Устройство для контроля динамических параметров компараторов

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОМПАРАТОРОВ(57) Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике. Цель - повышение достоверности контроля, Устройство содержит компаратор 1, потенциометр 2, микроамперметр 3, пороговый элемент 4, элемент ИЛИ-НЕ 5, триггер 6, генератор 7 импульсов, аналоговый ключ 8, частотомер 9, аналоговый ключ 10 с соответствующими связями. 1 з.п, ф-лы, 2 ил,Квант" оэлект- Высшая оаналогоазователи олова, Л.: 1 :Г фур ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСИзобретение относится к области цифровой электроизмерительной техники и может быть использовано для исследования и контроля быстродействия микросхем компараторов, а также для регулировки динамических параметров микромощных компараторов, применяемых в интегрирующих вольтметрах и аналого-цифровых преобразователях (АЦП) с частотным и временным преобразованием,Известные устройства для измерения динамических параметров компараторов содержат клеммы для подключения объекта контроля, источники постоянного и ступенчато-изменяющегося напряжений и измерители интервалов времени 1,Достоверность контроля динамических параметров компараторов известными устройствами ограничена, во-первых, техническими трудностями измерения малых интервалов времени срабатывания компараторов; составляющих десятки наносекунд - единицы микросекунд, и, во-вторых, существенным отличием условий контроля от реальных режимов эксплуатации компараторов в составе интегрирующих частотных и временных преобразователей.При контроле известными устройствами на входах компаратора формируется ступенчатое изменение разности двух напряжений, поэтому время срабатывания определяется суммой интервала времени выхода из насыщения входных каскадов компаратора и длительности фронта его выходного напряжения, В интегрирующих АЦП на один из входов компаратора подается линейно-изменяющееся напряжение, поэтому входные каскады компаратора выходят из насыщения до момента равенства сравниваемых напряжений, вследствие чего динамические параметры зависят от ко,эффициента усиления, разрешающей способности и скорости нарастания напряжения компаратора. Наиболее близким по технической сущности (и рототипом) является устройство для контроля динамических параметров компараторов, содержащее клеммы для подключения объекта контроля, одна из которых соединена с пороговым элементом, имеющим управляющий вход и прямой и инверсный выходы, первый и второй аналоговые ключи, выходы которых объединены и через резистор соединены с первым выводом конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине устройства, Кроме того, вход первого аналогового ключа соединен с источником напряжения положительной полярности 2, 5 10 15 Недостатком этого устройства является малая точность измерения динамических параметров компаратора, ограниченная влиянием температурного дрейфа напряжения смещения и шумовыми свойствами усилителей, через которые входы объекта контроля подключены к источникам сравниваемых напряжений.Целью изобретения является повышение достоверности контроля динамическихпараметров компараторов,Цель достигается тем, что в устройство, содержащее клеммы для подключения объекта контроля, пороговый элемент, имеющий управляющий вход и прямой и инверсный выходы, первый и второй аналоговые ключи, выходы которых объединены ичерез резистор подключены к первому выводу конденсатора, второй вывод которого20 соединен с общей шиной устройства, а входпервого аналогового ключа соединен систочником напряжения положительнойполярности, дополнительно введены генератор импульсов, частотомер и последова 25 тельно соединенные потенциометр имикроамперметр, соединенный с общейшиной устройства, неинвертирующий входобъекта контроля соединен с первым выводом конденсатора, инвертирующий вход - с30 источником регулируемого напряжения, аустановочный вход объекта контроля подключен к одному из выводов потенциометра, Вход второго аналогового ключасоединен с источником напряжения отрица 35 тельной полярности, а управляющие входыпервого и второго аналоговых ключей соединены соответственно с прямым и инверсным выходами порогового элемента,управляющий вход которого подключен к40 выходу генератора импульсов, Вход частотомера соединен с прямым выходом порогового элемента,Кроме того, пороговый элемент выполнен на двухвходовом логическом элементе45 ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с О-входом триггера, Первый вход логического элемента ИЛИ-НЕ является входом пороговогоэлемента, второй вход логического элемента ИЛИ-НЕ соединен с синхронизирующим50 входом триггера и является управляющимвходом порогового элемента, а выходы триггера используются в качестве прямого и инверсного выходов порогового элемента.