Измеритель нелинейности импульсовпилООбРАзНОгО НАпРяжЕНия Советский патент 1981 года по МПК G01R29/02 

1

Изобретение относится к технике иэмерения параметров электрических импульсов и может быть использовано для автоматического контроля нелинейности импульсов развертки в телевидении, радиоэлектроникеи ядерной электронике.

Известен измеритель нелинейности пилообразного напряжения, который содержит дифференцирующую цепь, конденсатор, усилитель-ограничитель, буферный каскад, схему сравнения, схему запоминания, формирователь и индикатор 1Д.

Недостатком этого измерителя является сложность процесса измерения в два этапа и необходимость предварительного определения скорости пилооб азного напряжения и величины входной емкости, дифференцирующего канала

Известно также устройство для измерения нелинейности пилообразного напряжения, содержащее две дифферен,цирующие цепи, два стробирующих каскада, ключи, пиковые детекторы, компаратор, элемент вычитания, ключмодулятор и индикатор 2}.

Недостатком этого устройства является низкое быстродействие, обусловленное значительным временем накопления после преобразования сигнала ключа-модулятора.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее индикатор, источник опорного напряжения, две дифференцируквдие цепи, входами соединенные с одним входом измерителя, выход перoвой из которых через усилитель-ограничитель подключен к входу буферного каскада, а выход второй дифференцирующей цепи через последовательно соединенные усилитель, первый пико5вый детектор, интегратор с разрядным ключом подключен к одному из входов компаратора и два стробирующих каскада, входами соединенные с вторым входом измерителя, каждый из которых

0 выполнен в виде последовательно соединенных регулируемой временной задержки и формирователя строб-импульса, при этом выходы стробирующих каскадов подключены к соответствующим

5 управляющим входам двух ключей, входы каждого из которых соединены с выходом буферного каскада, а выход каждого из ключей через пиковый детектор подключен к соответствующему

0 входу элемента вычитания, введены

ять элементов И-НЕ, конденсатор, реистор, генератор -коммутирующих мпульсов, формирователь, измеритель ременных интервалов, второй компаатор, повторитель абсолютного знаения напряжения, третий ключ, втоой интегратор с разрядным ключом четвертый пиковый детектор, выхоом соединенный с входом индикатоа, а входом - с выходом второго инегратора с разрядным ключом, управляющий вход которого через формиователь соединен с выходе первого элемента И-НЕ и с одним из входов второго элемента И-НЕ, вторскй вход которого подключен к первым выводам резистора и конденсатора, а его выход соединен с вторым выводом резистора, с входом измерителя временных интервалов и с первым входом первого элемента И-НЕ, вторым входом соединенного с выходом упомянутого компаратора, второй вход которого через повторитель абсолютной значения напряжения, подключен к выходу элемента вычитания, а третий вход упомянутого элемента И-НЕ соединен с первым входом третьего элемента И-НБ, с первым входом четвертого элемента И-НЕ и с выходом второго компаратора, один из входов которого соединен с выходом источника опордюго нащаяжения, а второй его вход - с выходом первого пикового детектора и с входом третьего ключа, выход которого подключен к корпусу измерителя, а управляющий вход третьего ключа соейи- нен с управляющим входом интегратора с разрядным ключом, с выводом конденсатора и с выходом генератора коммутирующих импульсов, вход которого подключен к выходу пятого элемента И-НЕ и к второму входу четвертого элемента И-НЕ, выход которого соединен с одним из входов пятого элемента И-НЕ, а его второй вход через третий элемент И-НЕ соединен с вторым входом измерителя.

На фиг. 1 приведена функциональная схема измерителя; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие принцип его работы на фиг. 3 - пиковые детекторы, вариант выполнения измерителя, на фиг. 4 - повторитель абсолютуого значения напряжения, вариант построения.

Измеритель нелинейности импульСО&. пилообразного напряжения содержит дифференцирующую емкость 1, усилитель-ограничитель 2, токовый повторитель 3, защитный диод 4, токовад.ающий и высокоомные резисторы 5 и 6, 7-9 буферный каскад 10, два стро-бирующих каскада, выполнен{шх а виде последовательнр.го соединения регулируемых временных задержек 11 и 12, фсд мирователей 13-14 строб-импуль сов, и ключей 15 и 16, два пиковых детектора 17 и 18, элемент 19 вычитания, дифференцирующую цепь. 20, состоящую из конденсатора 21, резистора 22 и усилителя 23 напряжения, третий пиковый детектор 24, первый интегратор 25. с разрядным ключом 26, зарядной цепью 27 и 28, усилителем 29 напряжения и первый компаратор 30 второй компаратор 31, источник опорного напряжения UQ, двухвходовой элемент И-НЕ 32, первый триггер на двух элементах И-НЕ 33 и 34, генератор 35 коммутирующих импульсов, имеющий встроенную временную задержку, третий ключ 36, второйинтегратор 37 с разрядным ключом 38, зарядной цепью 39 и 40, усилителем 41 напряжения и схемой управления, содержащей второй триггер на двух элементах И-НЕ 42 и 43, резистор 44, конденсатор 45, формирователь 46, повторитель 47 абсолютного значения напряжения, четвертый пиковый детектор 48, индикатор 49 и измеритель 50 временных интервалов. Пиковый детектор (фиг.З) содержит сравнивающий каскад 51, выполненный на операционном усилителе, диод 52, последовательно с которым включены зарядный транзистор 53 и запоминающий конденсатор 54, соединенный со входом повторителя напряжения 55 на операционном усилителе с полевыми входными транзисторами, резистивными делителями 56 и 57, защитный стабилитрон 58, выравнивающий резистор 59, разрядную кнопку 60.

