Устройство для измерения коэффициента нелинейности пилообразного напряжения Советский патент 1982 года по МПК G01R29/02 

Изобретение относится к электроиэмерительной технике и предназначено для измерения коэффициента нелинейности (КН) пилообразных напряжений (ПН) в широком диапазоне частот повторения (от десятков Гц до сотен кГц) и может быть использойано при создании устройств для автоматического контроля па:раметров генераторов ПН различного назначения. Известно устройство измерения КН, В котором КН измеряется на основе дифференцирования ПН. Измеритедь прост в реализации, достаточно точен и высокочувствителен (разрешающая способность устройства 0/ООЛ.%)(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 диффе ренцирующий каскад, ограничитель, буферный каскад, стробирующие каскады, в состав которых входят блоки регулируемых временных задержек, формирователи строб-импульсов и ключи - пяковые детекторы, аналоговый вычитающий элемент, индикатор и канал преобразования скорости нарастания пилообразного напряжения в скважность, включакхций 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 являе.тся сравнительно узкий диапазон частот повторения ПН, в пределах которого обеспечивается определение ЦК с приемлемой точностью. Расширение . верхней границы диапазона частот сдерживается динамическими параметрами ключей (временем перехода из закрытого состояния в oTKfftjToe и время обратного перехода), которые работают в режиме перекгаочения напряжения. Максимальная частота коммутации быстродействукжщх ключей напряжения,реализуемых в настоящее время .на интегральHjjx прерывателях, имеет порядок 10 Гц. Она ограничивает минимальную возможную длительность импульсов вырезки t величиной (2-3). Во избежание существенной неточности определения КН длительность прямого хода ПН долж на в 20-30 раз превышать длительност импульсов вырезки, т.е. быть не мене (40-90) 10 с. Следовательно, максимальная, частота повторения ПН (велич на, обратная его длительности) лимитируется для прототипа значениями (12-25) , которые не выходят за границы диапазона звуковых частот. Другим недостатком этого устройст ва является относительно малая чувс,т вительность в диапазоне температур. Величина последней составляет примерно 0,1%, что почти на два порядка ниже разрешающей способности известных уст.ройств, .основанных на дифференцировании ПИ. Опыт использования прибора показывает, что среди факторов, лимитирующих его чувствительность, важное значение (особенно при малой длительности ИН) имеют коммутэционные помехи, возникающие в ключа-х. Они образуются в моменты их переключения при прохождении фронтов строб-импульсов через формирователь стробов в цепь коммутируемого сигнала, через емкости р-п-переходов или затворов ключей. Амплитуда .цомех (вы Врос) может быть достаточно, большой величины (десятки-сотни милливольт) и зависит от типа аналогового ключа, крутизны фронтов и амплитуды управля ющих строб-Импульсов, величины комму тируемого сигнала, входного сопротив ления 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, генерируемые ключами могут быть скомпенсированы и непосредственно не вли яют на чувствительность прибора. Однако нестабильность их амплитуды с течением времени, а также при иймёре НИИ окружающей температуры и нестабильности управляющих строб-импульсов неизбежно вызывает погрешность выделения разности производных ПН в .близ кие моменты времени, которая ограничивает разрешающую способность прибора, что приводит к появлению ошибк КН. Величина этой ошибки может быть существенно уменьшена благодаря дифференциальной схеме включения ключей И пиковых детекторов. Тем не менее с уменьшением длительности контролир емого ПН эта ошибка увеличивается и на частотах повторения ПН более 10 кГц ее влияние на разрешающую способность прибора становится опред ляклцим. Источником погрешности в приборе при измерении КН являются также неидентичность фронтов, аьшлитуд и дли тельностей строб-импульсов, вырабатываемых формировател ми строб-импульсов. Различия в крутизне, амплитуде и длительности строб-импульсов, отпирающих ключи, создают дополниг-г 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 дифференцирующий 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 вйодами к измерительному входу устройства, снабжено тремя двухвходовыми элементами И-НВ 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 cpeдинeнJЫ с формирователем строб-импульса,подключеншлм своим выходом к управляющему входу дифференцирующего блока, причем последний вЕшолнен 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 ПО.