Устройство для измерения коэффициента нелинейности пилообразного напряжения

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДИТИЛЬСТВУ

Союз Советских

Сециалистических

Республик (uj978077 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву(22) Заявлено 04.05.81 (21) 3283803/18-21

G 01 R 29/02 с присоединением заявки М—

Государственный комитет

СССР по делам изобретений. и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 30.1 1.82. Бюллетень М 44

Дата опубликованм» описания 30 ° 11.82 (33) УДК 621 ° 317 ° . 351 (088.8) (72) Авторы изобретения

Е.М. Кузнецов н С.Г, Кузнецова

1(;;

Ъ I

Омский политехнический институт (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

HEJIHHERHOCTH ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ь !

Изобретение относится к электро, иэмерительной технике и предназначено для измерения коэффициента нелинейности (КН) пилообразных напряжений (ПН) в широком диапаэОне частот повторения (от десятков Гц до сотен кГц) и может быть использовано при создании устройств для автоматического контроля параметров генераторов

ПН различного назначения.

Известно устройство измерения КН„ в котором КН измеряется на основе дифференцирования ПН. Измеритель прост в реализации, достаточно точен и высокочувствителен (разрешающая способность устройства 0,001%)(1).

Недостатком этого устройства является невозможность непосредственного отсчета значений и знака КН, отсутствие автоматизированных измерений КН °

Наиболее близким к предлагаемому является устройство измерения коэффициента нелинейности, содержащее дифференцирующяй каскад, ограничитель, буферный каскад, стробирующие каскады, в состав которых входят блоки регулируемых временных задержек, формирователи строб-импульсов и ключи - пиковые детекторы, аналоговый вычитающкй элемент, индикатор и канал преоб- З0 разования скорости нарастания пилообразного напряжения в скважность, включающий последовательно соединенные дифференцирующую цепь, пиковый детектор, интегратор с разрядным ключом, коммутируемым от генератора импульсов стабильной частоты и компаратор, один из .входов которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход связан с управляющим входом ключа-модулятора (2).

Недостатком такого устройства является сравнительно узкий диапазон частот повторения ПН, в пределах ко» торого обеспечивается определение ЦН с приемлемой точностью. Расширение верхней границы диапазона частот сдерживается динамическими параметрами ключей (временем перехода из закрытого состояния в открытое и время обратного перехода), которые работают в режиме переключения напряжения. Максимальная частота коммутации быстродействующих ключей яапряженин, реализуемых в настоящее время .на интегральных прерывателях, имеет порядок 10 Гц. ь

Она ограничивает минимальную возможную длительность импульсов вырезки t величиной (2-3) ° 10 о с. Во избежайие существенной неточности определения

978077

КН длительность прямого хода ПН должна в 20-30 раз превышать длительность импульсов вырезки, т ° е. быть не менее (40-90) ° 10 с. Следовательно, максимальная.частота повторения ПН (величина, обратная его длительности) лими- 5 тируется для прототипа значениями (12-25) ° 10 рц, которые не выходят эа границы диапазона звуковых частот.

Другим недостатком этого устройства является относительно малая чувст-i0 вительность в диапазоне температур.

Величина последней составляет примерно 0,1Ъ, что почти на два порядка ниже разрешающей способности известных устройств,,основанных на диффе- 15 ренцировании ПН. Опыт использования прибора показывает, что среди факторов, лимитирующих его чувствительность, важное значение (особенно при малой длительности ПН) имеют комму- 2() тационные помехи, возникающие в клю-, чах. Они образуются в моменты их переключения при прохождении фронтов строб-импульсов через формирователь стробов в цепь коммутируемого сигнала, через емкости р-о-переходов или затворов ключей. Амплитуда помех (вы- брос) может быть достаточно большой величины (десятки-сотни милливольт) и зависит от типа аналогового ключа, крутизны фронтов и амплитуды управляющих строб-импульсов, величины комму-. тируемого сигнала, входного сопротивления пиковых детекторов, от паразит« ных емкостей схемы.

