Многоканальный метод измерений амплитудных значений напря-гний. Условия применимости. Оптимизация параметров вариантов схем (ухканальньїх измерителей и выигрыш в точности

Расчеты, проведенные для сигналов другой формы [1], показали, что при отклонении формы импульса от прямоугольной входное сопротивление снижается. Предел увеличению входного сопротивления за счет уменьшения U накладывает влияние паразитного прохождения сигнала через проходную гмкость диода [1].

Метод расчета, примененный автором для схем вентильных (диодных) автокомпенсационных преобразователей, распространен им и на другие схемы [1 ;2], использующие в качестве элемента сравнения амплитуды сигнала с постоянным напряжением согласованные высокочастотные транзисторные пары, широкополосные компараторы и операционные усилители. Полученные аналитические зависимости и графики применяются в инженерных расчетах схем преобразователей.

Среди схем сравнения амплитуды импульсных сигналов с сигналом постоянного тока получили распространение схемы[1;2;5;8;11], в которых это сравнение осуществляется на входе широкополосного компаратора, построенного на основе триггера на туннельном диоде, обладающего высокой скоростью переключения и стабильностью порогового уровня срабатывания (рис. 5).

Именно такой компаратор, работающий в режиме сравнения амплитуды гока сигнала 1вх с компенсирующим постоянным током If системы авторегу чирования [5], применен в модели промышленного импульсного милливольтметра В4-14 [4] .При анализе точности преобразования амплитуды наносекунд-ных сигналов малого уровня [1;2;5;11] необходим учет емкости туннельного циода Cd, ограничивающей скорость переключения триггера, и реальной вольт амперной характеристики туннельного диода:

Зависимость относительной погрешности, вызванной отклонением формы измеряемых импульсов от прямоугольной, в функции изменения амплитуды импульсов различной формы. (а) - трапецеидальная форма; (б) - радиоимпульсы и импульсы синусоидальной и колоколообразной формы; (в) - импульсы, имеющие скол вершины; (г) - импульсы с экспоненциально нарастающим

Схема компенсационного вольтметра с компаратором на туннельном диоде. расчета [1;2] получены аналитические выражения, определяющие изменение компенсирующего тока преобразователя Alf = If(Tu =оо) - If (ти), связанное с уменьшением длительности ти прямоугольных импульсов тока малой (Ijh «О амплитуды /„: где /, - пиковый ток туннельного диода; у"( 1)1 -модуль второй производной вольтамперной характеристики туннельного диода (нормированной к /,) в точке Ux экстремума тока /,; rd=Cd-Rd=Cd-UxIIx. Важно заметить, что абсолютная погрешность измерения А/, при малой относительной погрешности преобразования (Д/,/1вх «1) не зависит от амплитуды тока сигнала и составляет: MfIIx = 2i?{Td /ти )2/у"(1). (15)

Поэтому относительная погрешность пропорционально уменьшается при увеличении амплитуды. Использование этого обстоятельства позволило эффективно снизить погрешность преобразования анализируемого класса схем, применяя методы, рассматриваемые в разделе 1.2.

Результаты расчета для импульсов тока большой (/„//, 0,3) амплитуды [1], показывают, что относительная погрешность в этом случае также умень -26-шается с ростом амплитуды сигнала, хотя и более медленно, чем при малой амплитуде.

При использовании автокомпенсационных преобразователей в автоматизированных измерительных системах требуется увеличивать скорость измерений, определяемую временем, необходимым для получения нового результата измерения при скачкообразном изменении амплитуды измеряемого импульсного или переменного напряжения сигнала. Чтобы обеспечить высокую скорость измерений, стремятся уменьшить инерционность системы импульсного авторегулирования преобразователя, что может стать причиной возникновения динамической погрешности, снижающей точность измерений.

Основой традиционной схемы системы импульсного авторегулирования автокомпенсационного преобразователя амплитуды является интегратор, на накопительном конденсаторе которого в установившемся режиме поддерживается баланс зарядного (импульсного) и разрядного (постоянного) токов. Анализ такой системы [24] позволил получить расчетные кривые (рис.6), определяющие зависимость длительности переходных процессов от частоты следования

Диаграмма для расчета времени переходных процессов в системе авторегулирования автокомпенсационного преобразователя амплитуды импульсов в постоянное напряжение. соб пеР"Д собственной частоты переключения в установившемся режиме; Та = (1/ Fa) - минимальный период переключения в переходном режиме; F - частота следования импульсов сигнала; t0 - длительность переходного процесса при скачкообразном уменьшении амплитуды импульсов; ty - длительность переходного процесса при скачкообразном увеличении амплитуды импульсов. импульсов сигнала при различных параметрах генераторов зарядного и разрядного токов, определяющих точность в статическом режиме.

Предложено [24] для уменьшения переходных процессов при большом динамическом диапазоне изменения амплитуд сигнала использовать зарядные импульсы, имеющие постоянную вольт-секундную площадь. Выявлен механизм возникновения низкочастотной нестабильности («биения») выходного напряжения преобразователя. Показано, что время переходных процессов в традиционной схеме может быть уменьшено только за счет увеличения пульсаций и «биений» выходного напряжения, снижающих точность в статическом режиме.

Разработаны новые структурные схемы следящей системы авторегулирования, внедренные в приборах В4-14, И4-4, И4-5 и 34-20 [3;4;19;24], позволившие существенно (в 3 - 4 раза) уменьшить время переходных процессов без заметного снижения точности. С этой целью традиционная схема авторегулирования дополнена новыми элементами, включающимися только в переходном режиме и форсирующими этот режим. Выработаны рекомендации по оптимальному выбору параметров.

Таким образом, проведенный анализ схем амплитудных преобразователей показал, что при большом динамическом диапазоне изменения неинформативных параметров сигналов (длительности , частоты, формы) им присущи значительные погрешности, возрастающие при расширении спектра сигнала, поэтому требуется изыскание новых методов преобразования, снижающих эти погрешности. Найдены способы повышения скорости измерений автокомпенсационных преобразователей, определяющие возможности их использования в автоматизированных измерительных системах. Намечены направления исследований в области повышения быстродействия и точности.