Устройство для контроля динамических параметров компараторов
Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике. Цель - повышение достоверности контроля. Устройство содержит компаратор 1, потенциометр 2, микроамперметр 3, пороговый элемент 4, элемент ИЛИ-НЕ 5, триггер 6, генератор 7 импульсов, аналоговый ключ 8, частотомер 9, аналоговый ключ 10 с соответствующими связями. 1 з.п, ф-лы, 2 ил,
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 G 01 R 31/28
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Щ Р 1 (21) 4849749/21 (22) 09.07.90 (46) 30.09.92. Бюл. ¹ 36 (71) Производственное объединение "Квант" (72) Б.P.Èâàíîâ (56) 1. Измерение и контроль в микроэлектронике. Под ред. А.А.Сазонова. М.: Высшая школа, 1984, с. 267 — 269, рис. 9.7.
2. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации. Под ред. В.Б.Смолова. Л.:
Энергия, 1976, с. 101, рис. 3,23. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОМПАРАТОРОВ (57) Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике. Цель — повышение достоверности контроля, Устройство содержит компаратор 1, потенциометр
2, микроамперметр 3, пороговый элемент 4, элемент ИЛИ-HE 5, триггер 6, генератор 7 импульсов, аналоговый ключ 8, частотомер
9, аналоговый ключ 10 с соответствующими связями. 1 з.п, ф-лы, 2 ил, 1765792
Изобретение относится к области цифровой электроизмерительной техники и может быть использовано для исследования и контроля быстродействия микросхем компараторов, а также для регулировки динамических параметров микромощных компараторов, применяемых в интегрирующих вольтметрах и аналого-цифровых и реобразовател ях (АЦП) с частотным и временным преобразованием.
Известные устройства для измерения динамических параметров компараторов содержат клеммы для подключения объекта контроля, источники постоянного и ступенчато-изменяющегося напряжений и измерители интервалов времени (1), Достоверность контроля динамических параметров компараторов известными устройствами ограничена, во-первых, техническими трудностями измерения малых интервалов времени срабатывания компараторов; составляющих десятки наносекунд — единицы микросекунд, и, во-вторых, существенным отличием условий контроля от реальных режимов эксплуатации компараторов в составе интегрирующих частотных и временных преобразователей.
При контроле известными устройствами на входах компаратора формируется ступенчатое изменение разности двух напряжений, поэтому время срабатывания определяется суммой интервала времени выхода из насыщения входных каскадов компаратора и длительности фронта его выходного напряжения. В интегрирующих
АЦП на один из входов компаратора подается линейно-изменяющееся напряжение, поэтому входные каскады компаратора выходят из насыщения до момента равенства сравниваемых напряжений, вследствие чего динамические параметры зависят от ко.эффициента усиления, разрешающей способности и скорости нарастания напряжения компаратора.
Наиболее близким по технической сущности (и рототипом) является устройство для контроля динамических параметров компараторов, содержащее клеммы для подключения объекта контроля, одна из которых соединена с пороговым элементом, имеющим управляющий вход и прямой и инверсный выходы, первый и второй аналоговые ключи, выходы которых объединены и через резистор соединены с первым выводом конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине устройства, Кроме того, вход первого аналогового ключа соединен с источником напряжения положительной полярности (2), 5
15
Недостатком этого устройства является малая точность измерения динамических параметров компаратора, ограниченная влиянием температурного дрейфа напряжения смещения и шумовыми свойствами усилителей, через которые входы объекта контроля подключены к источникам сравниваемых напряжений.
Целью изобретения является повышение достоверности контроля динамических параметров компараторов.