Эти выбросы накладываются на вершины импульсов вырезки и воспринимаются пиковыми детекторами как полезный сигнал. Следует заметить, что сами по себе выбросы напряжения, ге- 40 нерируемые ключами могут быть скомпенсированы и непосредственно не влияют на чувствительность прибора. Однако нестабильность их амплитуды с течением времени, а также при измере»45 нии окружающей температуры и нестабильности управляющих строб-импульсов неизбежно вызывает погрешность выделения разности производных ПН в,близкие моменты времени, которая ограничивает разрешающую способность прибора, что приводит к появлению ошибки

КН. Величина этой ошибки может быть существенно уменьшена благодаря дифференциальной схеме включения ключей и пиковых детекторов. Тем не менее с уменьшением длительности контролируемого ПН эта ошибка увеличивается и на частотах повторения ПН более

10 кГц ее влияние на разрешающую способность прибора становится опреде4 ляющим.

Источником погрешности в приборе при измерении КН являются также неидентичность фронтов, амплитуд и длительностей строб-импульсов, выраба- 65 тываемых формирователями строб-импульсов. различия в крутизне, амплитуде и длительности строб-импульсов, отпирающих ключи„ создают дополни тельную погрешность определения КН, причем с уменьшением длительности- ПН величина этой погрешности монотонно увеличивается.

Цель изобретения — расширение диапазона частот измеряемых сигналов, повышение разрешающей способности и точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее диффе-, ренцирующий блок, связанный через ограничитель и буферный блок с объединенными входами двух ключей, два пиковых детектора, включенных каждый между выходом ключа в соответствующим входом аналогового вычитающего элемента, индикатор, соединенный через ключ модулятор с выходом аналогового вычитающего элемента, формирователь строб-импульсов, две регулируемые временные задержки, включенные входами к источнику синхроимпульсов, а также последовательно соединенные дифференцирующиф элемент, третий пиковый детектор, интегратор с разрядным ключом, коммутируемым от генератора импульсов фиксированной частоты и компаратор, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход связан с управляющим входом ключа-модулятора, причем дифференцирующий блок и дифференцирующий элемент подключены своими входами к измерительному входу устройства, снабжено тремя двухвходовыми элементами И-НЕ и триггером, счетный вход которого соединен с источником синхроимпульсов, каждый выход триггера подключен к первому входу соответствующего элемента И-НЕ и входу управления соответствующего ключа, выходы регулируемых временных задержек связаны со вторыми входами элементов

И-НЕ, выходы которых через третий элемент И-НЕ соединены с формирователем строб-имйульса, подключенным своим выходом к управляющему входу дифференцирующего блока, причем последний выполнен в виде переключателя ненасыщенного тока на двух транзисторах, объединенные эмиттеры которых через дифференцирующую емкость связаны со входом блока, через резисторс орицательным полюсом источника питания и через диод - с общим проводом, коллектор первого транзистора подключен к положительному полюсу источника питания, коллектор второго транзистора соединен с этим источником через резистор и является выходом блока, база первого транзистора является управляющим входом блока, база второго транзистора подключена к общему проводу, причем дифференци978077

10 рующий элемент выполнен в виде каскадного соединения дифференцирующей цепи и усилителя напряжения.

На фиг. 1 показана функциональная электрическая схема устройства; на фиг. 2 и 3 — временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства.

Устройство содержит дифференцирующий блок 1, состоящий из дифференцирующей емкости,,2, соединенной с переключателем ненасыщенного тока на транзисторах 3 н 4, эмиттеры которых объединены и связаны с диодом 5 и резистором 6, а коллектор транзистора 3 через резистор 7 подключен к положительному источнику питания. 15

Выход дифференцирующего блока 1 через ограничитель 8 и буферный блок

9 связан с объединенными входами двух ключей 10 и 11 напряжения, соединенных через пиковые детекторы 12 и 13 20 с соответствующими входами аналогового вычитающего элемента 14, подключенного через ключ-модулятор 15 к индикатору 16 ° Устройство содержит также два блока 17 и 18 регулируемых временных задержек, счетный триггер

