Измеритель коэффициента нелинейности пилообразного напряжения

 

О П И С A Н И Е,>894607

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к звт. саид-ву (22) Заявлено 07 05«80 (2! ) 29 19548/18-:2 1 (51)М. Кл.

5 01 к 29/02 с присоелинеиием заявки М

Таоударетвенный комитет

СССР (23) Приоритет ао делам изобретений и открытий

Опубликовано 80. 12.8 1. Бюллетень М 48

Дата опубликования описания 01.01.82 (53) УДК621.317. . 35 1(088.8) (72) Авторы изобретения

E. M. Кузнецов и С. Г. Кузнецова

k

-«««

Омский политехнический институт (71) Заявитель (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ КОЭФФИЦИЕНТА НЕЛИНЕЙНОСТИ

ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к технике измерения параметров электрических импульсов, и может быть использовано для автоматического контроля нелинейности напряжения развертки в телевидении, а также цля контроля формы импульсов пилообразного напряжения (ПН), применяемого в других областях радиоэлек-. троники и в ядерной электронике.

Известно устройства аля измерения нелинейности ПН, в котором цля определения коэффициента нелинейности (КН) используется электроннолучевая трубка 13.

Недостатком устройства является низ15 кая точность и сложность процесса измерения.

Наиболее близко к предлагаемому устройство пля измерения нелинейности ПН, основанное на его дифференцировании, отИ личаюшееся малой труцоемкостью процесса измерений, непосредственным отсчетом ,значений и знака КН, возможность оперативного опрецеления этого параметра на любом выбранном участке ПН. Устройство содержит послецовательно включенные циффэренцируюшую емкость, усилт тета -ограничитель и буферный каскад, цва стробирующих каскаца, выполненных в вице последовательно соепнненных регулируемых временных задержек, попключенных к источнику синхроимпульсов, цвух формирователей стробимпульса и ключей, цва пиковых детектора, аналоговую схему вычи-. . тания, а также соециненные послецоватетв но пифференцируюшую цепь, пиковый цетек тор, интегратор с разрядным ключом, коммутируемым от источника тактовых импуль сов стабильной частоты, компаратор и источник опорного напряжения C2J .

Непостатки устройства заключаются во-первых, в том, что результат измерения

КН, через сложность выхопных импульсов компаратора зависит от напряжения огорного источника и параметров вспомогательного ПН, вырабатываемого интегратором (начального уровня ПН, крутизны, нелинейности периода повторения). Варя894607 вции укаэанных величин под действием температуры, влажности и других фактс . ров обусловливают погрешность измерения КН.. Нестабильность начального уров . ня вспомогательного ПН обусловлена дрейфами величин входного тока и ЭОС, смещения интегратора, а также в значительной мере токами утечки и абсорбцией его накопитед ной емкости. Влияние вбсорбционных явлений особенно существенно при быстром разряде накопительной емкости через ключ. Практика показывает, что при коммутации емкости 0,15 мкф через разрядный ключ в течение

10 мкс погрешность .определения КН за счет абсорбции у конденсатора типа

$78-П может достигать единиц процентов, Нестабильность крутизны ПН определяется в основном вариацией накопительной емкости. Погрешность от изменения емкости для перепада температуры в 300С величиной 2,5%. Нелинейность

ПН в случае применения высококачеси венных интегрирующих схем не превосходит сотых долей процента и ее влияние на результат измерения КН можно не учитывать. Что касается погрешности от вариаций напрюкения опорного источника и частоты следования тактовых импульсов, то при использовании термокомйенсированных стабилитронов и кварцевого генератора ее величина оказывается пренебре>кительно малой.

Во-вторых, результат измерения KH в известном устройстве представлен в виде уровня постоянного напряжения, т.е. в аналоговой форме, что затрудняет его оперативную регистрацию и запоминание на более или менее длительный промежуток времени, Применение аналого-цифрового преобразователя для организации цифрового отсчета нерационально, так как усложняет схему устройства и, кроме того, вносит дополнительную погрешность в определение КН.