На фиг. 1 приведена структурная схема55 устройства для контроля динамических параметров компараторов; на фиг,2 представлены временные диаграммы работы этогоустройства.Устройство содержит контролируемыйкомпаратор 1, установочный вход которого(т.е. вход, используемый для установки значения рабочего тока компаратора) черезпотенциометр 2 и микроамперметр 3 подключен к нулевой шине источника питания.Выходкомпаратора 1 соединенсинформационным входом порогового элемента 4, содержащего двухвходовой логическийэлемент ИЛИ-НЕ 5 и триггер 6, а управляющий вход порогового элемента 4 подключенк выходу генератора импульсов 7, прямой 10выход триггера 6 соединен с управляющимвходом первого аналогового ключа 8 и входом частотомера 9, а инверсный выходтриггера 6 подключен к управляющему входувторого аналогового ключа 10. 15На аналоговый вход ключа 8 подаетсяположительное Оо, а на аналоговый входключа 10 - отрицательное напряжение Оо,Объединенные выходы ключей 8, 10 черезинтегрирующее ВС-звено, содержащее резистор 11 и конденсатор 12, подключены кнеинвертирующему входу компаратора 1,на инвертирующий вход которого подаетсярегулируемое напряжение Ох,Устройство работает следующим абразом.При включении питающего напряжениякомпаратор 1 устанавливается в исходноесостояние, определяемое усиленной разностью его входных напряжений (012-Овх). На 30инвертирующий вход компаратора подается напряжение Овх 0, а напряжение 012 наконденсаторе 12 в начальный момент имеетнулевое значение, поэтому при большом коэффициенте усиления К 1 1 компаратора 35его входное напряжение 01 =О. Напряжение 01 с выхода компаратора 1 поступает напороговый элемент 4, стробируемый импульсами генератора 7, При напряжении 01 ф0 на интервалах времени между импульсами генератора 7 логический элемент ИЛИНЕ 5 срабатывает, и на его выходеформируется последовательность импульсов, поступающих на О-вход триггера 6, Импульсы с выхода генератора 7 поступают 45также на вход синхронизации триггера 6,стробируемого передними фронтами этихимпульсов, При этом триггер 6 устанавливается в единичное логическое состояние,и на его прямом выходе появляется напряжение 06, коммутирующее ключ 8, черезкоторый на интегрирующее ЯС-звено 11,12 подается опорное напряжение Оо положительной полярности. Напряжение 012на конденсаторе 12 увеличивается по экспоненциальному закону с постоянной времениТ=В 11.С 12, определяемой сопротивлением811 и емкостью С 12 конденсатора 12. Приповышении напряжения 012 до значения 012 Овх+ Ь О, превышающего напряжение Овх на порог срабатывания ЛО, компаратор 1 срабатывает, и его выходное напряжение 01 начинает возрастать до порогового уровня срабатывания Опор 5 логического элемента 5, При 01 Опор 5 элемент 5 прекращает формирование выходных импульсов независимо от наличия импульсов напряжения 07 генератора 7, триггер 6 устанавливается в нулевое логическое состояние. Ключ 8 размыкается, а ключ 10 - замыкается, так как на его управляющем входе появляется сигнал единичного логического уровня, поступающий с инверсного выхода триггера 6. Через замкнутый ключ 10 на резистор 11 и конденсатор 12 подается опорное напряжение отрицательной полярности -Оа вызывающее разряд емкости С 12 конденсатора 12. Когда напряжение на конденсаторе 12 становится меньше входного напряжения Ох, компаратор срабатывает и возвращается в исходное состояние, вызывая соответственно повторные срабатывания триггера 6, размыкающего ключ 8, Затем процесс повторяется.