Измеритель коэффициента нелинейности пилообразного напряжения Советский патент 1981 года по МПК G01R29/02 

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ КОЭФФИЦИЕНТА НЕЛИНЕЙНОСТИ ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯ)ЬЕНИЯ

1

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

Известно устройства для измерения нелинейности ПН, в котором для определения коэффициента нелинейности (КН) используется электроннолучевая трубка ll.

Недостатком устройства является низкая точность и сложность процесса измерения.

Наиболее близко к предлагаемому устройство для измерения нелинейности ПН, основанное на его дифференцировании, отличающееся малой трудоемкостью процесса измерений, непосредственным отсчетом .значений и знака КН, возможность оперативного определения этого параметра на

любом выбранном участке ПН. Устройство содержит последовательно включенные диф4еренцирующую емкость, усилитель-ограничитель и буферный каскад, два стробирующих каска оа, выполненных в виде последовательно соединенных регул руемых временных задержек, подключенных к источнику синхроимпульсов, двух фсрмирователей стробимпульса и ключей, два пи ковых детектора, аналоговую схему вычи-.

to тания, а также соединенные последовательно дифференцирующую цепь, пиковый детектор, интегратор с разрядным ключом, коммутируемым от источника тактовых имдульсов стабильной частоты, компаратор и ис15точник опфного напряжения Г2 .

Недостатки устройства заключаются во-первых, в том, что результат измерения .КН, через сложность выходных импульсов компаратора зависит от напряжения опор20ного источника и параметров вспомогательного ПН, вырабатываемого интегратором (начального уровня ПН, крутизны, нелинейности периода повторения). Вари-

ации указанных величин под действием teMneparypbi, влажности и других факторов обусловливают погрешность измерения КН,.НесгабигазНость начального уров ня вспомогательного ПН обусловлена дрейфами величин входного тока и ЭДС смещения интегратора, а также в значительной мере токами утечки и абсорбцией его накопительной емкости. Влияние абсорбционных 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 ЗСЯС величиной 2,5%. Нелинейность ПН в случае применения высококачественных интегрирующих схем не превосходит сотых долей процента и ее влияние на результат измерения КН можно не учитывать. Что касается погрешности от вариаций напряжения опорного источника и частоты следования тактовых импульсов, то при использовании термокомйенсированных стабилитронов и кварцевого генератора ее величина оказьюается пренебр жительно малой.

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

В-третьих, устройство имеет большую инерционность. При длительности контролируемого ПН 20 млс время установления одного показания составляет примерно 5 с. Низкое быстродействие обусловлвно методом измерения КН, предполагающим эффективное сглаживание в узле импульсов напряжения, приходящих с выхода кгаоча-модулятора, с целью выделения их постоянной составляющей. Можно считать, что постоянная времени демпфирующего устройства индикатора должна примерно в 500-7ОО раз превьпиать длительность вспомогательго ПН, формируемого интегратором, т.е. сосгавлять 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 цифференцирующую емкость, усилите ль-ограничите ль и буферный каскад, два идентичных стррбирукяцих каскада, каждый из которыхреализован в виде последовательно соединенных регулируемой временной

