Устройство для измерения токовых шумов резистивных структур

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и пpeднdзнaчeнo для создания высокочувствительных приборов,' применяемых для электрофлуктуационной диагностики. Цель изобретения - увеличение чувствительности и точности, а таКже быстродействия, измерения токовых шумов высокоомных резистивных структур за счетавтоматического поддержания баланса входного устройства в процессе измерения. Блок управления 15 совместно с компараторами 12-14 автоматически управляет блоком 16 ключей, который, в свою очередь, управляет декадным магазином сопротивлений 17, включеннь1м в перестраиваемое плечо входного блока 5 мостового типа, в одно из плеч которого включена резистийная структура. Кроме того, устройство содержит генератор 1 низкой частоты, управляемый ключ 2, сумматор 3, генератор 4 высокой частоты, широкополосный малошумящий усилитель 6, детектор 7, избирательный усилитель 8г два сийхродетектора 9, 11 и блок 10 регистрации. Компаратор 14 является нуль-индикатором, а компараторы 12,13 одинаковые и различаются величиной порогового напряжения. Блок 15 управления работает в двух режимах: точной и грубой балансировок. За Счет автоматической балансировки блока 5 возможно пропускание через измеряемый резистор такого модулирующего тока, который соответствует номинальной мощности рассеяния! 7 ил.fe±4^ СЛмONФиг/

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) {51)5 G 01 R 19/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ (21) 4758428/21 (22) 13.11.89 (46) 23.02.92. Бюл. М 7 (71) Казанский авиационный институт им.

А.Н.Туполева (72) В.А.Белавин и М.В,Демидович (53) 621.317.725(088.8) (56) Валитов P.À. и др. Методы измерения основных характеристик флуктуационных сигналов. Изд-во ХАИ, 1961.

Авторское свидетельство СССР

М 200632; кл. G 01 R 19/02, 1967.

Авторское свидетельство СССР

hL 251085, кл, G 01 R 19/02, 1966. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ TOKOBblX ШУМОВ РЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР (57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для создания высокочувствительных приборов, применяемых для электрофлуктуационной диагностики. Цель изобретения — увеличе- ние чувствительности и точности, а также быстродействия, измерения токовых шумов высокоомных резистивных структур за счет автоматического поддержания баланса входного устройства в процессе измерения, Блок управления 15 совместно с компараторами 12-14 автоматически управляет блоком 16 ключей, который, в свою очередь, управляет декадным магазином сопротивлений 17, включенным в перестраиваемое плечо входного блока 5 мостового типа, в одно из плеч которого включена резистивная структура. Кроме того, устройство содержит генератор 1 низкой частоты, управляемый ключ 2, сумматор 3, генератор

4 высокой частоты, широкополосный малошумящий усилитель 6, детектор 7, избирательный усилитель 8, два синхродетектора

9, 11 и блок 10 регистрации. Компаратор 14 является нуль-индикатором, а компараторы

12, 13 одинаковые и различаются величиной порогового напряжения. Блок 15 управления работает в двух режимах: точной и грубой балансировок. 3а счет автоматической балансировки блока 5 возможно пропускание через измеряемый резистор такого модулирующего тока, который соответствует номинальной мрщности рассеяния. 7 ил.

1714526

15

25

45

55

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для создания высокочувствительных приборов, применяемых для электрофлуктуационной диагностики, Известны устройства, измеряющие уровни шума резистора прямым, косвенным, компенсационным, корреляционным и модуляционным методами, Прямой и косвенный методы измерения обладают невысокой чувствительностью, а из оставшихся трех методов модуляционный является наиболее перспективным ввиду его высокой помехозащищенности и простоты аппаратурной реализации.

Известно устройство для измерения избыточных (трковых) шумов непроволочных сопротивлений, содержащее источники постоянного и переменного напряжений, последовательно подключенные к последовательно соединенным измеряемому резистору, разделительному трансформатору, широкополосному усилителю, детектору, синхродетектору, опорный канал которого соединен с источником переменного напряжения, и регистрирующему вольтметру.

К недостатку этого устройства относится применение входного устройства немостового типа, в котором, хотя и осуществляется бесконтактная модуляция токовых шумов измеряемого резистора, но не происходит их отделения от модулирующего напряжения, в то время как во входном устройстве мостового типа осуществляется бесконтактная балансовая модуляция измеряемых токовых шумов резистора, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее последовательно соединенные генератор низкой частоты, входное устройство мостового типа, в одно плечо которого включен измеряемый, а в другое плечо — проволочный резисторы, широкополосный малошумящий усилитель, детектор, избирательный усилитель и регистрирующий блок.