B-третьих, устройство имеет большую инерционность. При длитепьности контро лируемого ПН 20 млс время установления одного показания составляет примерно 5 с. Низкое быстродействие обусловлено методом измерения КН, предполагающим эффективное сглаживание в узле импульсов напряжения, приходящих с выхоца ключа-модулятора, с целью выделения их постоянной составляющей. Можно считать; что постоянная времени демпфирующего устройства ин щкатора должна примерно в 500-700 раз превышать длитепьность вспомогатепьго ПН, формируемо50

SS и выход генератора тактовых импульсов через первый вентиль подключены к бжрк. ку управления, генератор импульсов образцовой частоты через второй вентиль соединен со счетным входом счетчика, выходы разрядов которого через регистр связаны с индикатором, в выход старшего разряда счетчика подсоединен к блоку управления, выходы которого попключего интегратором, т,е. составлять приблизительно 0,6-0,8 с, Цель изобретения - повышение точности, быстродействия и упрощение измерения КН.

Указанная цель достигается тем, что в измеритель коэффициента нелинейности пилоообразного напряжения, содержащий последовательно включенные дифференциг 0 руюшую емкость, усилитель-ограничитель и буферный каскад, два идентичных стробирующих KBcKBElB каждый из которых реализован в виде последовательно соединенных регулируемой временной задержки, подключенной к источнику синхроимпульсов, формирователя стробимпульса и ключа, связанного с выходом буферного каскада, два пиковых детектора, соединенных соответственно с выходами ключей, анвлоговую схему вычитания, входы которой подключены соответственно к выходам пиковых детекторов, интегратор, компарвтор, вход которого связан с выходом интегратора, индикатор, а также последовательно соединенные дифференцирующий элемент, и третий пиковый детектор, причем дифференцирующая емкость и дифференцирующий элемент подключены к измерительному входу прибора, введены два переключателя, двв вентиля, генератор тактовых импульсов и генератор импульсов образцовой частоты, схема временной задержки, аналоговый инвертор, счетчик, регистр, .третий формирователь и блок

ЗЗ управления, при этом второй вход компаратора связан с обшей шиной устройства, его BbrxoR соединен со схемой управления и через третий формировательс управляющим входом второго переключа40 теля, вход интегратора подключен к выходу первого переключателя, один из входов которого связан с выходом аналоговой схемы вычитания, а. другой - с выходом второго переключателя, один из вхо45 дов которого соединен с выходом инвертора, а другой - с его входом и с выходом третьего пикового детектора, вход схемы временной задержки подсоединеь к источнику синхроимдупьсов, а ее выход

894607 ны соответственно к управляющему входу первого переключателя, второму вентилю и к установочным входам счетчика и регистра..

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы поясняющие принцип его работы; на фиг. 3— вариант выполнения пиковых детекторов;

HB фиг. 4 - формы напряжений HB выходе интегратора 14 и формирователя 31.

Измеритель КН ПН содержит дифференцируюшую емкость 1, соединенную с усилителем-ограничителем 2, подключенным к буферному каскаду 3, два идентичных стробирующих каскада, первый из которых реализован в вице последс вательного соединения регулируемой временной задержки 4, формирователя 5 стробимпульсов и кшоча 6, второй - в виде последовательного соединения регулируемой временной задержки 7, формирователя 8 стробимпульсов и ключа 9

Входы временных задержек подключены к источнику синхроимпульса 0<, а входы ключей - к выходу буферного каскада

3. Кроме того, измеритель содержит два пиковых детектора 10 и 11, соединенных соответственно с выходами ключей, аналоговую схему 12 вычитания, входы которой подключены соответственно к выходам пиковых детекторов 10 и 11, а выход через первый переключатель 13 и интегратор 14 с зарядной цепью 15, 16 и усилителем 17 напряжения связан со входом компаратора 18,дифференцируюший элемент 19, третий пиковый детектор

20 и инвертор 21, соединенные последовательно, счетчик 22, регистр 23 и цифр ровой индикатор 24, включенные каскадно, элемент 25 временной задержки, генератор 26 тактовых импульсов, гене« ратор 27 импульсов образцовой частоты, второй переключатель 28, цва вентиля

29 и 30, третий формирователь 31 и блок 32 управления.