Цель достигается тем, что в устройство, содержащее клеммы для подключения объекта контроля, пороговый элемент, имеющий управляющий вход и прямой и инверсный выходы, первый и второй аналоговые ключи, выходы которых объединены и через резистор подключены к первому выводу конденсатора, второй вывод которого
20 соединен с общей шиной устройства, а вход первого аналогового ключа соединен с источником напряжения положительной полярности, дополнительно введены генератор импульсов, частотомер и последова25 тельно соединенные потенциометр и микроамперметр, соединенный с общей шиной устройства, неинвертирующий вход объекта контроля соединен с первым выводом конденсатора, инвертирующий вход — с
30 источником регулируемого напряжения, а установочный вход объекта контроля подключен к одному из выводов потенциометра. Вход второго аналогового ключа соединен с источником напряжения отрица35 тельной полярности, а управляющие входы первого и второго аналоговых ключей соединены соответственно с прямым и инверсным выходами порогового элемента, управляющий вход которого подключен к
40 выходу генератора импульсов, Вход частотомера соединен с прямым выходом порогового элемента, Кроме того, пороговый элемент выполнен на двухвходовом логическом элементе
45 ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с D-входом триггера. Первый вход логического элемента ИЛИ-НЕ является входом порогового элемента, второй вход логического элемента ИЛИ-НЕ соединен с синхронизирующим
50 входом триггера и является управляющим входом порогового элемента, а выходы триггера используются в качестве прямого и инверсного выходов порогового элемента.
На фиг. 1 приведена структурная схема
55 устройства для контроля динамических параметров компараторов; на фиг,2 представлены временные диаграммы работы этого устройства.
Устройство содержит контролируемый компаратор 1, установочный вход которого
1765792 (т.е. вход, используемый для установки значения рабочего тока компаратора) через потенциометр 2 и микроамперметр 3 подключен к нулевой шине источника питания.
В ыход компаратора 1 соединен с информаци- 5 онным входом порогового элемента 4, содержащего двухвходовой логический элемент ИЛИ-НЕ 5 и триггер 6, а управляющий вход порогового элемента 4 подключен к выходу генератора импульсов 7, прямой 10 выход триггера 6 соединен с управляющим входом первого аналогового ключа 8 и входом частотомера 9, а инверсный выходтриггера 6 подключен к управляющему входу второго аналогового ключа 10. 15
На аналоговый вход ключа 8 подается положительное Uo, а на аналоговый вход ключа 10 — отрицательное напряжение Uo, Объединенные выходы ключей 8, 10 через интегрирующее RC-звено, содержащее ре- 20 зистор 11 и конденсатор 12, подключены к неинвертирующему входу компаратора 1, на инвертирующий вход которого подается регулируемое напряжение Usx.
Устройство работает следующим абра- 25 зом.
При включении питающего напряжения компаратор 1 устанавливается в исходное состояние, определяемое усиленной разностью его входных напряжений (U >z О»). На 30 инвертирующий вход компаратора подается напряжение U»>0, а напряжение U>z на конденсаторе 12 в начальный момент имеет нулевое значение, поэтому при большом коэффициенте усиления К » 1 компаратора 35 его входное напряжение U> =О. Напряжение 01 с выхода компаратора 1 поступает на пороговый элемент 4, стробируемый импульсами генератора 7. При напряжении U1»
0 на интервалах времени между импульса- 40 ми генератора 7 логический элемент ИЛИНЕ 5 срабатывает, и на его выходе форм и руется посл едовател ь ность импул ьсов, поступающих на D-вход триггера 6. Импульсы с выхода генератора 7 поступают 45 также на вход синхронизации триггера 6, стробируемого передними фронтами этих импульсов, При этом триггер 6 устанавливается в единичное логическое состояние, и на его прямом выходе появляется напря- 50 жение Ое, коммутирующее ключ 8, через который на интегрирующее RC-звено 11, 12 подается опорное напряжение Uo положительной полярности. Напряжение U>z на конденсаторе 12 увеличивается по экспо- 55 ненциальному закону с постоянной времени
T-R>).С, определяемой сопротивлением
