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

лйзации этого метода импульс пропускается через !<й- бель задержки, по длине которого в нескольких точках включены схемы стробирования, или через систему ре­ циркуляции с одной схемой стробирования. Получаемая при этом эффективная ширина полосы пропускания до­ стигает 500 Мгц.

Для измерения напряжения в осциллографах обычно используется метод непосредственного отсчета по калиб­ рованной шкале. Сущность метода заключается в том, что при подаче на вход прибора эталонного напряжения известной величины регулировкой чувствительности из­ мерительного тракта калибруется шкала на экране элек­ тронно-лучевой трубки.

Для измерения временных характеристик исследуе­ мых сигналов используются калиброванные по скоро­ сти развертки, задающие временной масштаб изобра­ жения.

Методы дискретного преобразования. Эти методы на­ шли широкое распространение при измерении парамет­ ров одиночных импульсных сигналов и при построении различного рода аналого-цифровых преобразователей [Л. 7—9]. Высокое быстродействие, точность, возмож­ ность получения результата измерения в цифровой фор­ ме, простота кодирования и хранения информации и ряд других преимуществ обусловили применение дискретных методов преобразования при измерении параметров оди­ ночных сигналов.

При измерении однократных временных интервалов наибольшее распространение получил метод прямого счета, в соответствии с которым измеряемый интервал квантуется в реальном масштабе времени последова­ тельностью счетных импульсов [Л. 10— 12]. Ограничени­ ем этого метода является быстродействие декодирую­ щих пересчетных устройств, которые в настоящее время обеспечивают скорость счета в несколько сотен мегагерц, что соответствует уверенному временному разрешению около 5— 10 нсек.

Погрешность измерения указанными методами опре­ деляется длительностью периода счетных импульсов Тсч и относительной нестабильностью частоты генератора этих импульсов дсч, которая может иметь величину от 10-5 до 10~9. Таким образом, общая абсолютная погреш­ ность определяется величиной

AT= ± Г Сч(1 ± 6 Сч).

10

Это, естественно, ограничивает точность измерения ма­ лых временных интервалов (менее 1 мксек). Существейное повышение точности и разрешающей способности метода прямого счета может быть достигнуто его соче­ танием с верньерными или накопительными методами аналогового преобразования масштаба времени, которые будут рассмотрены ниже.

Различные вопросы построения измерителей интер­ валов времени с дискретным преобразованием приме­ нительно к задачам экспериментальной физики рассмот­ рены в :[Л. 13]. В [Л. 14] приводятся классификация и характеристики цифровых методов измерения длитель­ ности одиночных импульсов.

В ряде работ (Л. 15—17] описаны приборы, обеспе­ чивающие измерение временных характеристик одиноч­ ных импульсных сигналов с использованием предвари­ тельного аналогового, а затем аналого-цифрового пре­ образования. К ним относятся приборы И2-14 и И2-21 [Л. 15, 17].

Достигнутые в этих приборах минимальная длитель­ ность измеряемого интервала времени и разрешающая способность составили 10 и 0,2 нсек соответственно. Да­ лее будет показано, что на этом же принципе могут быть построены приборы с более высокими метрологическими характеристиками.

Таким образом, в настоящее время существует боль­ шой объем литературы по дискретным методам преоб­ разования интервалов времени, список которой можно значительно расширить, используя цитируемую литера­ туру.

При измерении напряжения одиночных импульсов и анализе их распределения по амплитудам в спектромет­ рии ядерных излучений осуществляют дискретное пре­ образование интервала времени, являющегося выходной функцией аналогового амплитудно-временного преобра­ зователя. На этом принципе построены вольтметры оди­ ночных импульсов типа В4-6, В4-15, В4-17 [Л. 18, 19] и значительное количество одноканальных и многоканаль­ ных амплитудных анализаторов [Л. 20, 21]. Вольтметры одиночных импульсов с дискретным преобразованием позволяют измерять импульсные напряжения в диапа-

11

зоне 0,01 — 1 000 в при длительности от 10 нсек до 100 мсек. Погрешность измерения при этом составляет

1,5 -8% .