Однако в этом устройстве, во-первых, необходимо точно измерить номинал измеряемого резистора перед процессом измерения и вручную сбалансировать входное устройство мостового типа; во-вторых, в процессе измерения возможна разбалансировка входного устройства, например, из-за разных ТКС измеряемого и эталонных резисторов, что в конечном счете ограничивает предельную чувствительность и точность измерения, так как часть модулирующего напряжения попадает на вход широкополосного малошумящего усилителя, вызывая при этом смещение рабочей точки первого каскада и т.д.; указанный недостаток наиболее сильно проявляется при измерении высокоомных (более единиц кОм) резисторов; в-третьих, при использовании в качестве модулирующего сигнала синусоидального тока без постоянной составляющей происходит удвоение частоты огибающей токовых шумов, вследствие чего применено обычное детектирование отфильтрованной огибающей токовых, которое обладает низкой помехозащищенностью по сравнению с синхронным детектированием.

Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и быстродействия измерения токовых шумов высокоомных резистивных структур, Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор низкой частоты, входной блок мостового типа, выход которого соединен через последовательно соединенные широкополосный усилитель и детектор с входом избирательного усилителя, блок регистрации, введены управляемый ключ, сумматор, генератор высокой частоты, два синхродетектора, три компаратора, блок управления, блок ключей, управляемый декадный магазин сопротивления, выходы которого соединены с соответствующими входами входного блока мостового типа, выход генератора высокой частоты соединен с опорным входом первого синхродетектора и первым входом управляемого ключа, выход которого через сумматор соединен с входом входного блока мостового типа, выход генератора низкой частоты соединен с вторым входом сумматора и опорным входом второго синхродетектора, второй вход которого соединен с выходом широкополосного усилителя, выход второго синхродетектора соединен с входами трех компараторов, выход первого компаратора соединен с управляющим входом управляющего ключа и первым входом блока управления, другие входы которого соединены с соответствующими выходами второго и третьего компараторов, и выходов блока управления через блок ключей соединены с соответствующими и входами управляемого декадного магазина сопротивлений, выход избирательного усилителя через первый синхродетектор соединен с входом блока регистрации.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 24 — амплитудные характеристики компараторов; на фиг, 5 — временнь!е диаграммы, поясняющие работу блока управления.

Устройство содержит генератор 1 низкой частоты, который через управляемый ключ 2 и сумматор 3, !(второму входу которого подключен генератор 4 высокой частоты, подключен к входному блоку мостового типа 5, в одно плечо которого включен измеряемый резистор. Выход входного блока 5 через последовательно соединенные широкополосный малошумящий усилитель 6, детектор 7, избирательный усилитель 8 и второй синхродетектор 9 подключен к блоку регистрации 10. К выходу широкополосного. малошумящего усилителя 6 подключен также первый синхродетектор 11, к выходу которого подключены входы первого 12, второго 13 и третьего 14 компараторов, Причем выход первого компаратора 12 соединен с управляющим входом управляемого ключа 2 и с входом блока управления 15, к другим входам которого подключены выходы второго 13 и третьего 14 компараторов, Выходы блока управления 15 через блок 16 ключей соединены с управляющими входами декадного магазина сопротивлений 17, который включен в перестраиваемое плечо входного блока 5, Устройство работает слеДующим образом, В исходном состоянии управляемый ключ 2 разомкнут и на сумматор 3 подается сигнал только с генератора 4 высокой часто-. ты с частотой fo, который поступает на несбалансированный входной блок 5 мостового типа, После усиления в широкополосном усилителе 6 сигнал разбаланса подается на первый синхродетектор 11, причем амплитуда сигнала пропорциональна величине разбаланса, а фаза сигнала зависит от знака разбаланса. Выходной сигнал первого синхродетектора 11, который пропорционален величине разбаланса входного блока 5, а полярность этого сигнала зависит от знака разбаланса, подается соответственно на первый 12, второй 13 и третий 14 компараторы, амплитудные характеристики которых приведены соответственно на фиг, 2 — 4, причем третий компаратор

14 является нуль-индикатором, а первый и второй компараторы одинаковы и различаются только величиной порогового напряжения.

