешающей способности устройства и равна 02= /3.

При конечной длительности фронта входного сигнала рассмотрен­ ные погрешности имеют меньшее значение. На рис. 8-2,6 приведен график зависимости выходного напряжения при условиях, аналогич­ ных ранее рассмотренным, и при поступлении на вход входного устройства трапецеидального импульса с длительностью фронта Тф<<з- При этом временная неопределенность, как видно из рис. 8-2,6, равна:

Выражение для погрешности, возникающей из-за смещения

18£?

Погрешности 0з и 04 можно исключидь, обеспечив условие /3^Кф. При этом влияние неоднородности можно рассматривать как умень­ шение входного сигнала в (1—л>2) раз. Это уменьшение можно скор­ ректировать соответствующим выбором диапазона уровней измере­ ния. Однако повышение точности работы дискриминатора, таким

мальному ухудшению разрешающей способности преобразователя да

скриминатор можно считать устройством с сосредоточенными пара­ метрами, поскольку размеры элементов, составляющих его схему, невелики. При этом эквивалентная схема дискриминатора имеет вид,

Как видно из приведенной схемы, инерционные свойства ТД определяются емкостью перехода Сд и индуктивностью выводов L s- Обычно в переходных процессах схем дискриминаторов на ТД опре­ деляющую роль играет емкость Сд, поэтому в большинстве практи­ ческих случаев величиной L s можно пренебречь [Л. 139, 144, 155]. Ве­ личина емкости перехода Сд в ТД изменяется от напряжения на диоде, однако при работе на туннельной ветви характеристики диода (что имеет место в дискриминаторах) это изменение не превышает

187

Ток /д па туннельной ветви вольт-амперпои харак+еристики ТД может быть представлен аналитически с достаточной степенью точ­ ности многочленом второй степени вида [Л. 143, 145]

Тогда, решая Уравнение (8-5) с учетом выражения (8-6) и по­ лагая напряжение на выходе в момент начала срабатывания дискри­ минатора L/цых равным U|, после ряда преобразований найдем ве­ личину временного сдвига Д/2. возникающего из-за инерционно­ сти ТД:

при Г\ - -■I — - -

^{ У \ + т Р л — \)V\\j-_Pa)m — I

Ра —Uи/Um — относительный уровень измерения.

Зависимость A/2/ti=f(Po), рассчитанная по формуле (8-8) для реальной схемы дискриминатора, выполненного с применением арсе-

не превышает 0,7ti. Например, для диодов типа АИ301Б (Сд=20нф) величина этой погрешности составляет около 2 нсек и не зависит от измеряемого интервала. Таким образом, погрешность, вносимая ди­ скриминатором, определяется в основном емкостью перехода ТД и значительно превышает нелинейность, присущую Г1МВ. В последнее

18S

жет быть несколько меньше. Оцен­ ку точности дискриминатора в этом случае целесообразно производить,

предполагая, что характеристика ТД при i линейна, т. е.

ил

(8-9)

Это допущение приводит к сравнительно простым выражениям и дает достаточную точность анализа (погрешность менее 10%) при Р0^0,2ч-0,3. При Р0<0,2 погрешность, вносимая инерционностью

Положим, что на вход дискриминатора подается импульс с ли­ нейно нарастающим фронтом длительностью tф:

Кло — коэффициент передачи дискриминатора при Сд = 0.

189