Некоторые быстродействующие цифровые вольтмет­ ры постоянного тока позволяют регистрировать напря­ жение импульса за время его существования. Минималь­ ная длительность измеряемого по этому методу импуль­ са определяется быстродействием преобразователя и может достигнуть нескольких микросекунд. Этот метод характеризуется зависимостью результата измерения от формы сигнала и практически может применяться лишь для измерения амплитуды импульсов с плоской верши­ ной. Те же самые замечания относятся и к гальванометрическому методу измерения одиночных сигналов [Л. 9].

Измерение напряжения одиночных импульсов можно осуществлять по дискретно-пороговому методу [Л. 22], который по своей сущности мало чем отличается от ме­ тодов многоканальных амплитудных анализаторов с по­ роговыми дискриминаторами [Л. 20, 21].

Напряжение одиночного импульса может быть пре­ образовано также в дискретную величину, например по­ следовательный единичный код, путем ступенчатого разряда накопительного конденсатора [Л. 23] или с по­ мощью колебательного контура с накопительным конден­ сатором, преобразующего накопленный заряд в последо­ вательность затухающих колебаний, измерение числа ко­ торых позволяет определить напряжение импульса [Л. 24]. Достаточно подробный обзор и классификация методов измерения напряжения одиночных импульсов приведены в [Л. 25].

Таким образом, мы кратко рассмотрели возможности измерения и преобразования дискретными методами амп­ литудных и временных характеристик одиночных сигна­ лов, несущих наибольший объем информации о харак­ теристиках изучаемых процессов.

Следует отметить, что методы дискретного преобра­ зования в сочетании с осциллографической индикацией применяются и для измерения формы одиночных сигна­ лов [Л. 5, 6]. При этом возможно квантование не только по времени, но и по уровню.

Проведенное рассмотрение ни в какой мере не пре­ тендует на полноту и может дать лишь общее представ­ ление о возможностях метода дискретного преобразова­ ния при исследовании одиночных сигналов.

12

Отметим, что измерение импульсной мощности и энергии оптических квантовых генераторов методами импульсной фотометрии после преобразования светового сигнала в электрический сводится к задаче построения аналоговых измерительных преобразователей одиночных и редко повторяющихся импульсов напряжения или тока [Л. 26]. То же самое относится к измерению мощности одиночных сигналов в гидроакустике [Л. 27]. При про­ ведении подобных измерений осциллографическими ме­ тодами задача сводится к оценке с помощью полученных осциллограмм мгновенного значения напряжения или тока одиночного сигнала. Таким образом, решение про­ блем, связанных с измерением и преобразованием энер­ гетических параметров одиночных сигналов, в значи­ тельной степени зависит от техники измерения их ампли­ тудно-временных параметров.

Аналоговые методы преобразования. При использова­ нии методов аналогового преобразования одиночных сиг­ налов задача сводится к преобразованию их амплитуд­ ных и временных параметров в непрерывные, аналого­ вые величины — квазипостоянное напряжение или время. При этом для отсчета могут использоваться обычные стрелочные или цифровые приборы, а результат измере­ ния регистрируется с помощью ЦПМ или самописца. Та­ ким образом, речь идет о преобразованиях вида

Li[U(t) макс]= £/; L2\U(t) макс]= Тп,

где U и Гп— аналоговое напряжение и интервал време­ ни; Li—L4 — операторы преобразования.

Следуя Харченко [Л. 28], аналоговым измерительным преобразователем мы будем называть устройство, в ко­ тором реализуется с известной точностью однозначная функциональная связь между двумя физическими вели­ чинами х и у. Зависимость y = f (x ) называется функцией преобразования. Она может быть задана графически или аналитически, на основании опытных данных и по ее виду можно судить о соответствии характеристик преоб­ разователя заданному оператору преобразования L

( 1- 1) .