В установившемся режиме (фиг, 2) компаратор 1 работает в авто колебательном режиме, так как в предложенном устройстве контролируемый компаратор охвачен цепью импульсной отрицательной обратной связи через пороговый элемент 4, ключи 8, 10 и интегрирующую цепь 11, 12. При этом на выходах триггера 6 формируется последовательность импульсов, частота которых зависит от скорости нереэаряда емкости С 12 конденсатора 12 и параметров исследуемого компаратора 1.Особенность практического использования компараторов в интегрирующих цифровых вольтметрах и АЦП с частотно- временным преобразованием заключается в том; что они применяются для выделения моментов равенства линейно нарастающего или линейно спадающего напряжения постоянной крутизны с установленным уровнем. В частности, в интегрирующих АЦП с временным преобразованием компаратор служит для сравнения с нулевым уровнем (Ох=О) выходного напряжения и интегратора, имеющего постояйную времени Т=сопзс, на интервалах разряда интегрирующей емкости С стабильным напряжением .Оо. Аналогичную функцию выполняет компаратор и в различных преобразователях напряжения в частоту. Вследствие этого для обеспечения высокой достоверности контроля динамических параметров предложенным способом в устройстве (рис, 1) следует устанавливатьаналогичную реальным условиям эксплуатации компаратора крутизну (Оо/Т) нарастания напряжения О 12 на конденсаторе 12выбором соответствующих значений сопротивления Ярезистора 11, емкости С 12 5конденсатора 12 и напряжений +Оо, подаваемых через аналоговые ключи 8 и 10 наинтегрирующее ВС-звено.Быстродействие микромощных компараторов зависит от рабочего тока (тока потребления), при повышении которогоуменьшается время задержки срабатывания.Для установки рабочего тока используют дополнительный установочный вход, на 15который подают ток у,. Значение тока устзависит от напряжения питания компаратора Опит и сопротивления В 2 потенциометра2 (фиг. 1) уст = Обит/В 2, поэтому регулировкой сопротивления В 2 потенциометра 2 20обеспечивают изменение рабочего тока и,соответственно, динамических параметровкомпаратора в широком диапазоне,Требование к времени срабатываниятр компараторов и интегрирующих АЦП определяется тактовой частотой 1 о, т.е, дляобеспечения погрешности, не превышающей единицы младшего разряда АЦП, необходимо, чтобы компараторы успевалисрабатывать не менее двух раз за один период тактовой частоты: тср1/2 ГО. Вследствие этого минимально допустимоезначение частоты срабатываний триггера6 в устройстве (фиг. 1) необходимо выбирать аналогичным тактовой частоте 5 о АЦП 35или интегрирующих вольтметров, в которыхпредполагается использование исследуемых ком парато ров.Изменение частоты срабатываний триггера 6 обеспечивается регулировкой рабочего тока и, соответственно, динамических.параметров исследуемого компаратора 1,поэтому устанавливая, например, в началепроцесса контроля максимальный рабочийток исследуемого компаратора 1 (максимальную частоту срабатываний триггера 6)и последовательно уменьшая рабочий токкомпаратора, с помощью потенциометра 2можно обеспечить минимально допустимое значение частоты 1 мин0 и, соответственно, максимально допустимое времясрабатывания компаратора сср1/2 минпри установленной крутизне(Оо/ВоС 11) напряжения на конденсаторе 12. Для измерения частоты срабатываний триггера 6 применен частотомер 9, а микро- амперметр 3 используется для определения значения тока уст, обеспечивающего необходимое быстродействие исследуемого компаратора 1.Стробирование логического элемента 5 и триггера 6 необходимо выполнять с частотой дискретизации Гдмин, например, с частотои тд чтмн, что позволяет существенно ослабить ее влияние на достоверность контроля.К достоинствам устройства относятся его широкие функциональные возможности. В частности, регулировка напряжения Овх на инвертирующем входе компаратора 1 позволяет оценить изменение динамических параметров исследуемого компаратора в диапазоне входных напряжений. Кроме того, регулируя рабочий ток компаратора с помощью потенциометра 2, можно исследовать зависимость динамических параметров от рабочего тока компаратора. Наряду с этим по скважности выходных импульсов триггера 6 можно судить об относительной несимметрии скоростей нарастания и спада выходного напряжения компаратора, т.