В схему варианта выполнения пиковых детекторов 10, 11 и 20 (фиг. 3) входят сравнивающий операционный усилитель ЗЗ, зарядный пиод 34, последовательно с которым включены зарядный транзистор 35 и запоминаюший конденсатор

36 соединенный своим первым выводом со входом повторителя 37 напряжения на операционном усилителе с пс левыми входными транзисторами, резистявный делитель 38, 39, защитный стабилитрон 40, выравнивающий резистор 41 и разрядная кнопка 42, В качестве заряпного транзистора 35 применяют кремниевый планарный триод

p-n- -р типа.

Устройство работает следующим образом.

В исхоцном состоянии входы устройства отключены от источников пилообразного U< и синхронизируюшего Ос напряжений. При этом ключи 6 и 9 ра-> зомкнуты, напряжения U и U соответственно на выходах аналоговой схемы 12 вы5

10 читания и дифференцирующего элемента

19 равны нулю. В g разрядах счетчика

22 в дополнительном коде записано некоторое целое число М, а разряды

1S с (1с+1) до старшего ориентированы в положении единицы. В пиковых детекторах

10, 11 и 20 разрядные кнопки 42 замкнуты, поэтому напряжения на выходах пикового детектора 20 и аналогового инвертора 2 1 соответственно равны U =

-80 млВ, U 80 млВ.

Одно из этих напряжений (например

0 ) через переключатели 28 и 13 воздействует на вход интегратора 14 и после интегрирования сравнивается компаратором 18 с нулевым напряжением. В момент срабатывания компаратора 18 формируется сигнал, который нормализуется

SO поэтому жестких требований не предъявляется.

В рабочем состоянии измерителя разрядные кнопки 42 у пиковых детекторов

10, 11 и 20 разомкнуты, à входы. устройства подключены соответственно к источникам пилоообразного 0 и синхронизируюшего 0 напряжений. До поступления сигналов0 и0 выходное напряжение ц

30 по амплитуде формирователем 3 1. Под действием импульса напряжения Q < (фиг.4) с выхода формирователя 31 срабатывает элемент 28, подключая к интегратору

14 напряжением =u<. При этом направ ление напряжения О„„меняется на обратное, 3S что привопит к новому срабатыванию компаратора 18 и переключателя 28 и т.д.

Следовательно, интегратор 14 находится в режиме релаксационных колеба ний, причем постоянная составляющая его

40 выходного напряжения 0.1 равна нулю, а

=:тиснения текущего значения напряжения

U от нулевого уровня не превышают по

И амплитуце зону нечувствительности (фиг. 4) компаратора 18, составляющую

43 единицу милливольт. Таким образом, в предлагаемом устройстве практически исключена погрешность измерения КН, обусловленная входным током и ЭДС смешения интегратора 14, к величинам которых

7 89 пикового детектора 20 остается равным . 80 млВ и интегратор 14 продолжает работать в релаксационном режиме, Благо ларя особенности схемы пикового детектора 20 (фиг. 3) этот режим может пода ржнваться достаточно долго. (Особенностью схемы на фиг. 3 являе я реализация зарядной цепи. Помимо зарядного диода 34, она содержит еще зарядный транзистор 35, включенный так, что потенциалы на базе и коллекторе триода в любой момент времени одина» ковы. Если зарядный диод 34 заперт, что имеет место при US =0,0, =80 млВ, то обратное напряжение выделяется в основном На этом диоде. Падение напряжения на выравнивающем резисторе 41 составляет единицы милливольт. Следовв» тельно, весь зарядный транзистор 35 представляет собой эквипотенциальную область, благодаря чему исключается путь разряаа запоминающей емкости 36 через зарядную цепь. Так как входное сопротивление повторителя 37 напряжения с полевыми транзисторами очень велико (10 -10 Ом), схема пикового аетекто Ь Ю рв 20 обеспечивает длитель»»ое хранение уровня напряжения Е, например, сотни минут, если конденсатор 36 типа К76-П имеет емкость 0,1 мкФ.

Работа измерителя может быть пояснена с помощью математических выражений. Так, с появлением первого синхрониэирующего импульса Ос. (фиг. 2) формируется ПН U, которое, пройдя дифференцирующую емкость 1, подводится к усилителю-ограничителю 2 в виде импульса тока с амплитудой

4607 8 ный процесс установления напряжения U4 на выходе аналоговой схемы 12 вычитания. К стабильности длительности За, жестких требований не предьявляется.