Выходные сигналы первого и второго компараторов определяют режим работы блока управления 15, который может работать в двух режимах: грубой и точной балансировок. Блок управления 15 управляет работой блока 16 ключей, состояние которых определяют номинал резистора, включенного в перестраиваемое плечо мостового входного блока 5. Декадный магазин сопротивлений 17 представляет собой набор резисторов с номинальными сопротивлениями, соотносящимися между собой a rп р е д,еerл!а >х : оoд нHоO!й > д е к:а д !ы как 1:2:4:8, которые коммутируются КоНТВКТВМН герконовых реле.

Если величина разбаланса входного мо5 стового блока 5 велика, т.е, напряжение на выходе синхродетектора 1 1 больше, чем пороговое напряжение первого компаратора

12 (см, фиг. 2), то блок управления 15 работает по следующему алгоритму, Допустим, 10 что сопротивление измеряемого резистора больше, чем начальное установленное сопротивление декадного магазина сопротивлений 17. Блок управления 15 изменяет состояние блока 16 ключей так, что сопро1:" тивление декадного магазина сопротивлений 17 увеличивается на единицу старшего, разряда, Если знак разбаланса входного блока 5 не изменился, то блок .управления

15 изменяет. состояние блока 16 ключей так, 20 что сопротивление декадного магазина сопротивлений опять увеличивается на единицу старшего разряда, Так будет до тех пор, пока после очередного увеличения сопротивления декадного

25 магазина 17 на единицу старшего разряда не изменится знак разбаланса входного блока 5. Тогда блок управления 15 изменит состояние блока 16 ключей так, что сопротивление декадного магазина сопротивле30 ний 17 уменьшится на единицу старшего разряда, при этом опять сменится знак о;:баланса входного блока 5, Теперь блок уг».равления 15 изменит состояние блока i6 ключей так, что сопротивление декадного

35 магазина сопротивлений 17 увеличится на единицу разряда, меньшего старшего на единицу. Если знак раэбаланса входного блока 5 не изменился, то блок управления

15 изменит состояние блока 1.6 ключей так, 40 что сопротивление декадного магазина сопротивлений t7 опять увеличится на единицу разряда, меньшего старшего на единицу, и т.д. Такой режим работы блока управления

15 будет до тех пор, пока напряжение на

45 выходе синхродетектора 11 превышает пороговое напряжение первого компаратора

12. Как только напряжение на выходе синх=родетектора 11 станет меньше порогового напряжения первого компаратора 12, но

50 больше порогового напряжения второго компаратора 13, тогда блок управления 15 автоматически переходит в режим точной балансировки и работает по следующему алгоритму, Блок управления 15 изменяет

I - состояние блока 16 ключей так, что сопротивление декадного магазина сопротивлений 17 увеличивается на единицу младшего разряда. Если напряжение на выходе синхродетектора 11 при этом будет больше, чем пороговое напряжение второго компарато1714526

7 ра 13, то блок управления 15 изменит состояние блока 16 ключей так, что сопротивление декадного магазина сопротивлений 17 опять увеличится на единицу младшего разряда и т.д. Так будет до тех пор, пока напряжение на выходе синхродетектора 11 не станет меньше порогового напряжения второго компаратора 13. При этом входной блок 5 будет сбалансирован с точностью не хуже +.0,5 номинала единицы младшего разряда декадного магазина сопротивлений 17.

Аналогично блок управления 15 работает в том случае, когда сопротивление измеряемого резистора меньше, чем начально установленное сопротивление декадного магазина сопротивлений 17.

Блок управления 15 содержит тактовый генератор, который определяет частоту переключения герконовых реле в декадном магазине сопротивлений 17, которая может достигать десятков и даже единиц сотен герц, десятичные реверсивные счетчики, число которых соответствует числу декад в декадном магазине сопротивлений 17. Причем выходные сигналы компараторов 12 и

13 определяют порядок счета, а выходной сигнал компаратора 14 — направление счета.

Управляемый ключ 2 блокирует подачу модулирующего напряжения с частотой Fo до тех пор, пока блок управления 15 работает. в режиме грубой балансировки. Это необходимо для того, чтобы не вывести из строя широкополосный усилитель 6 при подаче большого напряжения модуляции с частотой Fo на несбалансированный входной блок 5. Как только блок управления 15 переходит в режим точной балансировки, ключ 2 замыкается, и на входной блок 5 с выхода сумматора 3 подается модулирующее напряжение вида

UM(t) = Um1(1 + з!п2л Fot) + Um2 sinfot, где UM(t) — мгновенное значение модулирующего напряжения, Um> — амплитудное значение модулирующего напряжения с частотой Fo, Ut2 — амплитудное значение модулирующего напряжения с частотой fo, причем

Um1 » Um2, тО » Fo °

Выделенный во входном блоке 5 амплитудно-модулированный шумовой сигнал усиливается широкополосным усилителем

6, детектируется в детекторе 7, далее в избирательном усилителе 8, настроенным на частоту модуляции Fo, осуществляется предварительная фильтрация, после чего отфильтрованная огибающая токовых шумов подается на синхродетектор 9, в котором она преобразуется в сигнал постоянного тока и поступает на блок регистрации 10.

