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

Можно показать [Л. 54], что если Rn^ 3 Мом, а

^ 1 б, то значение коэффициента передачи Д'о— И. При этом величина б/Со< ОД % и результирующая погреш­ ность бКр в основном определяется значением бМ. Что­ бы обеспечить бМ ^-—1%, необходимо выполнить усло­ вие Си/Сдо]>45, что следует из выражения (2-47). Уве­ личение Сп ограничено допустимым значением 5Дзар, поэтому для повышения линейности амплитудной харак­ теристики следует выбирать диоды с малой проходной емкостью.

Рассмотрим далее разрядные характеристики преоб­ разователей. Аппроксимация обратной ветви вольтамперной характеристики функцией (2-32) при анализе разрядных характеристик РИ в случае использования импульсных диодов не позволяет получить достаточную точность расчетов, так как у быстродействующих крем­ ниевых и германиевых диодов в обратном токе превали­ рует ток термогенерации, зависящий от U0бР [Л. 41]. Для

Коэффициент а определяется типом диода и окру­ жающей температурой. При комнатной температуре для кремниевых и германиевых диодов а не превышает зна­ чений 10-7 ав-1/3 и 10-4 ав~113 соответственно. Например, для диодов КД503Б а= 0,013 мка-в~т, для Д311—а = = 2 2 мка-в~Чг (получено по вольт-амперным характери­ стикам диодов).

В РИ ток £0бр влияет на скорость разряда С„ и ухуд­ шает характеристики запоминания.

Если погрешность запоминания |б£/зп|<0,1, то время

в основном определяется величиной тока /до и значени­ ем коэффициента а, так как составляющая разрядного тока UmBbix/Rn относительно мала.

Для того чтобы время запоминания Гзп было ста­ бильно и мало зависело от тока термогенерации [функ­ ция (2-48)] необходимо выполнить условие /до>Ц>бр.

50

а, а следовательно, и погрешностей у преобразователей на диоде КД503Б составляет 60%- Столь сильная4 зави­ симость тока г'оср от температуры требует выполнения условий (2-50) и (2-52) при максимальной рабочей тем­ пературе. Указанные замечания справедливы при исполь­

зовании в преобразователях

к тому, что при обратном переключении диода из про­ водящего состояния в запертое на участке спада сигнала через диод протекает импульсный ток обратной поляр­ ности, снимающий часть заряда с накопительного кон­

циент, определяемый структурой диода и режимом пере­

52

В ряде работ рассмотрены методы определения на­ копленного заряда. Например, в [Л. 40] приводится фор­ мула

Q M = *л(/д2)Тэфф ,

где t4(/„)— прямой ток, протекающий через диод непо­ средственно перед моментом запирания; Тэфф— эффек­ тивное время жизни неосновных носителей заряда.

Для случая ^и^ Т эфф И. С. Крашенинниковым дается формула

Q n ( ^ i ) = tд ( ^ц) Тэфф.

Им же в [Л. 39] приводится выражение

учитывающее зарядную погрешность ДДзар безынер­ ционного диода и его температурный потенциал ср*.

В .наносекундном диапазоне, когда длительность импульсов соизмерима с тЭфф, приведенные выше форму­ лы дают значительные погрешности при расчете.

Наиболее существенные результаты при оценке инер­ ционных параметров диодов были получены Д. Ю. Эйдукасом на основе метода заряда и решения диффузионно­ дрейфового уравнения

< 2 - 5 4 >

На основе этого же метода с учетом выражения (2-34) можно найти погрешность из-за инерционности ДUnn в диодно-конденсаторном накопителе. После подстанов­ ки в уравнение (2-54) значения in(t„), имея в виду (2-53), получим, при

53

Ф(А^/зар) = E i(x )—E i(xc)\

Ei — интегральная показательная функция. Приведенные ранее выражения позволяют оценить

погрешность преобразования, возникающую из-за инер­

54

оценке общей погрешности ее суммируют с зарядной ito* грешностью A U зар и относительную погрешность при за­ ряде рассчитывают как

Г л а в а т р е т ь я

Методы снижения погрешностей и повышения быстродействия преобразователей

3-1. Вводные замечания

Погрешности преобразования напряжения одиночных импульсов определяются погрешностями, возникающими в процессе накопления и преобразования информации о максимальном значении напряже­ ния. В области малых напряжений и длительностей импульсов наког пительные погрешности, возникающие из-за инерционности и нелиней­ ности накопительных устройств, являются доминирующими. Для их уменьшения применяются рассмотренные выше быстродействующие импульсные полупроводниковые диоды, обладающие высокой прово­ димостью, малыми инерционностью и нелинейностью. Использование систем ускорения заряда накопительного конденсатора и методов двухканального преобразования позволяет существенно уменьшить

образователей [Л. 55, 57, 59]. Одним из путей уменьшения длитель­ ности преобразуемых импульсов является метод преобразования одиночного сигнала в квазипоследовательность (Л. 29, 30, 60].

Интегральные методы преобразования, позволяющие получить информацию об обобщенных параметрах импульса, в том числе и об амплитуде, направлены главным образом на разрешение трудностей, возникающих при измерении ианосекундных импульсов в милливольтовом диапазоне напряжений. Эти методы подробно рассмотрены в работах М. И. Грязнова {Л. 34, 37, 38].