S задержки, подключенной к источнику синхроимпульсов, формирователя стробимпульса и ключа, связанного с выходом буферного каскада, два пиковых детектора., соединенньк соответственно с выходами ключей, аналогов5то схему вычитания, входы которой подключены соответственно к выходам пиковых детекторов, интегратор, компаратор, вход которого связан с выходом интеграто5 ра индикатор, а также последовательно соединеннью дифференцирующий элемент. и третий пиковый детектор, причем дифференцирующая емкость и дифференцирующий элемент подключены к измерительному входу прибора, введены два переключателя, два вентиля, генератор тактовых импульсов и генератор импульсов образцовой частоты, схема временной задержки, аналоговый инвертор, счетчик, регистр, третий формирователь и блок управления, при этом второй вход компаратора связан с общей шиной устройства, его выход соединён со схемой управления и через третий формирователь - с управляющим входом второго переключателя, вход интегратора подключен к выходу первого переключателя, один из входов которого связан с выходом аналого вой схемы, вычитания, а. другой - с выходом второго переключателя, один из входов которого соединен с выходом инвертора, а другой - с его входом и с выходом третьего пикового детектора, вход схемы временной задержв:и подсоединен к источнику синхроимпульсов, а ее выход и выход генератора тактовых импульсов через первый вентиль подключены к блоку управления, генератор импульсов образцовой частоты через второй вентиль соединен со счетным входом счетчика, еы55 ходы разрядов которого через регистр связаныс индикатором, а выход старшего разряда счетчика подсоединен к блоку управления, выходы которого подключе ны соответственно к управляющему вхопу первого переключателя, второму вентилю и к установочным вхоаам счетчика и регистра.. На фиг. 1 привеаена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 - временные циаграммы1 поясняющие принцип его работы; на фиг. 3 вариант выполнения пиковых детекторов; на фиг. 4 - формы напряжений на выходе интегратора 14 и формирователя 31. Измеритель КН ПН содержит дифференцирующую емкость 1, соединенную с усилителем-ограничитепем 2, подключенным к буферному каска пу 3, два идентичных стробирующих каскада, первый из которых реализован в висе последовательного соединения регулируемой временной задерм ки 4, формирователя 5 стробимпульсов и ключа 6, второй - в виде последовательного соединения регулируемой временной задержки 7, формирователя 8 стробимпульсов и ключа 9 Входы временных задержек подключены к источнику синхроимпульса U, а входы ключей - к выхору буферного, каскада 3. Кроме того, измеритель содержит два пиковых детектора 10 и 11, соединенных соответственно с выходами ключей, аналоговую схему 12 вычитания, входы котсрой подключены соответственно к выходам пиковых детекторов 1О и II, а выход через первый переключатель 13 и интегратор 14 с зарядной цепью 15, 16 и усилите/ЮМ 17 напряжения связан со входом компаратора 18,дифференцирующий элемент 19, третий пиковый детекто 2О и инвертор 21, соединенные последовательно, счетчик 22, регистр 23 и циф ровой индикатор 24, включенные каскаftно, элемент 25 временной задержки, генератор 26 тактовых импульсов, генератор 27 импульсов образцовой частоты, второй переключатель 28, сдаа вентиля 29 и 30, третий формирователь 31 и блок 32 управления. В схему варианта выполнения пиковых детекторов 10, 11 и 2О (фиг. 3) входят сравнивающий операционный усилитель 33, зарядный диод 34, последовательно с которым включены заряшшй транзистор 35 и запоминающий конденсатор 36, соединенный своим первым вы водом со входом повторителя 37 напряжения на операционном усилителе с полевыми входными транзисторами, резис.гивный делитель 38, 39,. защитный стабилитрон 40, выравнивающий резистор 4 и разрядная кнопка 42. 8 7« В качестве зарядного транзистора 35 применяют кремниевый планарный триод - п - р типа. Устройство работает слесс кяцим образом. В исходном состоянии входы устройства отключены от источников пилообразного U, и синхронизирующего U. напряжений. При этом ключи 6 и 9 pa-i зомкнуты, напряжения и и Ue соответственно на выходах аналоговой схемы 12 вычитания и дифференцирующего элемента 19 равны нулю. В It разрядах счетчика 22 в дополнительном коде записано некоторое целое число М , а разряды с (ic+l) до старщего ориентированы в положении единицы. В пиковьк детектсрах 10, 11 и 20 разрядные кнопки 42 замкнуты, поэтому напряжения на выходах пикоБОГо детектора 2О и аналогового инвертора 2 I соответственно равны и -80 млВ, (J 80 млВ. Одно из этих напряжений (например U{j ) 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 по амплитуде формирователем 31. Под действием импульса напряжения (фиг.4) с выхода формирователя 31 срабатывает элемент 28, подключая к интегратору 14 напрям ениеО- -Ut. При этом направление напряжения ид меняется на обратное, что приводит к новому срабатыванию компаратора 18 и переключателя 28 и т.