ЛЮСУ 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, причем дифференцирующий элемент выполнен в виде каскадного соединениядифференцирующей цепи и усилителя напряжения. На фиг. 1 показана функциональная электрическая схема устройства; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, по ясняющие 11ринцип работы устройства. Устройство содержит дифференцирую щий блок 1, состоящий из дифференцирующей емкости, 2, соединенной с nesреключателем ненасыщенного тока на транзисторах 3 и 4, эмиттеры которых объединены и связаны с диодом 5 и резистором 6, а коллектор транзистора 3 через резистор 7 подключен к положительному источнику питания. Выход дифференцирующего блока 1 через ограничитель 8 и буферный блок 9 связан с объединенными входами дву ключей 10 и 11 напряжения, соединенных через пиковые детекторы 12 и 13 с соответствующими входами аналогового вычитающего элемента 14, подклю ченного через ключ-модулятор 15 к ин дикатору 16. Устройство содержит так же два блока 17 и 18 регулируемых временных задержёк счетный триггер 19, два элемента Й-НЕ 20 и 21, связанные через третий элемент И-НЕ 22 с формировагелем 23, когорый в свою очередь соединен с управлякяцим входом дифференцирующего блока 1. Помимо названных узлов предлагаемое устройство содержит дифференцирующий элемент 24, состоящий из дифференцирующей цепи 25 и 26 и усилителя 27 напряжения, третий пиковый детектор 28, интегратор 29 с зарядной цепью 30 и 31 разрядным ключом 32, коммути руемым от генератора 33 импульсов фиксированной частоты и усилителем 3 напряжения, связанный с первым входом компаратора 35, а также источник 36 опорного напряжения, подключенный к второму входу компаратора 35. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии входы устрой ства отключены от источников пилообразного и синхронизирующего U напря жений. При этом уровни напряжений и, Uj, Ug узлов-17, 18 и 22 равны логическому О, напряжения Uj, U элементов И-НЕ 20 и 21 имеют уровень логической 1, выходные напряжени i узлов 27, 28 и 29 равны нулю. Триггер 19 находится в произвольном состоянии. Один из ключей (например, ключ 10) открыт потенциалом , поступающим с соответств ющего выхода триггера 19. Другой клю закрыт, т.е. не проводит ток. Форалирователь строб-импульсов 23 находится в ждущем режиме. Его выходное на пряжение U,, действующее на вход управления дифференцирующего блока 1, равно +.0,3 В. Напряжение на эмиттера транзисторов 3 и 4 составляет -0,3 В и слабо зависит от тока, протекающего через высокоомный резистор 6. Заметим, что величина этого токаопределяет 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, ненасьлцен и пропускает ток резистора 6. Ограничитель 8 фиксирует выходное напряжение дифференцирующего блока 1 на уровне 0 и„ор (фиг.2). Буферный блок 9 сдвигает уровень выходного напряжения U относительно входного U-, на величину и передает на выход без ослабления переменную составляющую напряжения U-j. Поэтому напряжения Ug, Uq и блоков 9, 14 и 15 в исходном состоянии равны нулю. Ключ-модулятор 15 открыт положительнЕлм потенциалом, поступающим с выхода компаратора 35. : В рабочем состоянии на измерительный вход устройства подается пилообразный сигнал УП ( 2), а на входы элементов 17,-18 и 19 с частотой повторения Т поступают импульсы синхронизации Uc, управляющие также работой контролируемого генератора ПН. Передние фронты синхроимпульсов переключают по счетному входу триггера 19j, формирующего на своих выходах Q и Q две последовательности прямоугольных противофазных импульсных сигналов (фиг. 2) с периодом повторения 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 Uc, совпадающие с, началом прямого хода ПН, приводят в действие регулируемые блоки временных задержек 17 и 18. Последние вырабатывают положительные импульсы U и Uj (фиг. 2), длительности котогжлх Ц и tj отсчитываемые 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 зависиг мости от состояния триггера 19 они инвертируют и пропускают на схемы И-НЕ 22 либо импульс U.,, либо импульс Uj. Элемент 22 логически суммирует и инвертирует поочередно приходящие на его входы нулевые уровци сигналов Оз и U4. На выходе элемента формируются следующие друг за другом положительные импульсы Uy длительностью Ц и t соответственнр(фиг, 2 расположенные в соседних периодах ПН Задние фронты импульсов запускают формирователь 23, вырабатывающий отрицательные строб-импульсы и(,(фиг.2 амплитудой 0,6 В, которые воздейству ют на управляющий вход дифференцирую щего каскада. Таким образом, в предлагаемом уст ройстве стробирукяцие сигналы в отличие от устройства-прототипа формируются одним элементом 23, а строб-им пульсы, соответствующие задержкам Ц и tj, разнесены-в соседние периоды ПН и полностью идентичны.