Вообще говоря, любое измерительное устройство без выходного отсчетного приспособления представляет со­ бой в широком смысле измерительный преобразователь

13

[Л. 28], если оно удовлетворяет указанному выше опре­ делению. Таким образом, к измерительным преобразо­ вателям можно отнести и масштабные преобразователи, например аттенюаторы или усилители, а также и более сложные комплексы, образующие измерительную цепь, в которой осуществляются операции преобразования, пе­ редачи, воспроизведения и представления измерительной информации.

В последующих главах будут рассмотрены методы построения аналоговых измерительных преобразовате­ лей, решающих задачу вида (1-1), а также некоторые вопросы построения автоматических адаптивных преоб­ разователей.

Г л а в а в т о р а я

Аналоговые преобразователи напряжения одиночных сигналов

2-1. Методы аналогового преобразования и их классификация

Методы аналогового преобразования базируются на возможно­ сти при воздействии одиночных импульсов накапливать и запоми­ нать на конденсаторе заряд н преобразовывать его в непрерывные аналоговые величины, несущие информацию о параметрах импуль­ сов, — квазипостоянное напряжение или интервал времени. На основе этого принципа разработано значительное количество измерительных приборов. Учитывая, что параметры измерительных устройств в ос­ новном определяются характеристиками преобразователей, в качест­ ве основного классификационного признака целесообразно принять способ получения и преобразования информации. Классификация аналоговых методов преобразования напряжения одиночных импуль­

со статическим запоминанием и динамическим запоминанием инфор­ мации о напряжении одиночного импульса. Последний способ заклю­ чается в преобразовании одиночного импульса в квазипоследова­ тельность импульсов, несущую в себе информацию о значении пер­ воначального сигнала (Л. 29, 30]. Подобное преобразование осуществляется с помощью запоминающих устройств, построенных па электромагнитных замедляющих системах: линиях задержки, коак­ сиальных кабелях и др. Запоминающие устройства с разомкнутой замедляющей системой (без обратной связи) предназначены для преобразования одиночного импульса в пачку, состоящую из несколь­ ких импульсов. Для увеличения количества импульсов замедляющая система может быть замкнута в петлю через усилитель, компенсиру­ ющий потери (устройства рециркуляторного типа) [Л, 31], Получа-

14

емая квазипоследователыюсть импульсов подается на диодно-коН- денсаторный накопитель, выходная функция которого песет инфор­ мацию о максимальном напряжении импульса (Л. 25].

Методы преобразования, основанные на непосредственном стати­ ческом запоминании напряжения на конденсаторе, получили наиболь­ шее практическое распространение. Эти методы можно условно раз­ делить па две группы: использующие линейный эффект преобразова­ ния и основанные на реализации нелинейного эффекта. К первой

Рис. 2-1. Классификация преобразователей.

группе относятся одпокаиальпый, двухканальный и дифференциаль­ но-интегральный методы преобразования, в которых нелинейность преобразования приводит к погрешности измерения. Эти методы будут рассмотрены в 'последующих разделах. Отметим лишь, что на их основе разработан значительный комплекс аппаратуры, позволяю­ щей измерять максимальное значение одиночных импульсов в диа­

в том числе и одиночных {Л. 34, 37, 38], которые позволяют полу­ чить информацию об обобщенной амплитуде, являющейся по сущест­ ву энергетической характеристикой сигнала. Эти методы основаны па использовании нескольких расширителей импульсов, выполненных на нелинейных элементах с различными вольт-амперными характе­ ристиками. Режим работы преобразователей выбирается таким обра­ зом, чтобы напряжения расширенных импульсов являлись линейными функциями длительности и нелинейными функциями напряжения измеряемых сигналов. Отношение напряжений расширителей при использовании логометрического интегрального метода дает инфор-

15

мацшо об обобщенной амплитуде входного импульса, не зависящую от его длительности и определяемую только его формой и максималь­ ным значением. При известной форме сигнала с помощью подобных устройств можно определить его напряжение. Для нахождения коэф­ фициента формы вводится третий расширитель. Интегральные мето­ ды преобразования наиболее эффективны в иаиосекундиом диапазо­ не длительностей при измерении импульсных напряжений менее 1 в. В этом диапазоне погрешность измерения составляет 10— 15%, порог чувствительности 5— 10 мв.

