Устройство для измерения токовых шумов резистивных структур

(71) Казанский авиационный институт им.А.Н.Туполева(56) Велитов Р.А. и др. Методы измеренияосновных характеристик флуктуационныхсигналов. Изд-во ХАИ, 1961.1Авторское свидетельство СССРМв 200632; кл. 6 01 й 19/02, 1967.Авторское свидетельство СССРВ 251085, кл, 6 01 Я 19/02, 1966,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВЫХ ШУМОВ РЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР(57) Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для создания высокочувствительных приборов,применяемых для электрофлуктуационнойдиагностики, Цель изобретения - увеличе-ние чувствительности и точности, а такжебыстродействия, измерения токовых шумоввысокоомных резистивных структур за счет автоматического 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, включенным в перестраиваемое плечо входного блока 5 мостового типа, в одноиз плеч которого включена резистивная структура. Кроме того, устройство содержит генератор 1 низкой частоты, управляемый ключ 2, сумматор 3, генератор 4 высокой частоты, широкополосный мало- шумящий усилитель 6, детектор 7, избирательный усилитель 8, два синхродетектора 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 мрщности рассеяния. 7 ил.аавЪ СЛ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 1714526 А 1Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для создания высокочувствительных приборов,применяемых для электрофлуктуационнойдиагностики,Известны устройства, измеряющиеуровни шума резистора прямым, косвенным, компенсационным, корреляционным имодуляционным методами, Прямой и косвенный методы измерения обладают невысокой чувствительностью, а из оставшихсятрех методов модуляционный является наиболее перспективным ввиду его высокойпомехозащищенности и простоты аппаратурной реализации.Известно устройство для измерения избыточных (трковых) шумов непроволочныхсопротивлений, содержащее источники постоянного и переменного напряжений, последовательно подключенные кпоследовательно соединенным измеряемому резистору, разделительному трансформатору, широкополосному усилителю,детектору, синхродетектору, опорный каналкоторого соединен с источником переменного напряжения, и регистрирующему вольтметру.К недостатку этого устройства относится применение входного устройства немостового типа, в котором, хотя иосуществляется бесконтактная модуляциятоковых шумов измеряемого резистора, ноне происходит их отделения от модулирующего напряжения, в то время как во входномустройстве мостового типа осуществляетсябесконтактная балансовая модуляция измеряемых токовых шумов резистора,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее последовательносоединенные генератор низкой частоты,входное устройство мостового типа, в одноплечо которого включен измеряемый, а вдругое плечо - проволочный резисторы, широкополосный малошумящий усилитель, детектор, избирательный усилитель ирегистрирующий блок.Однако в этом устройстве, во-первых,необходимо точно измерить номинал измеряемого резистора перед процессом измерения и вручнуюсбалансировать входноеустройство мостового типа; во-вторых, впроцессе измерения возможна разбалансировка входного устройства, например, из-заразных ТКС измеряемого и эталонных резисторов, что в конечном счете ограничиваетпредельную чувствительность и точностьизмерения, так как часть модулирующегонапряжения попадает на вход широкополосного малошумящего усилителя, вызывая10 15 20 25 45 50 55 30 35 40 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 детектирование отфильтрованной огибающей токовых, которое обладает низкой помехозащищенностью по сравнению ссинхронным 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 детектор 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 соответствующими входами входного блока мостового типа, выход генератора высокой 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 управляющего ключа и первым входом блока управления, другие входы которого соединены с соответствующими выходами второго и третьего компараторов, и выходов блока управления через блок ключей соединены с соответствующими и входами управляемого декадного магазина сопротивлений, выход избирательного усилителя через первый синхродетектор соединен с входом блока регистрации,На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2- 4 - амплитудные характеристики компараторов; на фиг, 5 - временнье диаграммы, поясняющие работу блока управления.Устройство содержит генератор 1 низкой частоты, который через управляемыйключ 2 и сумматор 3, к второму входу которого подключен генератор 4 высокой частоты, подключен к входному блоку мостового типа 5, в 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 часто-. ты с частотой 1 о, 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 третий 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 балансировок. Блок управления 15 управляет работой блока 16 ключей, состояние которых определяют номинал резистора, включенного в перестраиваемое плечо мостового входного блока 5. Декадный магазин сопротивлений 17 представляет собой набор резисторов с номинальными сопротивлениями, соотносящимися между собой в пределах одной декады как 1:2:4:8,которые коммутируются контактами герконовых реле.Если величина разбаланса входного мо 5 стового блока 5 велика, т.