19, два элемента И-HE 20 и 21, связанные через третий элемент И-HE 22 с формирова:елем 23, который а свою очередь соединен с управляющим входом дифференцирующего блока 1. Помимо названных узлов предлагаемое устройство содержит дифференцирующий элемент 24, состоящий из дифференцирующей цепи 25 и 26 и усилителя 27 напряжений, третий пиковый детектор

28, интегратор 29 с зарядной цепью

30 и 31 разрядным ключом 32, коммутируемым от генератора 33 импульсов фиксированной частоты и усилителем 3 напряжения, связанный с первым вхо- 40 дом компаратора 35, а также источник

36 опорного напряжения, подключенный к второму входу компаратора 35.

Устройство работает следующим образом. 45

В исходном состоянии входы устройства отключены от источников пилообразного и синхронизирующего U напря-, жений, При этом уровни напряжений

U узлов 17, 18 и 22 равны логическому 0, напряжения U, Оа элементов И-НЕ 20 и 21 имеют уровень логической 1, выходные напряжения

U „. U узлов 27, 28 и 29 равнй нулю. Триггер 19 находится в произвольном состоянии. Один из ключей (например, ключ 10) открыт потенциалом 1, поступающим с соответствующего выхода триггера 19. Другой ключ закрыт, т.е. не проводит ток. Формирователь строб-импульсов 23 находится в ждущем режиме. Его выходное напряжение U,,действующее на вход управления дйфференцирующего блока 1, равно +0,3 В. Напряжение на эмиттерах транзисторов 3 и 4 составляет -0,3 В

H cJla6o зависит от тока, протекающего через высокоомный резистор 6. Заметим, что величина этого тока определяет значение входного определения. транзисторов и выбирается из соображений обеспечения необходимой точности дифференцирования ПН. Смешение на эмиттерном переходе транзистора 3 равно 0 3 В, т.е. меньше порога его отпирания, вследствие чего транзистор фактически закрыт. Прямое смешение эмиттерного перехода транзистора 4 составляет 0,6 В. Поэтому транзистор

4 открыт, ненасытен и пропускает ток резистора 6. Ограничитель 8 фиксирует выходное напряжение дифференцирующего блока 1 на уровне П = Unop (фиг.2) °

Буферный блок 9 сдвигает уровень вы- ходного напряжения U8 относительно входного U на величину U и передает на выход без ослабления переменную составляющую напряжения U . Поэтому напряжения Ue, Uz и U 6 блоков

9, 14 и 15 в исходном состоянии равны нулю. Ключ-модулятор 15 открыт положительным потенциалом, поступающим с выхода компаратора 35.

В рабочем состоянии на измерительный вход устройства подается пилооб- разный сигнал 0„(фиг. 2), а на входы элементов 17,::18 и 19 с частотой повторения Т поступают импульсы синхро" низации Uz, управляющие также работой контролируемого генератора ПН.

Передние фронты синхроимпульсов переключают по счетному входу триггера

19, формирующего на своих выходах Q и Q две последовательности прямоугольных противофазных импульсных сигналов (фиг. 2) с периодом йовторения 2Тп.

Эти импульсы управляют состоянием элементов 10, 21 и 11,20, отпирая и запирая их поочередно, так, что в любой период ПН одни элементы (например 11 и 20) заблокированы, а другие (10 и 21) открыты для прохождения сигналов и наоборот. Задние фронты синхроимпульсов П, совпадающие с, началом прямого хода ПН, приводят в действие регулируемые блоки временных задержек 17 и 18 ° Последние вырабатывают положительные импульсы U1 и U2 (фиг. 2), длительности которых «„ и . отсчитйваемые от начала рабочего хода ПН, могут устанавливаться плавно и независимо, что позволяет определять КН на любом выбранном участке

ПН. Элементы 20 и 21 осуществляют временный отбор поступающих на их входы импульсов задержки. В зависи-. мости от состояния триггера 19 они инвертируют и пропускают на входы схемы И-НЕ 22 либо импульс ()„, либо импульс 0 ; Элемент 22 логически суммирует и йнвертирует поочередно приходящие на его входы нулевые уровни сигналов U и Uq. На выходе элемента

978077 формируются следующие друг за другом положительные импульсы U< длительностью „ и соответственно(фиг. 2), расположенные в соседних периодах ЙН.