В процессе измерения возможна малая разбалансировка входного блока 5 из-за це, лого ряда причин, в том числе и из-за разных

ТКС измеряемого и эталонных резисторов, при которой напряжение на выходе первого синхродетектора 11 станет больше порогового напряжения второго компаратора 13.

При этом блок управления 15 работает в режиме точной балансировки и, таким образом, входной блок 5 всегда будет сбалансирован.

Наличие малого по величине сигнала на выходе широкополосного малошумящего усилителя 6 с частотой fo не влияет на процесс измерения, т.к. в измерительном тракте применено синхронное детектирование огибающей токовых шумов в синхродетекторе 9.

Для нормальной работы следящей системы достаточно, чтобы частота fo попадала в полосу пропускания f„- fg широкополосного малошумя щего усилителя 6, при этом возможно выполнение условия Um1 >? Um2., Пороговое напряжение второго компаратора 13 выбирается экспериментально и равно напряжению на выходе синхродетектора 11, при котором входной блок 5 разбалансирован на 0,5 единицы младшего разряда декадного магазина сопротивлений 17, а пороговое напряжение первого компаратора 12 на 2 порядка больше порогового напряжения второго компаратора 13.

При таком выборе пороговых напряжений компараторов весь процесс балансировки при частоте тактового генератора блока управления 15 порядка единиц сотен герц не превышает нескольких секунд, что значительно меньше времени измерения, определяемого постоянной времени второго синхродетектора 9.

Токовые шумы измеряемого резистора пропорциональны амплитуде модулирующего тока, поэтому желательно пропустить через измеряемый резистор такой ток (или подать такое модулирующее напряжение на входной блок), который соответствует номинальной мощности рассеяния измеряемого резистора, однако на практике при измерении высокоомных (более единиц кОм) резисторов из-за разбаланса входного блока не удается реализовать такой режим измерения, В предлагаемом устройстве за счет автоматической точной балансировки входного блока возможно пропускание через измеряемый резистор такого модулирующего тока, который соответствует номинальной мощности рассеяния, что и приводит к достижению предельной чувствительности

10

1714526

АОР и увеличению точности измерения токовых шумов высокоомных резисторов, Вследствие автоматической балансировки входного блока упрощается и ускоряется процесс измерения, так как исключается необходимость точного измерения номинала измеряемого резистора и ручной балансировки входного блока. Причем в предлагаемом устройстве для индикации номинала измеряемого резистора достаточно подключить к выходам блока управление через дешифратор цифровые индикаторы, что является дополнительным эксплуатационным удобством.

Формула изобретения

Устройство для измерения токовых шумов резистивных структур, содержащее генератор низкой частоты, входной блок мостового типа, выход которого соединен через последовательно соединенные широкополосный усилитель и детектор с входом избирательного усилителя, блок регистрации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности и быстродействия измерения токовых шумов

BblcoKooMHblx резистивных структур, в него введен ы уп равляем ый кл юч, сумматор, генератор высокой частоты, два синхродетектора, три компаратора, блок управления, блок ключей, управляемый декадный магазин сопротивлений, выходы которого соеди5 нены с соответствующими входами входного блока мостового типа, выход генератора низкой частоты соединен с опорным входом первого синхродетектора и первым входом управляемого ключа, выход которо10 го через сумматор соединен с входом входного блока мостового типа; выход генератора низкой частоты соединен с вторым входом сумматора и опорным входом второго синхродетектора, второй вход кото15 рого соединен с выходом широкополосного усилителя, выход второго синхродетектора соединен с входами трех компараторов, выход первого компаратора соединен с управляющим входом управляемого ключа и

20 первым входом блока управления, другие выходы которого соединены с соответствующими выходами второго и третьего компараторов, и выходов блока управления через блок ключей соединены- с соответствующи25 ми и входами управляемого декадного магазина сопротивленИй, выход избирательного усилителя через первый синхродетектор соединен с входом блока регистрации.

1714526

45

Составитель E.Êóù

Техред М.Моргентал

Редактор Т. Иванова

Корректор О. Кундрик

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 690 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5