Повторитель абсолютного значения сигнала (фиг.4) имеет резисторы 61-63, операционные усилители 64 и 65 с прямыми и инверсными входами, обозначенными соответственно знаками плюс и минус,диод 66.

Измеритель нелинейности импульсов ПН работает следующим образом.

В состоянии покоя на входы прибора не поступают контролируемое Uf| и синхронизирующее Up напряжения. Поэтому ключи 15 и 16 разомкнуты и напряжение на выходе аналогового элемента 19 .вычитания и на втором входе первого компаратора 30 0 равны нулю. Также равны нулю напряжения на выходах дифференцирукнцей цепи 20, пикового детектора 24 и второго компаратора 31. Последнее фиксирует состояние элемента И-НЕ 32, первого и втоjporo триггера так, что уровень напряжения U0 на выходе элемента 32 соответствует логической единице (фиг.2) величина (it) на выходе первого триггера близка к нулю, аналогично U| на выходе второго триггера имеет уровень логического нуля, и не зависит от напряжения U|2 на выходе первого компаратора 30. Генератор 35 коммутирующих импульсов заблокирован выходным напряжением первого триггера, ключ 36 с импульсным управлением разомкнут, а ключи 26 и 38 с потенциальным управлением замкнуты. Напряжение и и U на выходах интеграторов 25 и 37 рав ны нулю. С приходом первого синхронизирую щего импульса 1Гс(фиг.2) формируется пилообразный сигнал l/f, который про дя дифференцирующую емкость 1, подводится к усилителю-ограничителю 2 в виде импульса тока с амплитудой П Г ч-С, где значение емкости конденсатора дифференцирующей цепи. Вершина импульса, содержащая информацию об изменении производной контролируемого ПН, выделяется с помощью пороговой цепи 7,8 и 9 с уровнем ограничения Q преобразуется в импульс напряжения U-j (фиг.2) на высокоомном резисторе б. Для уменьшения токопотребления по входной це пи и получения возможно большего коэффициента преобразования усилитель-ограничитель 2 работает в режи ме микротоков. Поступая на вход прибора первый синхронизирующий импульс, приводит в действие регулируемые временные задержки 11 и 12, но не изменяет состояние схемы И-НЕ 32, заблокированной по второму.входу напряжением . Длительность задержек устанав ливаются независимо в каждом строби рующем каскаде, что позволяет определять КН на любом выбранном участк пилообразного напряжения Up. Напряжение 1 подводится также к дифференцирующей цепи 20, которая преобразует его в импульс напряжени U с (фиг. 2). Экстремальное значение импульса запоминается третьим пиковым детектором 24 (фиг.З) в виде уровня напряжения U, равного Ub K2-C2-R2 - наибольшее значение производной контролируемого С - емкость конденсатора 21; R - сопротивление резистора К,. - коэффициент передачи напряжения усилителя 23. Особенность схемы (фиг.З) определяется способом включения транзистора 53. База его связана с выходом повторителя напряжения 55, поэтому в любой момент времени напряжение перехода коллектор-база близко к нулю и ток утечки перехода ничтожно мал. в процессе заряда напряжение на конденсаторе 54 отслеживает входной сигнал, так как процесс непрерыв но контролируется сравнивакяцим каскадом 51 и транзистором 53. В момент когда входное напряжение достигает максимального значения, а затем начинает уменьшаться, процесс подзаряда конденсатора 54 прекращается, таь как напряжение на сигнальном входе сравнивающего каскада 51 становится меньше напряжения на другом его входе в результате чего напряжение на выходе сравнивающего каскада 51 изменяет свои знаки на обратный, что приводит к запиранию диода 52. Благодаря включению резистора 59 обратное напряжение приложено в основном к диоду 52, переход эмиттербаза транзистора 53 находится под напряжением, близким к нулю. Так как коллектор и база транзистора 53 эквипотенциальны, отсутствует ток разряда конденсатора 54 через коллекторный переход зарядного транзистора 53. За счет этого обеспечивается долгое время хранения заряда конденсатора 54, даже если величина его невелика, а также появляется возможность получить высокую скорость заряда конденсатора 54. В процессе установления напряжения на выходе третьего пикового детектора 24 в момент сравнения U(t) с Upnвторой компаратор 31 срабатывает и формирует положительный перепад напряжения UT до уровня логической единицы (фиг.2), подготавливая схему И-НЕ 32, а также первый и второй триггеры к переключению. Исходное состояние триггеров теперь поддерживается за счет действия цепи положительной обратной связи. В момент времени 1(фиг.2) сигналом с выхода схеьы регулируемой. временной задержки 