2-2. Структура аналоговых преобразователей

Структура аналогового преобразователя зависит от выбранного варианта построения логической схемы прибора. Возможны два варианта логики: накопление — преобразование — запоминание — индикация информации; накопление — преобразование — индикация— запоминание информации.

Рис. 2-2. Структурные схемы преобразователей.

Независимо от выбранного варианта логики в аналоговых пре­ образователях четко выделяются два этапа; этап получения инфор­ мации о напряжении одиночного импульса путем накопления заряда на конденсаторе и этап преобразования сигналов информации. В со­ ответствии с этим структурная схема аналогового преобразователя в наиболее общем виде может быть представлена последовательным соединением накопительного устройства (НУ) и устройства преоб­ разования информации—преобразующего устройства (ПУ) (рис. 2-2,а).

Наиболее сложным этапом, трудности которого возрастают с уменьшением напряжения и длительности измеряемых сигналов, является этап накопления заряда накопительного конденсатора до

обладающего вентильными свойствами.

Преобразование накопленной информации (разряд накопитель­ ного конденсатора) осуществляется с помощью разрядных устройств

16

РУ, методы построения которых определяют вид аналоговых сигна­ лов информации н принципы их дальнейшей обработки.

При построении расширителен импульсов (РИ) в качестве РУ используют обычно резисторы с большим активный сопротивлением R, в амплитудно-временных преобразователях — различные стабили­

сатора Спаи различают преобразователи с открытым и закрытым входом. Они отличаются разным влиянием формы измеряемого сиг­ нала на этап аналогового преобразования и имеют неодинаковые коэффициенты передачи ‘[Л. 9, 34]. Их обобщенные структурные схемы представлены на рис. 2-2,6, в.

Приведенное описание структуры аналоговых преобразователей является самым общим п достаточно упрощенным. Например, нако­ пительное и преобразующее устройства могут быть выполнены с использованием отрицательной обратной связи, включающей уси­ лители и развязывающие каскады, т. е. иметь дополнительные струк­ турные звенья .[Л. 23, 39, 40]. Возможны и другие реализации НУ и ПУ. Вместе с тем из приведенного выше обобщенного описания структуры видно, что совокупность рассматриваемых раздельно характеристик функции накопления и преобразования информации дает достаточно полное представление об аналоговом преобразова­ теле в целом. Особое значение имеет выбор ЗУ, влияющего иа оба этапа преобразования. В связи с этим при дальнейшем изложении мы вначале рассмотрим основные типы и характеристики зарядных устройств, а затем методы аналогового преобразования иформации.

2-3. Основные типы и характеристики зарядных устройств

Зарядные устройства во многом определяют погрешности преоб­ разователей. Особое значение их характеристики приобретают в наносекундно.м диапазоне, где важны малые прямое сопротивление и обратная проводимость, быстродействие, проходная емкость и другие параметры ЗУ. В качестве ЗУ могут использоваться вакуумные и полупроводниковые диоды, кремниевые стабилитроны, а также катод­ ные и эмиттериые повторители, выполненные соответственно иа лам­ пах и транзисторах. Наибольшее распространение получили два типа ЗУ.

Вакуумные диоды. Зарядные устройства этого типа нашли ши­ рокое применение в преобразователях импульсных вольтметров микросекундного диапазона вследствие высокого обратного сопро­

в наиосекундиом диапазоне и связанные с ними требования. В наиосекундном диапазоне величина накопительного конденсатора преобразователя Спак составляет обычно несколько десятков пико­ фарад. В этих условиях скачок выходного напряжения в момент окончания измеряемого импульса, обусловленный проходной емко­ стью диода Сд, может достигать значительной величины {см. фор­

Гео. пуб.яич|Ця иаучно- технике-«s

одним из важных критериев применимости диода в ианосекундиом диапазоне.