д. Следовательно, интегратор 14 находится в режиме релаксационных колебаний, причем постоянная составляющая его выходного напряжения и равна нулю, а откаинения текущего значения напряжения Uxj от нулевого уровня не превышают по амплитуде зону нечувствительности (фиг. 4) компаратора 18, составляющую единицу милливольт. Таким образом, в предлагаемом устройстве практически исключена погрешность измерения КН, обусловленная входным током и ЭДС смешения интегратора 14, к величинам которых поэтому жестких требований не предъявляется. В рабочем состоянии измерителя разрядные кнопки 42 у пиковых детекторов 10, 11 и 20 разомкнуты, а входы. устройства подключены соответственно к источникам пилоообразного Uy, и синхронизирующего DC напряжений. До поступления сигналовиу, ии выходное напряжение Uj. 78 пикового иетектсра 20 остается равным 8О млВ и интегратор 14 продолясаег работать в релаксационном режиме. Благодаря особенности схемы пикового детектора 20 (фиг. 3) этот режим может поддйрживаться достаточно долго. 1 Особенностью схемы на фиг, 3 являвпря 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 одинаковы. Если зарядный диод 34 заперт, что имеет место при (Jg 0,U -80 Mjfi, то обратное напряжение выделяется в основном на этом диоде. Падение напряжения на выравнивающем резисторе 41 составляет единицы милливольт. Следовательно, весь зарядный транзистор 35 представляет собой эквипотенциальную область, благодаря чему исключается путь разряда запоминающей емкости 36 через зарядную цепь. Так как входное сопротивление повторителя 37 напряжени с прл1евыми транзисторами очень велико (10 -1ООм), схема пикового детектора 20 обеспечивает длительное хранение уровня напр5 кения 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 синхронизирующего импульса Uc{ фиг, 2) формируется ПН DO, которое, пройдя дифференци рующую емкость 1, подводится к усилите шо-огргщичителю 2 в виде импульса тока с амплитудой где Сл- величина дифференцирующей емкости 1. Верщина импульса, содержащая инфор мацию об изменении производной ПН, вы ляется путем ограничения продифференцированного сигнала сверху и преобразуется в имгсльс напрявкения Ц . Поступая на вход устройства, первый синхронизирующий импульс и приводит в действие регулируемые временные задержки 4, 7 и элемент 25 временной задержки. Длительности t и Ьг регулируемых задержек 4 и 7 устанавливаются плавно и независимо, что позволяет определить КН на любом выбранном участке ПН. Длительность1(у,задержки 25 выбирается такой, чтобы к моменту ее окончания полностью заверщился перехо 7 ый процесс установления напряжения ид а выходе аналоговой схемы 12 вычиания. К стабильности длительностиtj. естких требований не предъявляется. В момент времени t (фиг. 2) сипал с выхода регулируемой временной адержлси 4 запускает формирователь 5. ырабатьюается первый стробимпульс, и ерез ключ 6 проходит первая вьфезка мпульса напряжения U , амплитуда коорой Up, запоминается пиковым детектоом 1О в виде уровня постоянного напряения. Если принебречь влиянием харакеристик ключа 6 и принять равными едиице коэффициенты передачи узлов 3 и 0, то уровень постоянного напряжения а выходе пикового детектора 1О равен ,ta) ое - уровень ограничения усилителя-ограничителя 2; А - величина , постоянная для данного усилителя; R. - передаточное сопротивление. узла 2; г- - производная ПН в момент вре I меня t. При этом на выходе аналоговой схемы 12 вычитания, имеющей коэффициент усиления разностного сигнала К , устанавливается напряжение 0 . равное К. U(2. В момент времени Ъ.о формируется второй стробимпульс, и через ключ 9 пропускается вторая вырезка импульса напряжения, амплитуда которой . запоминается пиковым детектором 11 в виде уровня постоянного напряжения. В уравнении (3) Mu производная ПН в момент времени Ч. На выходе аналоговой схемы 12 вычитания после заверщения переходного процесса устанавливается напряжение VW.