Устройство для измерения токовых шумов резистивных структур Советский патент 1992 года по МПК G01R19/02 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для создания высокочувствительных приборов, применяемых для электрофлуктуационной диагностики.

Известны устройства, измеряющие уровни щума 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) щумов непроволочных сопротивлений, содержащее источники постоянного и переменного напряжений, последовательно подключенные к последовательно соединенным измеряемому резистору, разделительному трансформатору, широкополосному усилителю, детектору, синхродетектору, опорный канал котЪрого 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, ВТО 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

0 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 детектрр 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

0 соответствующими входами входного блока мостового типа, выход генератора высокой частоты соединен с опорным входом первого синхродетектора и первым входом управляемого ключа, выход которого через

5 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

0 выходом широкополосного усилителя, выход второго синхродетектора соединен с входами трех компараторов, выход первого компаратора соединен с управляющим входом управляющего ключа и первым входом

5 блока управления, другие входы которого соединены с соответствующими выходами второго и третьего компараторов, п выходов блока управления через блок ключей соединены с соответствующими п входами управ0 ляемогодекадногомагазина

сопротивлений, выход избирательного усилителя через первый синхродетектор соединен с входом блока регистрации.

На фиг. 1 приведена функциональная

5 схема предлагаемого устройства; на фиг. 24 - амплитудные характеристики компараторов; на фиг. 5 - врем,еннь(е диаграммы, поясняющие работу блока управления.

Устройство содержит генератор 1 низкой частоты, который через управляемый ключ 2 и сумматор 3, к второму входу которого подключен генератор 4 высокой частоты, подключен к входному блоку мостового типа 5, 8 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 частоты 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 т-ретий 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 балансиррвок. Блок управления 15 управляет работой блока 16 ключей, состояние которых определяют номинал резистора, вклюценного в перестраиваемое плечо мостового входного блока 5. Декадный магазин сопротивлений 17 пре,цставляет собой набор резисторов с номинальными сопротивлениями, соотносящимися между собой Б пределах одной декады как 1:2:4:8, которые коммутируются контактами геркоН08ЫХ реле. Если величина разбаланса входного мостового блока 5 велика, т.е. напряжение на выходе смнхродетектора 11 больше, чем пороговое напряжение первого компаратора 12 (см. фиг. 2), то блок управления 15 работает по следующему алгоритму. Допустим, что сопротивление измеряемого резистора больше, чем начальное установленное сопротивление декадного магазина сопротивлений 17. Блок управления 15 изменяет состояние блока 16 ключей так, что сопротивление декадного магазина сопротивлений 17 увеличивается на единицу старшего разряда. Если знак разбаланса вг.одного блока 5 не изменился, то блок .управления 15 изменяет.состояние блока 16 ключей так, что сопротивление декадного магазина сопротивлений опять увеличивается на единицу старшего разряда. Так будет до тех лор, пока после очере.цного увеличения сопротивления декадного магазина 17 на единицу старшего разряда не изменится знак разбаланса входного блока 5. Тогда блок управления 15 изменит состояние блока 16 ключей так, что сопротиЕпение декадного магазина сопротивлений 17 уменьшится на единицу старшего разряда, при этом опять сменится знак pi ;баланса входного блока 5. Теперь блок управления 15 изменит ростояние блока 16 ключей так, что сопротивление декадного магазина сопротивлений 17 увеличится на единицу разряда, меньшего старшего на единицу. Если знак разбаланса входного лока 5 не изменился, то блок управления 5 изменит состояние блока 16 ключей так, то сопротивление декадного магазина соротивлений 17 опять увеличится на единиу разряда, меньшего старшего на единицу, т.д. Такой режим работы блока управления 5 будет до тех пор, пока напряжение на ыходе синхродетектора 11 превышает пооговое напряжение первого компаратора 2. Как только напряжение на выходе синходетектора 11 станет меньше порогового апряжения первого компаратора 12, но ольше порогового напряжения второго омпаратора 13, тогда блок управления 15 втоматически переходит в режим точной алансировки и работает по следующему лгоритму. Блок управления 15 изменяет остояние блока 16 ключей так, что сопроивление декадного магазина сопротивлеий 17 увеличивается на единицу младшего азряда. Если напряжение на выходе синходетектора 11 при атом будет больше, чем ороговое напряжение второго компаратоpa 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 синхроде- 5 ектора 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 со- Ю противлении 17.

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

Блок управления 15 содержит тактовый генератор, который определяет частоту переключения ге рконовых реле в декадном магазине сопротивлений 17, которая может 20 достигать десятков и даже единиц сотен герц, десятичные реверсивные счетчики, число которых соответствует числу декад в декадном магазине сопротивлений 17. Прием выходные сигналы компараторов 12 и 25 13 определяют порядок счета, а выходной игнал компаратора 14 - направление счета.

Управляемый ключ 2 блокирует подачу модулирующего напряжения с частотой Fo до тех пор, пока блок управления 15 работа- 30 ет 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 35 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 вида40

UM(t) Uml(1 + Pot) + Um2 sinfot, где UM(t) - мгновенное значение модулирующего напряжения,

Umi - амплитудное значение модулирующего напряжения с частотой Ро,45

Ут2 - амплитудное значение модулирующего напряжения с частотой fo, причем Umi Um2, .

Выделенный во входном блоке 5 амплитудно-модулированный шумовой сигнал 50 усиливается широкополосным усилителем 6, детектируется в детекторе 7, далее в избирательном усилителе 8, настроенным на частоту модуляции Ро, осуществляется предварительная фильтрация,после чего от- 55 фильтрованная 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 целого 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, ВХО/1НОЙ 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 широкополосного малошум)ящего усилителя 6, при этом возможно выполнение условия Umi Um2.

Пороговое напряжение второго компаратора 13 выбирается экспериментально и равно напряжению на выходе синхродетектора 11, при которо,м 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

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 резисто)эа 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, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности и быстродействия измерения токовых шум.ов высокоомных резистивных структур, в него введены управляемый ключ, сумматор, генератор высокой частоты, два синхродетектора, три компаратора, блок управления, блок ключей, управляемый декадный магазин сопротивлений, выходы которогосоединены с соответствующими входами входного блока мостового типа, выход генератора низкой 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 управляемого .ключа и

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

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 резистий- ная 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/

i/5b/x.

Unop

Unop

OU8.2

%/x

h

- Ufjop Uf)Qp

Фиг.З

--Q % ШгЧ{Риг.5