R1< и емкостью С12 конденсатора 12. При повышении напряжения U U)2» Usx+ Ь0, превышающего напряжение 14 на порог срабатывания ЛU, компаратор 1 срабатывает, и его выходное напряжение U< начинает возрастать до порогового уровня срабатывания Unop5 логического элемента 5, При 01> 0дор5 элемент 5 прекращает формирование выходных импульсов независимо от наличия импульсов напряжения 0т генератора 7, триггер 6 устанавливается в нулевое логическое состояние. Ключ 8 размыкается, а ключ 10— замыкается, так как на его управляющем входе появляется сигнал единичного логического уровня, поступающий с инверсного выхода триггера 6. Через замкнутый ключ 10 на резистор 11 и конденсатор 12 подается опорное напряжение отрицательной полярности -Uo, вызывающее разряд емкости Си конденсатора 12. Когда напряжение на конденсаторе 12 становится меньше входного напряжения U», компаратор срабатывает и возвращается в исходное состояние, вызывая соответственно повторные срабатывания триггера 6, размыкающего ключ 8, Затем процесс повторяется. В установившемся режиме (фиг, 2) компаратор 1 работает в автоколебательном режиме, так как в предложенном устройстве контролируемый компаратор охвачен цепью импульсной отрицательной обратной связи через пороговый элемент 4, ключи 8, 10 и интегрирующую цепь 11, 12. При этом на выходах триггера 6 формируется последовательность импульсов, частота которых зависит от скорости нерезаряда емкости С конденсатора 12 и параметров исследуемого компаратора 1. Особенность практического использования компараторов в интегрирующих цифровых вольтметрах и АЦП с частотновременным преобразованием заключается в том, что они применяются для выделения моментов равенства линейно нарастающего или линейно спадающего напряжения постоянной крутизны с установленным уровнем. В частности, в интегрирующих АЦП с временным преобразованием компаратор служит для сравнения с нулевым уровнем (Usx=0) выходного напряжения и интегратора, имеющего постояйную времени T=const, на интервалах разряда интегрирующей емкости С стабильным напряжением «0о. Аналогичную функцию выполняет компаратор и в различных преобразователях напряжения в частоту. Вследствие этого для обеспечения высокой достоверности контроля динамических параметров предложенным способом в устройстве (рис, 1) следует устанавливать 1765792 8 аналогичную реальным условиям эксплуатации компаратора крутизну (Uo/Ò) нарастания напряжения U Быстродействие микромощных компараторов зависит от рабочего тока (тока по- 10 требления), при повышении которого уменьшается время задержки срабатывания. Для установки рабочего тока используют дополнительный установочный вход, на 15 который подают ток ly 2 (фиг. 1) lyCT — UllMT/RQ, поэтому регулировкой сопротивления Я потенциометра 2 20 обеспечивают изменение рабочего тока и, соответственно, динамических параметров компаратора в широком диапазоне, Требование к времени срабатывания tcp компараторов и интегрирующих АЦП on- 25 ределяется тактовой частотой fo, т.е, для обеспечения погрешности, не превышающей единицы младшего разряда АЦП, необходимо, чтобы компараторы успевали срабатывать не менее двух раз за один пе- 30 риод тактовой частоты: tcp 1/2fo Вследствие этого мин и мал ь но допустимое значение частоты срабатываний триггера 6 в устройстве (фиг. 1) необходимо выбирать аналогичным тактовой частоте fo АЦП 35 или интегрирующих вольтметров, в которых предполагается использование исследуемых компараторов. Изменение частоты срабатываний триггера 6 обеспечивается регулировкой рабо- 40 чего тока и, соответственно, динамических .параметров исследуемого компаратора 1, поэтому устанавливая, например, в начале процесса контроля максимальный рабочий ток исследуемого компаратора 1 (макси- 45 мальную частоту срабатываний триггера 6) и последовательно уменьшая рабочий ток компаратора, с помощью потенциометра 2 можно обеспечить минимально допустимое значение частоты fMl1H fo и, соответ- 50 ственно, максимально допустимое время срабатывания компаратора tap 1/2 мин при установленной крутизне (Uo/R>oC1<) напряжения на конденсаторе 12. Для измерения частоты срабатываний триггера 6 применен частотомер 9, а микроамперметр 3 используется для определения значения тока !уст, обеспечивающего необходимое быстродействие исследуемого компаратора 1. Стробирование логического элемента 5 и триггера 6 необходимо выполнять с частотой дискретизации Гд» мин, например, с частотои тд +Tow что позволяет существенно ослабить ее влияние на достоверность контроля. К достоинствам устройства относятся его широкие функциональные возможности. В частности, регулировка напряжения Usx на инвертирующем входе компаратора 1 позволяет оценить изменение динамических параметров исследуемого компаратора в диапазоне входных напряжений. Кроме того, регулируя рабочий ток компаратора с помощью потенциометра 2, можно исследовать зависимость динамических параметров от рабочего тока компаратора. Наряду с этим по скважности выходных импульсов триггера 6 можно судить об относительной несимметрии скоростей нарастания и спада выходного напряжения компаратора, т.