12 запускается соответствующий формирователь 14, вырабатывающий первый строб-импульс и через ключ 16 пропускается первая вырезка напряжения tf, амплитуда которой /2 запоминается пиковым детектором 18, выполненным по схеме фиг. 3. Если пренебречь влиянием характеристик токового повторителя 3, диода 7, ключей 15 и 16, принять равным единице коэффициенты передачи узлов 10, 17 и 18, то напряжение (1/2 будет равно (фиг. 2) Unop- tc,-3g), (3) производная ПН в момент времени t , ток покоя, протекающий через диод 7, сопротивление резистора б. При этом на выходе повторителя бсолютного значения напряжения 47 усанавливается положительное напряжение, Принцип действия повторителя (фиг.4) заключается в следующем. . Для положительного входного сигнала схема имеет коэффициент передаи равный 1. При отрицательном входном сигнале диод 66 отпирается, прямой вход усилителя 64 заземляется и коэффициент передачи схемы становится равньам . Таким образом, знако переменное входное напряжение преобразуется рассматриваемой схемой в по ложительное выходное нащзяжение U4 с коэффициентом передачи при равенстве сопротивления резисторов 61, 62 и 63. В момент времени t формируется второй строб-импульс, через ключ 15 проходит вторая вырезка напряжения U амплитуда которой з ипор-кДс.). (5) гдedUfl/(Зi- производная пилообразного напряжения в момент времениtj запоминается пиковым детектором 17, Напряжения и вычитаются на аналоговом элементе 19, при- этом на выходе повторителя абсолютного з чения сигнала 47 после завершения переходного процесса устанавливается положительное напряжение (фиг.2) 4--«-.ж-:-жг1 пропорциональное разности производных контролируемого ПН в выбранные моменты времени t и t. Длительность переходного процесса установления напряжения (бj определяется, главным образом, свойствами узлов 19 и 47 измерителя. Коэффициент пропоБЩиоиальности С;) определяет чувствительность прибора и может регулироваться, например путем ступенчатого изменения величины К, Второй синхронизирующий импульс (фиг.2), как и первый, гфиводит в действие регулируемые временные задержки 11 и 12 и, кроме того, инвертируясь схемой И-НЕ 32, . перебрасывает первый триггер в новое состояние. Положительным перепадом напряжения Uf с его выхода (фиг.2) запускается генератор коммутирующих импульсов 35 с встроенной схемой временной задержки, вырабатывающий отрицательный импульс. Как видно из временных диаграмм, запуск генерато ра 35 производится с задержкой , введение которой необходимо для тог чтобы гарантировать полное завершени переходного процесса установления нагу1яжения U4/ соответствующего выражению (6) . Следует заметить, что к стабильности длительности задержки ,особых требований не предъявляет ся. Сигналом от генератора 35 коммути рующих импульсов размыкается ключ 25 и первый интегратор 25 начинает интегрировать напряжение, вырабатывая вспомогательное ПН, меняющееся по за t, (7) где С - емкость конденсатора 28/ Rj - сопротивление резистора 27, t - текущее время, вплоть до момента насыщения усилителя 29 (фиг.2). Напряжение подается на первый вход компаратора 30. К другому входу от повторителя абсолютного значения сигнала 47 подводится напряжение U,величина которого соответствует уравнению (б). Одновременно с запуском интегратора 25, отрицательным перепадом напряжения U|(j с выхода узла 35 опрокидывается второй триггер и положительньВ перепад с его прямого выхода Ц- приводит в действие измеритель 50 временных интервалов. Отрицательный перепад с инверсного выхода Uj4 через формирователь 46 размыкает ключ 38 и второй интегратор 37, подключенный к источнику, начинает вырабатывать напряжение Un где C - емкость конденсатора 40/ R - сопротивление резистора 39, которое подводится к дополнительного пиковому детектору 48, реализованному по схеме фиг.З. В момент t сравнения и(t) с d, определяемыми равенством dUn dUnl -КОЭФI/, R С г г 2 фициент пропрциональности, срабатывает компаратор 30 и отрицательный перепад напряжения на его выходе перебрасывает второй триггер в исходное состояние. При этом ключ 38 замыкается и напряжение U на выходе интегратора 37 становится равным нулю. Длительность t, соответствующая классическо1 ог выражению для КН, регистрируемся измерителем временных интервалов 50. Максимальное значение напряжения на выходе интегратора 37 jdUn dUnl .. ,, . Jdtrdtal , ivjKjCj СА коэффициент пропорциональности, также соответствует классической формуле для определения КН. Оно запоминается и хранится (с погрешностью не более 0,25% за время