В момент времени „ (фиг. 2) сигнал с выхода регулируемой временной задержки 4 запускает формирователь 5.

Вырабатывается первый стробимпульс, и через ключ 6 проходит первая вырезка

10 импульса напряжения К», амплитуда которой 01запоминается пиковым детектором 10 в виде уровня постоянного напряжения. Если принебречь влиянием характеристик ключа 6 и принять равными едиis нице коэффициенты передачи узлов 3 и то уровень постоянного напряжения на выходе пикового аетектора 10 равен

20 где Un09 - уровень ограничения усилителя-ограничителя 2;

- величина, постоянная для данного усилите ля, Р,„- передаточное сопротивление. узла 2; — — производная ПН в момент вре0 мени Ь», .

При этом на выходе аналоговой схе30 мы 12 вычитания, имеющей коэффициент усиления разностного сигнала K устанавливается напряжение 0р, равное К» О .

В момент времени формируется второй стробимпульс, и через ключ 9 пропус35 кается вторая вырезка импульса напряжения, амплитуда которой

40 где С - величина дифференцирующей емкости 1.

Вершина импульса, содержащая информацию о6 изменении производной ПН, выделяется путем ограничения ародиффэренцированного сигнала сверху и преобразуется в импульс напряжения ц„°

Поступая на вход устройства, первый синхрониэирующий импульс О приводит в действие регулируемые временные задержки 4, 7 и элемент 25 временной задержки. Длительности „и t.l2 ðåãóëèðó- емых эааержек 4 и 7 устанавливаются плавно и независимо, что позволяет определить КН на любом выбранном учас»» 53 ке ПН. Длительностью, задержки 25 выбирается такой, чтобь» к моменту ее окончания полностью завершился перехоазапоминается пиковым детектором 11 в виде уровня постоянного напряжения. В уравнении (3) - производная ПН

ЙЦп сМ0 в момент времени е . На выходе аналоговой схемы 12 вычитания после завершения переходного процесса устанавливается напряжение пропорциональное разности производных у измеряемого ПН в моменты времени 1 и

ty, Длительность переходного процесса определяется инерционностью узла 12.

Величина К С< Я определяет чувствительность измерителя и может регулироваться путем ступенчатого изменения коэффициента передачи К.».

894607 10.

Поступая на цифференцируюший элемент

19 измерителя коэффициента нелинейности, пилообразное напряжение преобразуется этой целью в импульс напряжения 05 (фиг.2) максимальное знamemme которого фиксируется и запоминается третьим пиковым де» тектором 20. Запоминание экстремальной производной ПН осуществляется слецующим образом, С появлением отрицательного перепада напряжения J (фиг. 3) отпирается диод 34 и начинается зарядка конденсатора 36. В процессе заряда напряжение на емкости 36 отслеживает сигнал

Ug, поскольку этот процесс непрерывно контролируется сравнивающим усилителем

33, На инверсный вход которого поцается сигнал с выхоца пикового детектора

20. В момент, когца отрицательный импульс напряжения Ug достигает максимального значения, а затем начинает уменьшаться, процесс поцразряца конденсатора 36 прекращается, так как напряжение на сигнальном входе сравниваюше» го усилителя 33 становится меньше напряжения на его инверсном входе. В результате напряжение на выходе сравнивающего усилителя 33 изменяет свой знак на обратный, что привоцит к эапиранию циоаа 34. Таким образом, на выходе пикового детектора 20 уста- навливается постоянное напряжение 0 (фиг. 2), пропорциональное максимальному значению производной контролируемого ПН, U=КCi "1 (.,„, (5)

/ савв где - - наибольшее значение производной ПН; - емкость дифференцируюшего элемента 19;

Я - сопротивление этого элемента;

К » коэффициент передачи напряжения элемента 19.