Другим, не менее важным фактором является прямое сопротив­ ление диода Яд, от величины которого зависят постоянная времени диода Тд=ДдСд и постоянная времени заряда накопительного кон­ денсатора Тзпр= ЯдС„, а следовательно, и минимальная длитель­ ность преобразуемого импульса /и.ппп. Значение Яд определяют обычно на линейном участке аппроксимации вольт-ампериоп харак­ теристики диода, т. е. при 11я > 14-2 в.

Следующей важной характеристикой вакуумных диодов являет­ ся их резонансная частота /роз, величина которой при заданной про­ ходной емкости Сд определяется индуктивностью выводов диодов. С этим вопросом тесно связана также'задача согласования источни­ ка сигнала с преобразователем, которая решается оптимально встраиванием диода в коаксиальную пли полосковую линию. Такую возможность допускают металлостеклянные диоды с дисковыми и цилиндрическими выводами электродов. Краткие технические харак­ теристики некоторых из них приведены в табл. 2-1.

Таблица 2-1

Лучшими являются СВЧ измерительные диоды карандашного типа 0Д13Д и 6Д16Д, обладающие сравнительно малыми размерами и малыми значениями тд. Эти диоды имеют незначительные междуэлектродные расстояния и, как показывают теоретические и экспе­ риментальные исследования, не проявляют своей инерционности, обусловленной конечным временем пролета электрона между элек­ тродами при длительностях импульсов более 2—3 нсек.

Полупроводниковые диоды. Основное отличие полупроводнико­ вого диода от вакуумного заключается в большей крутизне его вольт-амперной характеристики на рабочем участке. Так, например, если типовое значение показателя при экспоненциальной аппрокси­ мации у вакуумных диодов составляет ?„=8— 10 1/в, то для полупро­ водниковых диодов эта величина находится в пределах 204-40 1/а [Л. 34, 41]. Обладая приблизительно на порядок меньшим прямым сопротивлением R, полупроводниковые диоды позволяют существен­ но уменьшить погрешности преобразования импульсов малой ампли­ туды и длительности. Важное достоинство полупроводниковых дио­ дов (малые размеры) позволяет значительно проще, чем в случае вакуумных диодов, осуществить коаксиальную или полосковую кон­ струкцию преобразователя. К недостаткам этих диодов следует от­ нести наличие тока обратной проводимости i0ор, уменьшающего ко­ эффициент расширения и время запоминания з РИ и ухудшающего линейность преобразования в АВП, а также большую, чем у вакуум­ ных диодов, проходную емкость Сд, к тому же зависящую от велн-

18

чины обратного напряжения. Существенное значение имеет также за­ висимость основных параметров, в особенности /0бр н X, от темпера­ туры окружающей среды.

При использовании полупроводниковых диодов для преобразова­ ния коротких импульсов особое значение приобретают и их импуль­ сные характеристики, так как при работе в режиме переключения диоды в определенной степени инерционны. Эта инерционность про­ является в конечном времени установления прямого и восстановле­ ния обратного сопротивления [Л. 41, 42], что приводит к увеличению погрешностей при заряде и запоминании. Эти характеристики опреде­ ляются временем восстановления тП0сст и зарядом переключения Qn [Л. 42] и для ряда диодов нормируются.

Среди многообразия диодов, выпускаемых промышленностью, наибольшего внимания заслуживают импульсные диоды, высокое быстродействие которых обеспечивается с помощью диффузионного легирования германия или кремния золотом. Основные характери­ стики некоторых из них приведены в табл. 2-2.

Таблица 2-2

Как видно из приведенных данных, диоды типа КД512А и КД514А наиболее полно удовлетворяют предъявленным требованиям. Особо следует отметить диоды КД514А, выполненные иа горячих «носителях» и не имеющие эффекта накопления неосновных носите­ лей заряда. Инерционность этих диодов определяется лишь величи­ ной электростатической емкости и временем пролета электронов через высокоомный слой кремния.

2-4. Метод преобразования импульсного напряжения в квазипостоянное

Принцип действия преобразователей импульсного на­ пряжения в квазипостоянное (в дальнейшем мы будем их называть расширителями импульсов РИ) основан на способности конденсатора сохранять некоторое время