Способ измерения вольт-амперных характеристик двухполюсников Советский патент 1990 года по МПК G01R15/12 

Изобретение относится к технике измерения электрических величин и может быть использовано для измерения вольт-амперных характеристик . (ВАХ) нелинейных двухполюсников, например полупроводниковых, электронных, газоразрядных приборов, электрических зондов в плазме.

Цель изобретения - повышение точности измерения ВАХ.

Сущность способа заключается в том, что, кроме определения величин напряжений и токов исследуемого двухполюсника при задании одной из этих величин в виде дискретного ряда значений и измерения другой для каждого

значения заданной, при каждом измерении ВАХ исследуемого двухполюсника дополнительно измеряют ВАХ двух лонных резисторов различного сопротивления, при этом измерения всех трех ВАХ проводят при одинаковых значениях задаваемой величины.

Время измерения t всех трех ВАХ вы- выбирают ИЗ условия:

t (0,50,1),,

«f,w5

где tf , ,, максимально допустимые . относительные погрешнос ти напряжения и тока

о/.

т

d,,относительные величины дрейфов параметров аппаратуры задания (измерения) тока и напряжения за единицу времени. Для повышения точности в диапазоне токов и напряжений вплоть до их максимальных значений ,, и (кс противление первого резистора выбирают, равным /IMWKCДля уменьшения влияния выходного ропротивления г источника напряжения о величины заданной остаточной от- юсительной погрешности сопро- -ивление второго резистора R для Случая, когда задается напряжение, а измеряется, ток, выбирают из условия:

R, +

(fu(R.+r)

ти

R,R2

, (1

Для уменьшения влияния S измерителя тока до остаточной относительной cfj сопротивление второго выбирают из условия:

Абсолютные погрешности напряжения 4U., и тока Л., вычисляют по форму плам;

и

41п где I ..

RI RJ:

(I

R-z-R 1

In, R, -lyiiRi R,-R,

- in,-u.;

(з:

I - токи через первый и второй резистор при задаваемой величине напряжения U.

Ддтя случая, когда измеряется напряжение, а задается ток, проводимость второго резистора G выбирают из условия снижения влияния проводимости источника тока g до остаточной величины f-j по формуле

G , G 2 : G ,

(Gi+g)

g

(А)

где G - проводимость первого резистора.

В этом случае для уменьшения влияния нелинейно.сти измерит.еля напряжения Sy до заданной остаточной максимально допустимой величины Oj проводимость второго резистора. С выбирают из условия:

(1

JUL Sy-Л

-)

(5)

Абсолютные погрешности вычисляют по формулам:

(6)

и втором резисторах при токе 1.

Рассмотрим случай задания напряжения и измерения тока.

Пусть измерены ВАХ исследуемого двухполюсника и двух резисторов сопротивлением R и R в К точках и для каждой ВАХ известны К значений задаваемого напряжения U, ..., U, и К значений измеренного тока I.,...} ... 1,,. Время измерения выбрано с учетом тепловой постоянной времени аппаратуры таким, что температурные и временные дрейфы ее параметров можно не учитывать. Задаваемые значения напряжения и измеренные значения токов I отличаются от их истинных величин U р, и if на абсолютные погрешности ли,, и /II f,. Таким образом

U

п in

и.

h+ ли, ; + Л.

-п -п Для каждой точки ВАХ резисторов можно записать:

Um, +4Un,R,(lrt,,)

.,,4-л1„,

),

п (1 г где индексами 1 и 2 помечены величи-. ны, полученные соответственно для ВАХ первого и второго резисторов.

5

.Так как все три ВАХ измеряются при одинаковых напряжениях, то U

и,

,,

0

5

., Погрешности аи г, и 4U отли- , чаются только из-за влияния внутреннего сопротивления г .источника напряжения при переключении с первого резистора на второй в п-й точке ВАХ, Так как величина R, выбрана равной UAAOKC/TMCIKC. то R i должно быть больше R , что обеспечивает нормальную работу Измерителя тока во всем диапазоне напряжений.

Искомое приращение

du , и,.

(

где и , , и г( - напряжения соответственно на первом и вто

ром резисторе в п-й точке ВАХ,«

Ujj - напряжение холостого хода источника напряжения в этой точке БАХ.

Величина J приблизительно равна относительному изменению на- йряжения при изменении сопротивления нагрузки от R до R и обусловливает появление относительной погрешности J, вызванной конечным выходным сопротивлением источника напряжения

4Un

J1 ,- (,

XX

Учитывая, что R R ожно считать

«dxr

Rt-R.