хранения 20 мин) пиковым детектором 48 в виде уровня напряжения и|(фиг.2). Два способа вывода информации об измеряемом параметре расширяют функциональные возможности прибора, в частности, облегчают автоматизацию допускового контроля генераторов ПН по величине коэффициента нелинейности. По окончании коммутирующего импульса генератор 35 возвращается в исходное состояние, ключ 26 вновь замыкается и выходное напряжение U) интегратора 25 падает до нуля (фиг, Положительным перепадом напряжения Ujo с выхода генератора 35 замыкается также ключ 36 с импульсным управ лением на время, достаточное для полного разряда запоминающего конде сатора пикового детектора 24. Напря жение и последнего уменьшается до нуля,причем в момент сравнения U(t) с напряжением и опорного источника срабатывает компаратор 31 и сигналом с его выхода возвращаютс в исходное состояние первый триггер и элемент И-НЕ 32. При этом восстанавливается блокировка генератора коммутирующих импульсов 35. Отмеченные выше особенности пост роения функциональной схемы измерителя нелинейных импульсов ПН придаю прибору более высокое быстродействие, так как для определения КН используется только один период контролируемого пилообразного напряжения. Как видно из диаграмм (фиг.2) время установления показания прибора равно Tf, + заь4 известных устройствах это время занимает, при мерно 5 с и определяется необходимостью эффективного сглаживания в индикаторе импульсов напряжения уС выхода ключа-модулятора для выделения их постоянной составляющей. Формула изобретения Измеритель нелинейности импульсо пилообразного напряжения, содержащи индикатор, источник опорного напряж ния, две дифференцирующих цепи, вхо дами соединенные с одним входом изм рителя, выход первой из которых черех усилитель-ограничитель подключе к входу буферного каскада, а выход второй дифференцирующей цепи через последовательно соединенные усилитель, первый пиковый детектор, интегратор с разрядным ключом подключен к одному из входов компаратора, и два стробирующих каскада, входами соединенные с вторым входом измерителя, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных регулируемой временной задержки и формирователя строб-импульса, при этом выходы стробирующих каскадов подключены к соответствующим управляющим входам двух ключей, входы каждого из которых соединены с выходом буферного каскада, а выход каждого из ключей через пиковый детектор подключен к соответствующему входу элемента вычитания о тличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия в него введены пять элементов И-НЕ, конденсатор, резистор, генератор коммутирующих импульсов, формирователь, измеритель временных интервалов, второй компаратор, повторитель абсолютного значения напряжения, третий ключ, второй интегратор с разрядным ключом, четвертый пиковый детектор, выходом соединенный с входом индикатора, а входом - с выходом второго интегратора с разрядным ключом , управляющий ВХОД которого через формирователь соединен с выходом первого элемента И-НЕ и с одним из входов второго элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к первым выводам резистора и конденсатора, а его выход соединен с вторым выводом резистора, с входом измерителя временных интервалов и с первым входом первого элемента И-НЕ, вторым входом соединенного с выходом упомянутого компаратора, второй вход которого через повторитель абсолютного значения напряжения подключен к выходу элемента вычитания, а третий |вход упомянутого элемента И-НЕ соединен с первым входом третьего элемента И-НЕ, с первым входом четвертого элемента И-НЕ и с выходом второго компаратора, один из входов которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а второй его вход с выходом первого пикового детектора и .входом третьего ключа, выход которого подключен к корпусу измерителя, а управляющий вход третьего ключа соединен с управляющим входом интегратора с разрядным ключом, с вторым выводом конденсатора и с выходом генератора коммутирующих импульсов, вход которого подключен к выходу пятого элемента И-НЕ и к второму входу четвертого элемента И-НЕ, выход которого соединен с одним из входов пятого элемента И-НЕ, а его второй вход через третий элемент И-НЕ соединен с вторым входом измерителя. Источники информации,, принятые во внимание при экспертизе 1.Одиноков Ф.Ф. Измеритель нелинейности пилообразного напряжения. Измерительная-техника, 1974, № 9, с. 74-76. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2600361/18-21, кл. G 01 R 29/02, 06.04.78 (прототип).