по своим параметрам. Поэтому в предлагаемом устройстве полностью исключена погре ность измерения КН, обусловленная ра личием в параметрах строб-импульсов Это способствует улучшению разрешающей способности и точности устройства в диапазоне рабочих температур. Пилообразное напряжение Up дифференцируется элементами 2 и 25, имеющими одинаковую емкость. С, и преобразуется ими в импульсы тока Импульс тока, приходящий на эмиттеры транзисторов 3 и 4, полностью проходит в коллекторную цепь открыто го ненасыщенного триода так же, как и ток резистора 6. Состояние закрыто го транзистора 3 при этом не изменяется. Уровень напряжения U на выходе ограничителя остается равным Uflgp . С появлением р- момент времени t строб-импульса- 0,6 В потенциалобщеэмиттерной точки транзисторов из меняется от -0,3 В до -0,6 В и транзисторы на время действия строб-импульса меняются ролями. В результате ток Ь , ранее замыкающийся в триод, переключается в открывшийся транзистор 3 и повторяется в его коллекторной цепи. Веряина импульса тока, несущая информацию о значении производ ной ПН в момент времени t, выделяет ся ограничителем 8 и преобразуется в импульс напряжения U(фиг. 2), длительность которого равна длительности строб-импульса, а амплитуда .. -л, (2) U..C.R. - величин 1 сопротивления резистора 7; А - постоянная величина, определяемая напряжением . В следующий период ПН на выходе дифференцирующего каскада 1 формируется вырезка напряжения (фиг.2) UT C-R-л (Ъ) IT отделенная от начала периода интервалом времени tj и пропорциональная значению производной ПН в момент времени tfj,. 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 j 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 травзисторах 3 и 4 Существенно повышается. При этом минимальная длительность импульсов вырезки снижается в предла аемом устройстве до (0,2-0,3)10 с чтопозволяет расширить частотный диапазон контролируемЕ1 х ПН в сторону верхних частот до (100-200) югц. Преимуществом дифференцирующего блока 1 является также малый уровень коммутационных помех, наводимых им на импульсах вырезки. Это объясняется хорошей развязкой между управляющим входом и выходом каскада (транзисторы 3 и 4 по отношению к управлягощему сигналу U{, заключены по каскадной :схеме, а также малостью амплитуды управляющих строб-импульсов. К тому же, помехи на вырезках напряжения 0:7 и7пПри действии любых дестабилизирующих факторов совершенно идентичны по форме, амплитуде, длительности и потому полнбстью подавляются в аналоговом вычитающем узле 14 (фиг. 1). Погрешность измерения КН, вызванная влиянием коммутационных помех переключателя тока на транзисторах 3 и 4, исключается. Импульсные напряжения Ibf / UTJJ , пропорциональные мгновенным значениям производной ПН, путем сдвига в буферном каскаде 9 на постоянную составляющую - Uppp преобразуются в отрицательные импульсы Ug, Ugg (фиг. 2), которые поступают на ключи 10 и 11. Последние действуют синхронно с элементами И-НЕ 20 и 21 и осуществляю временную селекцию сигнгшов Uej/ вя г расположенных в соседних периодах ПН. В результате импульсы Ца, имеющие амплитуду (2) , попадгиот на пиковый детектор 12 (фиг. 1), а импульсы Ugj с амплитудой (3) проходят на пиковый детектор 13. Отличительной особенностью ключей 10 и 11 является то, что переброс их сигналами 0, Q (фиг. 2) производится в момент окончания рабочего хода ПН и завершается в течение обратного хода пилообразного напряжения - интервала времени, где.продифференцированный импульс ПН не стробируется. в результате коммутац4;:онные помехи ключей 10 и11 и импульсы вырезки Uflij, Usg/ превосходящие их по амплитуде, отделяются друг от друга и поступают на пиковые детекторы в разные моменты времени. Последние фиксируйт амплитуду наибольшего из приходяи х на их входы сигналов, т.