е, скважность 0=2 будет только в случае равенства переднего и заднего фронтов выходных импульсов компаратора, а при 02 или 0 2 длительность заднего фронта будет соответственно больше или меньше длительности переднего фронта выходных импульсов компаратора.При установке стабильных значений параметров В 11, С 2 и Оо в предложенном устройстве можно оценить разрешающую способность Л О (зону нечувствительности) исследуемого компаратора при ОоОвх по соотношению ЬО=Оотср/г=Оо/(2 ВюСфВысокая точность устройства для контроля динамических параметров компараторов достигается за счет того, что в процессе исследований производится измерение частотного сигнала, и при установке длительности цикла Тц измерения частоты кратной среднему периоду помехи промышленной частоты 50 Гц (например, Тц=1 с) обеспечивается значительное ослабление влияния промышленных и высокочастотных помех на результат измерения даже в случаях исследования высокочувствительных компараторов, Кроме того, за счет установки интегрирующего ЯС-звена непосредственно на входе компаратора исключается влияние коммутационных помех, возникающих при срабатывании аналоговых ключей 8, 10 (фиг. 1), которые принципиально нельзя исключить в известных устройствах для контроля динамических параметров, использующих скачкообразное изменение сигнала на одном из входов компаратора.Формирование входных сигналов, аналоговых или эквивалентных по форме рабочим сигналам компараторов в режиме их эксплуатации, позволяет значительно повысить достоверность контроля динамических 5 параметров компараторов при одновременной минимизации их потребляемой мощности.В предложенном устройстве логические элементы 5, 6 могут быть собраны на микро схемах К 561 ЛЕ 5, К 561 ТМ 2, а в качестве аналоговых ключей 8, 10 может быть применена микросхема К 561 КП 2. В качестве генератора 7 может быть использован генератор импульсов Г 5-54, в качестве частотомера 9 - 15 частотомер Ч 3-54, а в качестве микроампер- метра - цифровой измеритель постоянного тока Щ 68009.Для формирования регулируемого Овх и опорных .Оо напряжений и в качестве ис точника питания устройства могут быть использованы блоки питания Б 5-30, Потенциометр 2 - типа СП 5-3, резистор 11 - типа С 2-29, а конденсатор 12 - типа К 73 П,25Формула изобретения1, Устройство для контроля динамических параметров компараторов, содержащее последовательно соединенные клеммы для подключения объекта контроля и поро говый элемент, содержащий управляющий вход, прямой и инверсный выходы, первый и второй аналоговые ключи, выходы которых объединены и подключены к первому выводу первого резистора, второй вывод ко торого подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, первый вход первого аналогового ключа соединен с источником напряжения положительной полярности, отл ича ю щееся тем, что, с целью повышения достоверности контроля, в него введены генератор импульсов, частотомер, последовательно соединенные потенциометр и микроамперметр, соединенный с общей шиной устройства, неинвертирующий вход объекта контроля соединен с первым выводом конденсатора и вторым выводом первого резистора, а инвертирующий вход - с источником регулируемого напряжения, установочный вход - с одним из выводов потенциометра, первый вход второго аналогового ключа соединен с источником напряжения отрицательной полярности, а управляющие входы первого и второго аналоговых ключей соединены соответственно с прямым и инверсным выходами порогового элемента, а вход частотомера подключен к прямому выходу порогового элемента,2, Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е еся тем, что пороговый элемент выполнен на двухвходовом логическом элементе ИЛИНЕ, выход которого соединен с О-входом триггера, причем первый вход элемента ИЛИ-НЕ является входом порогового элемента, второй вход элемента ИЛИ-НЕ соединен с синхронизирующим входом триггера и является управляющим входом порогового элемента, а выходы триггера используются в качестве прямого и инверсного выходов порогового элемента.1765792 21;р = едактор Т. Шагова Корректор А Ворови Тираж Подписноественного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 3384 ВНИИПИ Госу ставите хред М. Б. Иван ргентал