е, напряжение навыходе синхродетектора 11 больше, чем пороговое напряжение первого компаратора12 см, фиг. 2), то блок управления 15 работает по следующему алгоритму, Допустим,10 что сопротивление измеряемого резисторабольше, чем начальное установленное сопротивление декадного магазина сопротивлений 17. Блок управления 15 изменяетсостояние блока 16 ключей так, что сопро 15 тивление декадного магазина сопротивлений 17 увеличивается на единицу старшего,разряда, Если знак разбаланса входногоблока 5 не изменился, то блок. управления15 изменяет. состояние блока 16 ключей так,20 что сопротивление декадного магазина сопротивлений опять увеличивается на единицу старшего разряда,Так будет до тех пор, пока после очередного увеличения сопротивления декадного25 магазина 17 на единицу старшего разрядане изменится знак разбаланса входногоблока 5. Тогда блок управления 15 изменитсостояние блока 16 ключей так, что сопротивление декадного магазина сопротивле 30 ний 17 уменьшится на единицу старшегоразряда, при этом опять сменится знак р;:- баланса входного блока 5, Теперь блок управления 15 изменит состояние блока 16ключей так, что сопротивление декадного35 магазина сопротивлений 17 увеличится наединицу разряда, меньшего старшего наединицу. Если знак раэбаланса входногоблока 5 не изменился, то блок управления15 изменит состояние блока 1.6 ключей так,40 что сопротивление декадного магазина сопротивлений 17 опять увеличится на единицу разряда, меньшего старшего на единицу,и т.д. Такой режим работы блока управления15 будет до тех пор, пока напряжение на45 выходе синхродетектора 11 превышает пороговое напряжение первого компаратора12. Как только напряжение на выходе синхродетектора 11 станет меньше пороговогонапряжения первого компаратора 12, но50 больше порогового напряжения второгокомпаратора 13, тогда блок управления 15автоматически переходит в режим точнойбалансировки и работает по следующемуалгоритму, Блок управления 15 изменяетР- состояние блока 16 ключей так, что сопротивление декадного магазина сопротивлений 17 увеличивается на единицу младшего.разряда. Если напряжение на выходе синхродетектора 11 при этом будет больше, чемпороговое напряжение второго компарато1714526 В процессе измерения возможна малая разбалансировка входного блока 5 из-за це, лого ряда причин, в том числе и из-за разных 7ра 13, то блок управления 15 изменитсостояние блока 16 ключей так, что сопротивление декадного магазина сопротивлений 17 опять увеличится на единицумладшего разряда и т.д. Так будет до техпор, пока напряжение на выходе синхродетектора 11 не станет меньше пороговогонапряжения второго компаратора 13. Приэтом входной блок 5 будет сбалансирован сточностью не хуже +.0,5 номинала единицымладшего разряда декадного магазина сопротивлений 17.Аналогично блок управления 15 работает в том случае, когда сопротивление измеряемого резистора меньше, чем начальноустановленное сопротивление декадногомагазина сопротивлений 17.Блок управления 15 содержит тактовыйгенератор, который определяет частоту переключения герконовых реле в декадноммагазине сопротивлений 17, которая можетдостигать десятков и даже единиц сотенгерц, десятичные реверсивные счетчики,число которых соответствует числу декад вдекадном магазине сопротивлений 17, Причем выходные сигналы компараторов 12 и13 определяют порядок счета, а выходнойсигнал компаратора 14 - направление счета.Управляемый ключ 2 блокирует подачумодулирующего напряжения с частотой Родо тех пор, пока блок управления 15 работает. в режиме грубой балансировки. Это необходимо для того, чтобы не вывести из строяширокополосный усилитель 6 при подачебольшого напряжения модуляции с частотой Го на несбалансированный входнойблок 5. Как только блок управления 15 переходит в режим точной балансировки, ключ 2замыкается, и на входной блок 5 с выходасумматора 3 подается модулирующее напряжение видаОм(с) = Оы(1 + зп 2 Еот)+ Оп 12 зпФот,где Ом(т) - мгновенное значение модулирующего напряжения,Ои - амплитудное значение модулирующего напряжения с частотой Ео,ОП 2 - амплитудное значение модулирующего напряжения с частотой 1 о, причемОщ 1Ощ 2, тОРОВыделенный во входном блоке 5 амплитудно-модулированный шумовой сигналусиливается широкополосным усилителем6, детектируется в детекторе 7, далее в избирательном усилителе 8, настроенным начастоту модуляции Го, осуществляетсяпредварительная фильтрация, после чего отфильтрованная огибающая токовых шумовподается на синхродетектор 9, в которомона преобразуется в сигнал постоянного тока и поступает на блок регистрации 10. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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, входной блок 5 всегда будет сбалансирован,Наличие малого по величине сигнала на выходе широкополосного малошумящего усилителя 6 с частотой 1 о 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 10 попадала в полосу пропускания - 1 в широкополосного малошумя щего усилителя 6, при этом возможно выполнение условия О 1Оп 2.,Пороговое напряжение второго компаратора 13 выбирается экспериментально и равно напряжению на выходе синхродетектора 11, при котором 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 чувствительности1714526 5 оставитель Е.Кущ хред М.Моргентал едактор Т. Иванова Те Корректор О, Ку роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго Гагарина, 101 аказ 690 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5