Задние фронты импульсов запускают формирователь 23, вырабатывающий отрицательные строб-импульсы UI,(фиг.2): амплитудой 0,6 В, которые воздействуют на управляющий вход дифференцирую щего каскада.

Таким образом, в предлагаемом уст- 10 ройстве стробирующие сигналы в отличие от устройства-прототипа формируются одним элементом 23, а строб-импульсы, соответствующие задержкам t и t, разнесены в соседние периоды 15

ПН и полностью идентичны.по своим параметрам. Поэтому в предлагаемом устройстве полностью исключена погрешность измерения КН, обусловленная различием в параметрах строб-импульсов. Щ

Это способствует улучшению разрешаю- щей способности и точности устройства в диапазоне рабочих температур.

Пилообразное напряжение U> дифференцируется элементами 2 и 25, имеющими одинаковую емкость. С, и преобразуется ими в импульсы тока

BU

3""-С вЂ” . (4)

dt

Импульс тока, приходящий на эмиттеры транзисторов 3 и 4, полностью проходит в коллекторную цепь открытого ненасыщенного триода так же, как и ток резистора б. Состояние закрыто го транзистора 3 при этом не изменяется. Уровень напряжения Б1 на выходе ограничителя остается равным

Uua . С появлением в момент времени

1 строб-импульСа — 0,6 В потенциал .

4 общеэмиттерной точки транзисторов из 40 меняется от -0,3 В до -О,б В и транзисторы на время действия строб-импульса меняются ролями. В результате) ток 3, ранее замыкающийся в триод, переключается в открывшийся транзис- 45 тор 3 и повторяется в его коллекторной цепи. Вершина импульса тока, несущая информацию о значении производ ной ПН в момент времени й4, выделяет. ся ограничителем 8 и преобразуется SO в импульс напряжения U1 (фиг. 2), длительность которого равна длительности строб-импульса, а амплитуда

jgQ

U -„ СR. и А (2) 55

1z где R - величина сопротивления резистора 7;

A - постоянная величина, опре деляемая напряжением UuIIII

В следующий период ПН на выходе дифференцирующего каскада 1 формируется вырезка напряжения (фиг. 2) Оп ()1=Си "-Л (3)

65 отделенная от начала периода интерва- лом времени t> и пропорциональная значению производной ПН в момент времени t<. В последующие периоды ПН порядок чередования импульсов времени повторяется.

Из рассмотрения работы дифференцирующего блока 1 следует, что транзисторы 3 и 4 коммутируют поступающий на их эмиттеры ток Э не влияя на его величину. При этом оба триода работают без захода в область насыщения, включены по отношению к коммутируемому току по схеме с общей базой и управляются малыми перепадами +0 3 В.

За счет отмеченных особенностей быстродействие переключателя тока на транзисторах„3 и 4 существенно повышается. При этом минимальная длительность импульсов вырезки снижается в предлагаемом устройстВе до (0,2-0,3) ° 10 с, что позволяет расширить частотный диапазон контролируемых ПН в сторону верхних частот до (100-200) ° 10 Гц.

Преимуществом дифференцирующего блока 1 является также малый уровень

t коммутационных помех, наводимых им на импульсах вырезки. Это объясняется хорошей развязкой между управляющим входом и выходом каскада (транзисторы 3 и 4 по отношению к управляющему сигналу Пб заключены по каскадной схеме) а также малостью амплитуды управляющих строб-иьшульсов. К тому же, помехи на вырезках напряжения

U1 Й U>-при действии любых дестаби1 лизирующйх факторов совершенно идентичны по форме, амплитуде, длительности и потому полностью подавляются в аналоговом вычитающем узле 14 (фиг. 1). Погрешность измерения КН, вызванная влияниеМ коммутационных помех переключателя тока на транзисторах 3 и 4, исключается.