Дальнейшее рассмотрение работы измерителя продолжим с момента окончания времени задержки щ,(фиг. 2).. Перепадом напряжения Оъс выхоца элемента 25 разблокируется вентиль 29, и импульсы напряжения Ugот тактового генератора 26 поступают на блок 32 управления. По первому же тактовому импульсу Ug блок

32 управления формирует на своих выходах два импульсных сигнала. Один иэ них ф разблокирует вентиль 30, и импульс

010образцовой частоты Ос Bblxoaa генератора 27 начинает заполнять счетчик

Ь 4

50 Q ($)i «д ю ф)

« «Rc90 а счетчик 22 процолжает заполняться импульсами U<> образцовой частоты f>, поступающими с выхода генератора 27. Че55

22, в k разрядах которого в дополнитель» ном коде хранится число Ц, а разряаы с (1с +1) ао старшего ориентированы в положение единица. Другой импульсный сигнал01 поступает на управляющий вход переключателя 13 (фиг. 1), в результате чего послепний подсоединяет вхоа ингратора 14 к выходу аналоговой схемы 12 вычитания. Поскольку перехоаный дроцесс установления напряжениями уже завершен, выходное напряжение 0„„интегратора 14 начинает изменяться по линейному закону (фиг. 4) ц, u««)= Ю

rae Я - сопротивление резистора 15; — емкость конденсатора 16.

Компаратор 18 сравнивает сигнал

V 1 (4 ) с нулевым уровнем. В момент срабатывания компаратора 18 перепац напряжения на его выходе через формирователь 31 воздействует на управляющий вход переключателя 28, и к выхоау последнего подсоединяется напряжение, полярность которого противоположна полярности напряжения Ug. Как видно из фиг.2, отрицательную полярность имеет постоянное напряжение Ug, образующееся на выходе пикового цетектора 20.

После заполнения счетчика 22 М им» цульсами образцовой частоты E все его разряды оказываются в единичном положе, нии. С приходом (%+1) сигнала, отделенного от тактового импульса 09(фиг. 2) временным интервалом Т„=М," 0, всэ разряды счетчика 22 обнуляются и отрицательный перепаа напряженияО на выходе его старшего разряда через блок 32 управления возвращает в исходное полакение переключатель 13. При этом ко вхощг интегратора 14 для компенсации аействня напряженияОд переключается напряжение Ug, Выходное напряжение интегратора 14 в момент времениТ4 равно

U p, 0„„(т„) = h (.()

О

Далее напряжение 011(4 ) изменяется по закону рез интервал времени Т =К/Я0(фиг. 2) напряжение на выходе интегратора 14 аостигает нуля, что фиксируется срабатыванием компаратора 18. По положнтель30

11 894607 12 ному перепаду его выхо нного напряжения табло индикатора 24 устанавливается ойе« блок 32 управления ферми формирует два им- ратором с помощью блока 32 управления. пульсных сигнала. цин из ни

О из них - отрица- Получаемый результат измерения не тельный перепад напряжения яжения U - закры- зависит от изменений периода повторения

30 и на счетчике 22 ока- 5 Т тактовых импульсов Vg, образцовой часвает вентиль, и на сче зывается зафиксированны фи анн |м цвоичный коц тоты 90 напряжения опорного источника и числа И, определяемого из го из условия от параметров вспомогательного ПН, вырабатываемого- интегратором 14. 3а счет

V 8 U р, применения двухтактового режима интегЬ !

О рирования исключается погрешность изог .2 o о мерения, обусловленная абссюбционными от уд отк да характеристиками и точками утечки нам- — 4 р. (9) копительной емкости 15 и улучшается noUg мехоустойчивость схемы. Все это позвойругим сигналом - импульсом напря

15 ляет получить в предлагаемом уст о длагаемом устройстве женив 0 1- разблокируется регистр 23 на более высокую точность измерения вре ля п, необходимое для уверенной переписи в него двоичного кода с выхода и большую чувствительность б ельность (разрешаюсчетчика 2. По окончании импульса, шую способность).

ырабатывает импульс

Устройство имеет олее высо о сброса 0 (фиг, 2) который, поступая на 20 р " установочный вход счетчи а ч ка 22 восст.а- Родействие. ак ви (ф . 2) аграмм (фиг., время установления понавливает его исходное состояние, подказания прибора не превышаетT + цд.