(-).t) Пропорциональное разности производных у измеряемого ПН в моменты времени t и tQ. Длительность переходного процесса определяется инерционностью узла 12. Величина К С R определяет чувствительность измерителя и может регулироваться путем ступенчатого изменения коэффиц ента передачи . Поступая на дифференцирующий элемен 19 измерителя коэффициента нелинейности пилообразное напряжение преобразуется этой целью в импульс напряжения и5(фиг. максимальное значение которого 4иксируется и запоминается третьим пиковым петектором 20. Запоминание экстремальной произвопной ПН осуществляется следующи образом. С появлением отрицательного перепада напряжения Uc (4иг. 3) отпирается диод 34 и начинается зарянка конденсатора 36. В процессе заряда напряжение на емкости 36 отслеживает сигнал Uj , поскольку этот прсщесс непрерывно контролируется сравнивающим усилителем 33, на инверсный вход которого подается сигнал с выхода пикового детектора 20. В момент, когда отрицательный импульс напряжения Uj достигает максимального значения, а затем начинает уменьшаться, процесс подразряда конденсатора 36 прекращается, так как напряжение на сигнальном входе сравнивающего усилителя 33 становится меньше напряжения на его инверсном входе. В результате напряжение на выходе сравнивающего усилителя 33 изменяет свой знак на обратный, что приводит к запиранию диода 34. Таким образом, на выходе пикового детектора 20 устанавливается постоянное напряженней (фиг. 2), пропорциональное максимальному значению производной контролируемого ПН, .,U,u) - наибольшее значение производной ПН; CQ - емкость дифференцирующего Элемента 19; fto - сопротивление этого элемента; К,к- коэф4ящиент передачи напряжения элемента 1 Лальнейщее рассмотрение работы измерителя продолжим с момента окончани времени задержки (фиг. 2)-. Перепадом напряжения U- с выхода элемента 25 разблокируется вентиль 29, и импульсы напряженияидот тактового генератора 2 поступают на блок 32 управления. По первому же тактовому импульсу Ug блок 32 управления формирует на своих выходах два импульсных сигнала. Один из них U lJ paзблoкиpyeт вентиль 30, и импульс Цо образцовой частоты tg с выхода генератора, 27 начинает заполнять счетчик 8 710. 2, в Ч разряаах которого в аополнитбль ом коце хранится число М & рааряаы (k +1) ао старшего ориентированы в положение еоиница. Другой импульсный игнали.( управл{поший вхоп переключателя 13 (фиг. 1), в результае чего последний поосоешгаяег вхоа ингратора 14 к выхопу аналоговой схемы 12 ычитания. Поскольку перехооный процесс становления напряженияUx уже завершен, ыхоаное напряжение интегратора 14 ачинает изменяться по линейному закону (фиг. 4) илЛ) где t - сопротивление резистора 15; С - емкость кониенсатора 16. Компаратор 18 сравнивает сигнал и (i ) с нулевым уровнем. В момент срабатьшания компаратора 18 перепад напряжения на его выхоое через формирователь 31 воздействует на управляющий вход переключателя 28, и к выходу последнего подсоединяется напряжение, полярность которого противоположна полярности напряжения ид. Как видно из фиг.2, отрицательную полярность имеет постоянное напряжение }, образуюиееся на выхо де пикового детектора 20. После заполнения счетчика 22 М им пульсами образцовой частоты все его разряды оказываются в единичном положе- НИИ. С приходом (М-Ь) сигнала, отделенного от тактового импульса и9(фиг. 2) временным интервалом Т, i все разряды счетчика 22 обнуляются и отрицательный перепад напряжения выходе его старшего разряда через блок 32 у. равления возвращает в исходное положение переключатель 13. При этом ко входу интегратора 14 цля компенсации действия напряжения Од дареключается напряжение U . Выходное напряжение интегратора 14 в момент времени Т; равно и fТ). V i -c-ip Далее напряжениеи( ) изменяется по закону V.TTRCf а счетчик 22 продолжает заполняться импульсами . образцовой частоты о, поступающими с выхода генератора 27. Через интервал времени (фиг. 2) напряжение на выходе интегратора 14 достигает нуля, что фиксируется срабатыванием компаратора 18. По положительному перепасу его выхооного напряжения блок 32 управления формирует два импульсных сигнала. Оцин из них - отрицагельный перепад напряжения U Q -закрывает ёёнтиль 30, и на счетчике 22 оказьюйегся зафиксированным двоичный код числа N I определяемого из условия RC-Ь . Другим сигналом - импульсом Hanpspженияи - разблокируется регистр 23 на время tj, необходимое для уверенной переписи в него двоичного кода с выхода счетчика 2.2. По окончании импульса блок 32 управления вырабатывает импуль сброса и(5( 2) который, поступав на установочный вход счетчика 22, восстанавливает его исходное состояние, поог готавливая устройство к следующему из.