L Импульсные напряжения Uqz Пт„,, пропорциональные мгновенным значениям производной ПН, путем сдвига в буферном каскаде 9 на постоянную составляющую — Пп преобразуются в отрицательные импульсы ПЗ,. Пз -, (фиг. 2), котоz рые поступают на ключи 10 и 11. Последние действуют синхронно с элементами И-HE 20 и 21 и осуществляют временную селекцию сигналов Пз, U8I, расположенных в соседних периодах ПН.

В результате импульсы Пз., имеющие амплитуду (2), попадают йа пиковый детектор 12 (фиг. 1), а импульсы пЗ„с амплитудой (3) проходят на пиковый детектор 13. Отличительной особенностью ключей 10 и ll является то, что переброс их сигналами Q g (фиг. 2) производится в Момент окончания рабочего хода ПН и завершается в течение обратного хода пилообразного напряжения — интервала времени, где,продифференцированный импульс ПН не строби978077

10! 30„1 в п и =к-с.й

9 1 Дф. руется. В результате коммутац ::онные помехи ключей 10 и ll и иьиульсы вырезки 0з-, 0з,, превосходящие их по амплитуде, отделяются друг от друга и поступают на пиковые детекторы в разные моменты времени. Последние фиксируЮт амплитуду наибольшего из приходящих на их входы сигналов, т.е. амплитуду импульсов Ue и Ug соответственно.

Таким образом, в предлагаемом уст- )О ройстве исключается погрешность опре деления КН, обусловленная коммутационными помехами переключателя кенасыщенного тока на транзисторах 3 и 4 и помехами переключателя напряжения 15 ,на элементах 10 и ll. Это позволяет улучшить разрешающую способность и точность измерения КН, особенно на частотах повторения ПЙ более 10 кГц, а также в условиях меняющейся температуры окружающей среды. В устройстве ключи 10 и 11 выполняют функцию временных селекторов, поочередно и противофаэно находящихся в течение времени T„ s проводящем и непроводящем состоянии. Поэтому требования к быстродействию узлов 10 и 11 проявляются в 20-30 раз ниже.

Аналоговые сигналы с выходов пиковых детекторов 12 и 13, пройдя вычитающий элемент 14, преобразуются в напряжение (фиг. 2) пропорциональное разности мгновенных значений производной ПН в моменты времени,, и t<. Полярность напряжения 0 зависит от знака измеряемого

KH. Коэффициент K„- C-R задает чувст- 40 вительность-измерителя и может меняться путем ступенчатого измерения величины коэффициента передачи К1 узла 14.

Постоянное напряжение 0З apeo5pi- . 45 зуется ключом-модулятором 15 в однополярное импульсное Ugg (фиг ° 3) ° Его среднее значение U выделяется стрелочным индикатором 16, имеющим двустороннюю шкалу с нулем посередине. 5О

Сигналы, управляющие ключом-модулятором, вырабатываются последова тельно соединенными узлами 24, 28,29 и 35 следующим образом.

Усилитель 27 и резистор 26 преобразуют импульсы тока (1) в импульсы напряжения Uù (фиг. 2). На входе усилителя включен фиксатор уровня для устранения погрешности преобразования от накопления постоянного напряжения на днфференцирующей емкости 25. Пиковое значение импульсов U„o фиксируется детектором 28 в виде уровня постоянного напряжения 0 (фиг. 2), пропорционального максимальному значению производной контролируемого ПН где К - коэффициент усиления элемен2 та 27;

R< — сопротивление резистора 26. интегратор 29 преобразует постойнное напряжение U в пилообразное U® (фиг. 3) (д0 1

М"- с.а 1ж 1

„повторяющееся с частотой f = 1 кГц следования разрядных импульсов 0 (фиг. 3), формируемых генератором 33 стабильной частоты. B уравненйи. (6)