U-- (RT+r) Из этого выражения находим cfb()

+ R, .

5892186

мой остаточной погрешности измерения тока. Если все три ВАК измерены за время, меньшее или равное найденному, можно считать, что 41 п, Повозникают

и 41

Мя

грешности dln hi™ из-за отклонения масштаба измерителя тока от заданной величины. Отклонение масштаба измерителя тока может быть ,л выражено относительной нелинейное -- i.M

с г

3 м

15 где I - измеренная вeличинa, i - входной ток , М - заданный масштаб измерения

тока.

Для измерителя тока, включающего 20 оконечное устройство индикации, которое учитывает весовые коэффициенты преобразования (например, шаг квантования, соответствук)щий единице младшего разряда) должно соблюдаться ус- 25 ловие М 1. Тогда нелинейность

Изобретение относится к способам измерения электрических величин и может быть использовано для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных двухполюсников, например, полупроводниковых, электронных, газоразрядных приборов, электрических зондов в плазме. Целью изобретения является повышение точности измерения ВАХ. Сущность способа заключается в том, что, кроме определения величин напряжений и токов исследуемого двухполюсника при задании одной из этих величин в виде дискретного ряда значений и измерения другой величины для каждого значения заданной, при каждом измерении ВАХ исследуемого двухполюсника дополнительно измеряют ВАХ двух эталонных резисторов различного сопротивления. При этом измерении всех трех ВАХ проводят при одинаковых значениях задаваемой величины. Время измерения для всех трех ВАХ выбирают по формуле, приведенной в описании изобретения.

Таким образом, если R отвечает приведенному выше условию, приравнивание ди к и„ приводит к остаточной относительной погрешности, меньшей чем Ру.

Погрешности 41 1 « можно представить в виде

41п,

IN

де 41

/ Ь.-.. ,

So.

41,

«а

-аддитивные состав- ляияцие абсолютных

погрешностей измерителя тока в п-й точке БАХ первого и второго резисторов;

-мультипликативные составляющие абсолютной погрешности 45 менением сопротивления от величины

к 2 до R , при напряжении U , равно di и,

измерителя тока в п-й точке БАХ первого и второго резисторов.

Погрешности 41,д 41 з- ваны смещением нуля измерителя тока вследствие неточной настройки, температурных и временных дрейфов параметров аппаратуры. Для каждого типа аппаратуры .теоретически или экспериментально можно определить время, за которое временной и температурный дрейф ее.параметров значительно меньше (например, в десять раз) допустиЬ

d I d i

Для каждого типа аппаратуры мо- жет быть найдено максимальное значение S , равное

J

-1

S т max I - 1 JMaKC I а 1

Далее по тексту нелинейность S,j означает максимальное значение этой ве- личины (индекс макс опускается).

Приращение тока di на входе измерителя приводит к погрешности J4i

приращения измеренной величины 41

d I d Г

/3 4 i di

- 1 41 - di.

Приращение тока 4i, вызванное из45 менением сопротивления от величины

SO

к 2 до R , при напряжении U , равно di и,

Обозначив 4R R,H учитывая, что , приблизительно равно I (с точностью до погрешности 4ln).

получают

5

41

4R

44i

4R

i R,-tdR

Величина 4di/If,, равна относительной погрешности, вызванной нелинейностью измерителя.(

Обозначив йЛi/Iл. ,. получают с/ о S

J J к.+лк:

Задаваясь величиной Л и знай величину S.J, можно определить допустимое значение Rj.

Учитывая, что i3R , из предыдущей формулы находят

R« - Следовательно, если выполнравенство

3

Rj R, (1 + q-zir),

-j : можно считать 41„, 41„.

41

Чш

П1

Такое допущение приводит к точной относительной погрешности измерения тока, не превьшающей величину j.

При вьтолнении указанных требова- НИИ к времени измерения и величинам сопротивлений R :,, R уравнения для ВАК резисторов принимают вид

Uh + 4Un R,(); и„ ли„ Е,().

Из этих уравнений находят

Л1.

R-j-R ,

RI .i.j, 3i..,11 R -R,

Таким образом, для каждого значения задаваемого напряжения может быт найдена абсолютная погрешность установки этого напряжения Uyi. Поскольку значения I „ и I „ перекрывают всю шкалу измеряемых токов j можно считать, что для 2К точек этой шкалы найдены абсолютные погрешности измерения тока.