Устройство обеспечивает возможность запоминания и длительного хранения ре-.

Содержимое регистра 23 запоминается 2s зультата измерения в цифровой форме, и инаицируется в десятичном коде цифрочто имеет важное значение цля автомавым индикатором 24. Подстановка в (9) тиз ации к онтр оля управлений (4) и (5) дает следующее измерителя с ЭВМ выражение цля результата измерения, представленного значением числа

<"n

Формула из обре тения

101 .H=y,. „U, у о)

Измеритель коэффициента нелинейносДЛ mog ти пилообразного напряжения, содержаY,„„- t-.„„- „ щий последовательно включенные диффегде К= -Я.:- масштабный коэф к ср ренцируюшую емк ость, усилитель-огра» фициент, .определяемый параметрами схе- тель и б фе ный каскад, два стромы. Из (10) слецует, что показания циф- бируюших каскада, выполненных в виде ового индикатора 24 с точностью до мас- последовательно соединенных регулирурового инди ато а штабного коэффициента соответствует из- емых временных д р

40 в еменных заде жек, поцключен- меряемому КН, а при выборе коэффициен- ных к источнику синхроимпульсов, формитаК =100 индикатор 24 высвечивает не- рователей стробимпульса и ключей, свя- . посредственно в процентах значение коэф- занных с выхоцом буферного каскада, фициента нелинейности исследуемого участ- цва пиковых детектора, соединенных соотKà пилообразного напряжения Оп . Вели- "5 ветственно с выходами ключей, аналог а К, =100 может задаваться путем вы- вую схему вычитания, входы которой чина б а М которое заносит- подключены соответственно к выход а - ам бора значения числа ся в дополнительном коде в счетчик 22 пиковых детекторов, интегратор, компапри его предварительной установке. ратор, вхоц которого связан с выходом

По завершении интервала времени 7g 50 интегратора, индикатор, а также послеинтегратор г ато 14 вновь оказывается в режи- цовательно соединенные дифференцируюме релаксационных коле ани и к ебаний и его вы-, ший элемент и третий пиковый детектор, хоцное напряжение поддерживается на ну- причем дифференцирующая емкость и дифлевом уровне. ри появл

П появлении второго так- ференцируюший элемент подключены к тового импульса 09(фиг. 2) начинается >> измерительному входу прибора, о т л иочередной измерительный цикл и процесс ч а ю а и и с я тем, что, с целью повыработы предлагаемого уст о ства г устройства повто- щения точности, быстродействия и упрощеряется. Частота обновления показани б казаний на ния процесса измерения, в него введены

07 14 и выход генератора так» товых импульсов через первый вентиль поаключены к блоку управления, гене,а» тор импульсов образцовой частоты через торой вентиль соединен со счетяым sxo» дом счетчика, выходы последнего через егистр связаны с инаикатором, а выход таршего раэряаа счетчика подсоединен блоку управления, выхоаы которого опключены соответственно к управляюему вхопу первого переключателя, втоому вентилю и к установочным входам четчика и регистра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свиаетельство СССР

169678, кл. 9 01 29/04.

2. Авторское свиаетельство СССР о 742830, кл. $01% 29/02 (прото ип), 13 8946 цва переключателя,. цва вентиля, генератор TBKTOBblx импульсов и генератор импульсов, образцовой частоты, схема временной задержки, аналоговый инвертор, счетчик, регистр, третий формирователь и в блок управления, при этом второй вход компаратора связан с обшей, шиной уст- р ройства, его выход соецинен со схемой с управления и через третий формировательс управляюшим входом второго переключателя, вход интегратора подключен к ш выходу первого переключателя, оаин из P вхоаов которого связан с выходом. ана- с логовой схемы вычитания, а пругойс выхоцом второго переключателя, один иэ входов которого соединен с выхоцом аналогового инвертора, а пругой - с его Я вхоаом и с выходом третьего пикового детектора, вход схемы временной задержки поасоепинен к источнику синхроимпуль894607

Фиг.4

Составитель Л. Муранов

Редактор И. Михеева Техред Е.ХЙритончнк Корректор Л. Бакалеи

Заказ 11479/73 Тираж 735 Подписное

ВНИИ ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11303S, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/S

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4