С„ - емкость конденсатора 31) R3сопротивление резистора 30. Компара" тор 35 сравнивает пилообразное напряжение 0 > с опорным U îò источника

36 и вырабатывает прямоугольные им-, пульсы 01, управляющие прово) имостью ключа-модулятора 15. При этом íà sxoде индикатора 16 выделяются однополярные импульсы напряжения (фиг. 3) с частотой повторения 1 кГц, длитель" ностью

ОГ 1 З, Р)

4= < с -. й, (а Ъ1 gg!топ и амплитудой (4), равной величине .напряжения 0 . Индикатор 16 реагирует на их среднее значение которое, как видно из (8), пропорционально KH между точками ПН, соответ-, ствующими положению импульсов вырезки, причем коэффициент пропорциональности

К1 Р1 Ооп.С1.РЬ т определяющий чувствительность всего устройства, является величиной постоянной, не зависящей от параметров контролируемого ПН значений дифференцирующих емкостей 2,25 (фиг. 1).

Таким образом, предлагаемый измеритель обеспечивает непосредственный отсчет значений и знака КН на любом выбранном участке IIH, В измерителе обеспечиваетсЯ эффективное подавление шумовой составляющей контролируемого IIH, Для этого дифференцирующий каскад 1 переведен в режим малых токов, вырезки продифференцированного сигнала повторяются

978077

12 с частотой следования импульсов ПЙ, информация о разности производных ПН накапливается на пиковых детекторах

12 и f3 постепенно, индикация КН осуществляется путем усреднения импульсов Б, интегратор 29 производит трансформацию временного масштаба ПН.

Формула изобретения

1 ° Устройство для измерения коэффициента нелинейности пилообразного напряжения, содержащее дифференцирую.щий блок, связанный через усилительограничитель и,буферный блок с объединенными входами двух ключей, два пиковых детектора, включенных каждый между выходом ключа и соответствующим входом аналогового вычитающего элемента, индикатор, соединенный через ключ-модулятор с выходом аналогового вычитающего элемента, формирователь строб-импульсов, два блока регулируемых временных задержек, подключенные входами к,источнику синхроимпульсов, а также последовательно соединенные, дифференцирующий элемент, третий пиковый детектор, интегратор, компаратор, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход связан с управляющим входом ключа-модулятора, причем дифференцирующий блок и дифференцирующий элемент подключены своими входами к измерительному входу устройства, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности . и точности измерений, оно снабжено тремя двухвходовыми элементами И-НЕ и триггером, счетный вход которого. соединен с источником синхроимпульсов

t каждый выход триггера подключен к первому входу соответствуюшего элемента И-НЕ и входу управления соответствующего ключа, выходы регулируемых временных задержек связаны с вторыми. входами элементов И-НЕ, выходы которых через третий элемент И-НЕ соединены с формирователем строб-импульса, подключенным своим выходом к управляющему входу дифференцирующего блока.

2. Устройство по п. 1, о т л ичающее с я тем, что, с целью расширения диапазона частот измеряемых напряжений, дифференцирующий 5лок выполнен на основе переключателя ненасыщенного тока на двух транзисторах, объединенные эмиттеры которых через дифференцирующую емкость связаны с входами блока, через резистор - с отрицательным полюсом источника питания и через диод - с общим проводом, коллектор первого транзистора подключен к положительному полюсу источника питания, коллектор второго транзистора .соединен с этим источником через резистор и является выходом блока, база. первого транзистора является управляющим входом блока, а база второго транзистора подключена к общему проводу, дифференцирующий элемент выполнен в виде каскадного соединения дифференцирующей цепи и усилителя -напряжения. источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Измерительная техника, 1974, Р 9, с. 74-76.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 742830 кл. G 01 R 29/02, 1978. (прототип).

978077

Фиг.2

ВНИИПИ Заказ 9209/61 Тираж 717 Подписное

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

5r

Ujz у 1.

1 uqq u . 1