Соотношения для случая задания тока и измерения напряжения получены аналогично с учетом инвариантности законов электротехники относительно одновременной замены напряжений токами и сопротивлений-прово- димостями.

Приведенный анализ показывает, чт при применении предлагаемого способа могут быть найдены, а следовательно, учтены, погрешности задания одной величины и измерения другой во многи

точках диапазона изменения этих величин, что приводит к повышению точности измерения ВАХ без повьш1ения точности аппаратуры.

Измерение ВАХ по способу производят в следующем порядке« По макси мальной величине задаваемого напряжения , измеряемого тока известному выходному сопротивлению г источника напряжения, максимальному значению относительной нелинейности S измерителя тока и задаваемым отстаточным относительным погрешностям «fi., tP-| напряжения и тока определяют сопротивления эталонных резисторов R и R

1 ллвкс MdKc

./1«

R , (1

R , +

f(;(Ri+r)

За время, исключающее влияние тепловых и временных дрейфов параметров аппаратуры, в любой последовательности измеряют ВАХ исследуемого двухполюсника и эталонных резисторов при одинаковых значениях напряжений.

Вычисляют абсолютные погрешности установки напряжения и измерения тока при измерении ВАХ резисторов по формулам

Корректируют значения токов резисторов

Ч кор 1п/ 1„ -ЬД1

а Kof

h s

h°.

Для каждого тока исследуемого двухполюсника I j g находят ток и з наборов 1„ , I-J, из условия миниму

ма величины для токов резистора R, К 2 для токов резистора R , в общем случае j S п.

Корректируют значения токов исследуемого двухполюсника

JH

кop где I

где Д1 f, - абсолютная погрешность измарания токов I ц , и Корректируют значения напряжений на исследуемом двухполюснике

и,,г(,)

- корректированное знаП о КОР

чение тока двухполюсника при напряжении U .

По.вычисленным значениям составляют таблицу для ВАХ исследуемого двухполюсника.

Для случая, когда задается ток, а измеряется напряжение, измерения производятся аналогично. Резисторы выбирают по формулам (4) и (5), абсолютные погрешности находят по формуле (6). С целью уменьшения влияния проводимости g источника тока до величины заданной остаточной относительной погрешности «/j при измерении напряжения и задании тока, проводимость второго резистора G выбирают из условия

з(с,+g)

g

Кроме того, с целью уменьшения влияния нелинейности S у измерителя напряжения до заданной остаточной от но.сительной величины при условиях оговоренных выше, провЪдимость G второго резистора выбирают из условия

и

G, G,

G

G,G,G,

(1 +

Абсолютные погрешности тока и напряжения для случая, оговоренно го выше, вычисляют по формулам C,Un,-GiUyi Gt- G,

dUr,

G,Gj

Gj-G,

(Un,

г

и.

п-г

напряжения на первом . и втором резисторе при токе I г..

Формула изобрет.ения

повышения точности измерений, при

каждом измерении вольт-амперньгх характеристик исследуемого двухполюсника дополнительно измеряют вольт-амперные характеристики каждого из двух

эталонных резисторов, измерения вольт- амперных характеристик проводят при тех же заданных фиксированных значениях напряжения, по результатам измерения вольт-амперных характеристик эталонных резисторов определяют абсолютные погрешности к результатам измерения вольт-амперных характерис- тик исследуемого двухполюсника, сопротивление первого эталонного резистора выбирают равным отношению мак- .симального задаваемого напряжений к максимальному току через исследуемый двухполюсник, а сопроти вление второго

эталонного резистора выбирают равным меньшему из значений, расчитанных по формулам

R,

J u(R.+r)2

R,

R. (1

где. R ,, R , 5

0

r

Jl,

5

Щ и Й

сопротивление первого и второго эталонных резисторов j

эквивалентное внутреннее сопротивление источника заданных фиксированных значений напряжения; заданные допустимые остаточные относительные погрешности по напряжению и току соответственноJ максимальная относительная нелинейность измерителя тока.

Способ ПОП.1, отличаю- с я тем, что абсолютные поS-. грешности 4U и Л1 вычисляют по 50 формулам

л тт

(inr.,)-Ur,

55

fi

Im R , - ,

где U - заданное значение напряжения из ряда фиксированных значенийJ

11

измеренные значения токов

1589218

соответственно через первый и второй эталонный ре12

зисторы при заданном значении напряжения U. п