Существенное влияние на погрешность измерения напряжения оказывают переходные характеристики тракта передачи сигнала и методы согласования тракта передачи с преобразователями '[Л. 31, 61].

В процессе преобразования информации об амплитуде импульса основные вопросы связаны с задачами увеличения коэффициента пре­ образования в АВП и коэффициента расширения в РИ при обеспе­ чении достаточной широкодиапазонности и малой погрешности преоб­ разователей. В РИ с этой целью применяют системы с отрицатель­ ными и положительными обратными связями, а также двухканаль­ ные методы преобразования [Л. 34]. Для уменьшения погрешностей АВП используют различные способы, устраняющие влияние формы сигналов на процесс преобразования в аналог. Одним из наиболее эффективных является метод двухканального построения АВП. Из

55

перечисленных выше вопросов в этой главе будут рассмотрена вопросы широкополосное™ п согласования тракта передачи сигна­ лов, методы построения преобразователен с использованием систем ускорения заряда, коммутации тока, преобразования одиночного сигнала в квазипоследовательность н дифференциально-интегральный метод. В заключение рассмотрены некоторые вопросы преобразова­ ния в аналог. Двухканальнын метод преобразования, обладающий рядом специфических особенностей, рассматривается в главе IV.

3-2. Вопросы широкополосности и согласований тракта передачи сигналов

Точность измерения напряжения одиночных импульсов существенно зависит от погрешностей, вносимых в сиг­ нал при его прохождении по тракту: генератор — линия передачи — входная цепь преобразователя — собственно преобразователь. В линии передачи сигналов или во входной цепи может находиться усилитель (случай ма­ лого сигнала), амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики которого также будут вносить искаже­ ния в измерения. Особое значение характеристики тракта передачи имеют при преобразовании импульсных сиг­ налов наносекундного диапазона. Для преобразователей импульсного напряжения эти характеристики следует рассматривать прежде всего с точки зрения погрешности передачи информации о максимальном значении сигна­ ла Um. При этом следует учитывать, что требуемое вре­ мя установления переходной характеристики tyCT и соот­ ветственно полоса пропускания зависят от формы сиг­ нала.

Решение этого вопроса по заданной погрешности пе­ редачи бU для различных по форме моделей входных сиг­ налов с помощью интегрального преобразования Фурье представляет значительные трудности.

Рассмотрим вначале вопросы передачи сигналов че­ рез усилитель или входную цепь преобразователя, аппроксимируя их Характеристики, характеристиками инерционного звена, переходная функция которого опи­ сывается выражением

___t_ h(t) = Kp (l — е V ) ,

где Туе — постоянная времени; К р— коэффициент пере­ дачи.

Тогда при входном сигнале

56

погрешность бU будет равна:

для линейно нарастающего импульса z(t)= t/'ta при Ог^<Г/и

___^и_ 8t/= ^ - ( l - е т*«);

для треугольного импульса

для линейно спадающего импульса

6 (t) = 1 — /- при 0 < t < t B Ml

8 t / = ^ l n ( 1 + -^-У

t „ \ 1 tyo /

Для некоторых функций е (0 выразить 6Д аналити­ чески не представляется возможным. В таком случае по­ грешность определяется путем последовательных приб­ лижений с использованием формул, описывающих вход­ ное и выходное напряжения.

В частности, для синусоидального e(t)= sin -p -t и коло- *П

57

необходимую постоянную времени тус при заданной по­ грешности бU (рис. 3-1). Предполагая фазовую харак-

теристику линейной и зная величину тус, несложно най­ ти время накопления Т„ак и требуемое значение верхней граничной частоты /в.г

при которых при заданной длительности импульса по­ грешность передачи не превосходит допустимого зна­ чения.

Графики показывают, что наиболее широкая полоса пропускания необходима для передачи линейно спадаю­ щего импульса. Так, для передачи максимального напря­ жения линейно спадающего импульса с погрешностью 5% при t\\——1 нсек (по основанию) необходимо обеспе­ чить /в.г= 14 Ггц, а для колоколообразного и прямо-

58

угольного импульсов той же длительности соответствен­ но 2,2 Ггц и 480 Мгц.

Если, например, /в.г= 4 8 0 Мгц, то длительности ко­ локолообразного и линейно спадающего импульсов при 6Н = 5% должны превышать 4,5 и 30 нсек соответст­ венно.

Отметим, что более жесткие требования к погрешнос­ ти приводят к увеличению /в.г- При этом разница в fB.r для различных форм импульсов увеличивается.

Для оценки влияния ограничения полосы пропуска­ ния в области низких частот fu предположим, что амплитудно- и фазочастотная характеристики (АЧХ и ФЧХ) тракта имеют вид:

О при 0 < / < / и

(3-2)

.1 при /u< f < со,

?(/) = о,

где /н— нижняя граничная частота полосы пропускания, а входной сигнал описывается ступенчатой функцией

В этом случае, используя интеграл Фурье, можно по­ казать, что выходное напряжение изменяется по закону интегрального синуса:

59