мерительному цик/у. Содержимое регистра 23 запоминаетс и индицируется в десятичном кодецифровым, индикатором 24. Подстановка в (9) управлений (4) и (5) дает следующее выражение для результата измерения, представленного значением числа (du du I чЖТ d.-fci ( dUn Vdi ЬйУ .-с. где г- -/ - масштабный фициент,:определяемый параметрами схемы. Из (10) следует, что показания циф рового индикатора 24 с точностью до ма штабного коэффициента соответствует измеряемому КН, а при выборе коэффициентаК 1ОО индикатор 24 высвечивает непосредственно в процентах значение коэф фициента нелинейности исследуемого учас ка пилообразного напряжения On . Величина 100 может задаваться путем вы бора значения числа М , которое заносится в дополнительном коде в счетчик 22 при его предварительной установке. По завершении интервала времени Tt интегратор 14 вновь оказывается в режи ме релаксационных колебаний и его выхошое напряжение поддерживается на ну левом уровне. При появлении второго так тового импульса Ug (фиг. 2) начинается очередной измерительный цикл и процесс работы предлагаемого устройства повторяется. Частота обновления показаний на 8 712 табло индикатора 24 устанавливается onieратором с помощью блока 32 управления. Получаемый результат измерения не зависит от изменений периода повторения Т тактовых импульсов Ug , образцовой частоты (j, напряжения опорного источника и от параметров вспомогательного ПН, вырабатываемого- интегратором 14. За счет применения двухтактового режима интегрирования исключается погрешность измерения, обусловленная абсорбционным и характеристиками и точками утечки накопительной емкости 15 и улучшается помехоустойчивость схемы. Все это позволяет получить в предлагаемом устройстве более высокую точность измерения более, высокую точность определения КН и большую чувствительность (разрешаю- щую способность). Устройство имеет более высокое быстродействие. Как виино из временных диаграмм (фиг. 2), время установления показания прибора не превышает Т +t3aA Устройство обеспечивает возможность запоминания и длитель юго хранения ре-, зультата измерения в цифровой форме, что имеет важное значе ше для автоматизации контроля КН и для сопряжения измерителя с ЭВМ. Ф О р. м ула изобретения Измеритель коэффициента нелинейности пилообразного напряжения, содержащий последовательно включенные дифференцирующую емкость, усилитель-ограничитель и буферный каскад, два стробирующих каскада, выполненных в виде последовательно соединенных регулируемых временных задержек, подключенных к источнику синхроимпульсов, формирователей стробимпульса и ключей, свя- . занных с выходом буферного каскада, два пиковых детектора, соединенных соответственно с выходами ключей, аналоговую схему вычитания, входы которой подключены соответственно к выходам пиковых детекторов, интегратор, компаратор, вход которого связан с выходом интегратора, индикатор, а также последовательно соединенные цифференцирукгщий элемент и третий пиковый детектор, причем дифференцирующая емкость и дифференцирующий элемент подключены к измерительному входу прибора, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения точности, быстродействия и упроще-. ния процесса измерения, в него введены 13 пва переключателя, ова вентиля, генератор тактовых импульсов и генератор импульсов образцовой частоты, схема временной зацержки, аналоговый инвертор, счетчик, регистр, третий формирователь и блок угфавления, при этом второй вход компаратора связан с общей .шиной устройства, его вь1ход соединен со схемой управления и через третий формирователь с управляющим вхооом второго переключателя, 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 входов которого соединен с выходом аналогового инвертора, а другой - с его входоми с выходом третьего пикового детектора, вход схемы временной задерж ки подсоединен к источнику синхроимпуль 07 сов, а ее выход и выход генератора тактовых импульсов через первый вентиль подключены .к блоку управления, генератор импульсов образцовой частоты через второй вентиль соединен со счетным входом счетчика, выходы последнего через регистр связаны с индикатором, а выхоа старшего разряда счетчика подсоешгаен к блоку управления, выходы которого подключены соответственно к управля1ошему входу первого переключателя, второму вентилю и к установочным входам счетчика и регистр6. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 169678, кл. 5 01R 29/04. 2.Авторское свидетельство СССР № 742830, кл. 29/02 (прототип).

fe -iT :

fc

Уб