е. скважность Q=2 будет только в случае равенства переднего и заднего фронтов выходных импульсов компаратора, а при Q>2 или 0< 2 длительность заднего фронта будет соответственно больше или меньше длительности переднего фронта выходных импульсов компаратора. При установке стабильных значений параметров R11, С и Uo в предложенном устройстве можно оценить разрешающую способность ЛU (зону нечувствительности) исследуемого компаратора при Uo>Uâx по соотношению Л U=Uotcp/t =Uo/(2R10C11f). Высокая точность устройства для контроля динамических параметров компараторов достигается за счет того, что в процессе исследований производится измерение частотного сигнала, и при установке длительности цикла Тц измерения частоты кратной среднему периоду помехи промышленной частоты 50 Гц (например, Тц=1 c) обеспечивается значительное ослабление влияния промышленных и высокочастотных помех на результат измерения даже в случаях исследования высокочувствительных компараторов. Кроме того, за счет установки интегрирующего RC-звена непосредственно на входе компаратора исключается влияние коммутационных помех, возникающих при срабатывании аналоговых ключей 8, 10 (фиг. 1), которые принципиально нельзя исключить в известных устройствах для контроля динамических параметров, использующих скачкообразное изменение сигнала на одном из входов компаратора. 1765792 Формирование входных сигналов, аналоговых или эквивалентных по форме рабочим сигналам компараторов в режиме их эксплуатации, позволяет значительно повысить достоверность контроля динамических 5 параметров компараторов при одновременной минимизации их потребляемой мощности. В предложенном устройстве логические элементы 5, 6 могут быть собраны на микро- 10 схемах К561ЛЕ5, К561ТМ2, а в качестве аналоговых ключей 8, 10 может быть применена микросхема К561КП2. В качестве генератора 7 может быть использован генератор импульсов Г5-54, в качестве частотомера 9 — 15 частотомер Ч3-54, а в качестве микроамперметра — цифровой измеритель постоянного тока Щ68009. Для формирования регулируемого U>< и опорных +Uo напряжений и в качестве ис- 20 точника питания устройства могут быть использованы блоки питания Б5-30, Потенциометр 2 — типа СП5-3, резистор 11— типа С2-29, а конденсатор 12 — типа К73П. Формула изобретения 1. Устройство для контроля динамических параметров компараторов, содержащее последовательно соединенные клеммы для подключения объекта контроля и поро- 30 говый элемент, содержащий управляющий вход, прямой и инверсный выходы, первый и второй аналоговые ключи, выходы которых объединены и подключены к первому выводу первого резистора, второй вывод ко- 35 торого подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, первый вход первого аналогового ключа соединен с источником напряжения положительной полярности, отл и ч а ю щее с я тем, что, с целью повышения достоверности контроля, в него введены генератор импульсов, частотомер, последовательно соединенные потенциометр и микроамперметр, соединенный с общей шиной устройства, неинвертирующий вход объекта контроля соединен с первым выводом конденсатора и вторым выводом первого резистора, а инвертирующий вход — с источником регулируемого напряжения, установочный вход — с одним из выводов потенциометра, первый вход второго аналогового ключа соединен с источником напряжения отрицательной полярности, а управляющие входы первого и второго аналоговых ключей соединены соответственно с прямым и инверсным выходами порогового элемента, а вход частотомера подключен к прямому выходу порогового элемента. 2, Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е еся тем, что пороговый элемент выполнен на двухвходовом логическом элементе ИЛИНЕ, выход которого соединен с D-входом триггера, причем первый вход элемен-,а ИЛИ-HE является входом порогового элемента, второй вход элемента ИЛИ-НЕ соединен с синхронизирующим входом триггера и является управляющим входом порогового элемента, а выходы триггера используются в качестве прямого и инверсного выходов порогового элемента. 1765792 4г Составитель Б. Иванов Техред М.Моргентал Корректор A Ворович Редактор Т. Шагова Заказ 3384 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101