е амплитуду импульсов Ugj и Ug а соответ ственно. Таким образом, в предлагаемом уст ройстве исключается погрешность опре деления КН, обусловленная коммутационными помехами переключателя ненасыщенного тока на транзисторах 3 и 4 и помехами переключателя напряжения ,на элементах 10 и 11. Это позволяет улучшить разрешающую способность и точность измерения КН особенно на частотах повторения ПН более 10 кГц, а также в условиях меняющейся температуры окружающей среды. В устройств ключи 10 и 11 выполняют функцию временных селекторов, поочередно и противофазно находящихся в течение времени Т„ в проводящем и непроводящем состоянии. Поэтому требования к быст родействию узлов 10 и 11 проявляются в 20-30 раз ниже. Аналоговые сигналы свыходов пиковых детекторов 12 и 13, пройдя вычитающий элемент 14, преобразуются в напряжение (фиг. 2) 37 ( U,.R dt2/ пропорциональное разности мгновенных значений производной ПН в моменты времени t, и t. Полярность напряжения UQ зависит от знака измеряемого КН. Коэффициент задает чувствитальность измерителя и может менят ся путем ступенчатого измерения вели Зины коэффициента передачи К узла 1 Постоянное напряжение Ug преобра:зуется ключом-модулятором 15 в однополярное импульсное (Фиг. 3). Его среднее значение U каделяется стрелочным индикатором 16, имеющим двустороннюю шкалу с нулем посередине. Сигналы, управляющие ключом-модулятором, вырабатываются последовательно соединенными узлами24, 28,29 и 35 следующим образом. Усилитель 27 и резистор 26 преобразуют импульсы тока (1) в импульсы напряжения Ц(, (фиг. 2). На входе уси лителя включен фиксатор уровня для устранения погрешности преобразовани от накопления постоянного напряжения на дифференцирукицей емкости 25. Пиковое значение импульсов фиксируется детектором 28 в виде уровня постоянного напряжения U (фиг. 2), пропорционального максимальному зна чению производной контролируемого ПН 1 У1. dt /глслх где К - коэффициент усиления элемента 27; R2 сопротивление резистора 26. Интегратор 29 преобразует nocfOftHное напряжение U в пилообразное Ъ (фиг. 3) u,,it)-. i /гпа« ловторяющееся с частотой f 1 кГц след1ования разрядных шлпульсой U (фиг. 3), формируемых генератором зз стабильной частоты. В уравнений (6) Cj, - емкость конденсатора 31 f R сопротивление резистора 30. Компаратор 35 сравнивает пилообразное напряжение. с опорным Upf, от источника 36 и вырабатывает прямоугольные им-. пульсы , управляющие прово}1имостью ключа-модулятора 15. При этом на входе индикатора 16 выделяются однополярные импульсы напряжения (фиг. 3) с частотой повторения 1 кГц, дпительноЬтьюV- аш1литудой (4), равной величине .напряжения Ug. Индикатор 16 реагирует на их среднее значение (Vf VdirrAd / vat jmoix которое, как видно из (6), пропорционально КН между точками ПН, соответ-, ствующими положению импульсов вырезки, причем коэффициент пропорциональности . определяющий чувствительность всего Устройства, Гявляется величиной постоянной, не зависящей QT 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 ПН. В измерителе обеспечивается эффективное подавление шумовойсоставляющей контролируемого ПН. Для этого дифференцирующий каскад 1 переведен в режим малых токов, вырезки продифференцированного сигнала повторяются с частотой следования импульсов ПН, информация о разности производных ПН накапливается на пиковых детекторах 12 и ГЗ постепенно, индикация КН осу ществляется путем усреднения импульсов. f интегратор 29 производит трансформацию временного масштаба ПН Формула изобретения 1. Устройство для измерения коэфф циента нелинейности пилообразного на пряжения, содержащее дифференцируютдий блок, связанный через усилительограничитель и .буферный блок с объединенными входами двух ключей, два пиковых детектора, включенных каждый между выходом ключа и соответствующи входом аналогового вычитающего элемента, индикатор, соединенный через ключ-модулятор с выходом аналогового вычитающего элемента,формирователь строб-импульсов, два блока регулируе мых 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, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способност . и точности измерений, оно снабжено тремя двухвходовыми элементами И-НЕ и триггером, счетный вход которого

Ч

ri

ф1|%р«

2f

7 соединен с источником синхроимпульсов, каждый выход триггера подключен к первому входу соответствуюшегр элемента И-ПЕ 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, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона частот измеряемых напряжений, дифференцирующий рпок 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 вьтолнен в виде каскадного соединения дифференцирующей цепи и усилителя напряжения. источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Измерительная техника , 1974, № 9, с. 74-76. 2.Авторское свидетельство СССР № 742830,кл. G 01 R 29/02, 1978. (прототип).