Устройство для измерения коэффициента нелинейности пилообразного напряжения

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДИТИЬЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик п 1978077(61) Дополнительное к авт. сеид-ву(22) Заявлено 04.05.81 (21) 3283803/18" 21 6 01 В 29/02 с присоединением заявки М -Государственный комитет СССР по делам изобретений(23) Приоритет Опубликовано 30.11.82. Бюллетень йо 44 Дата опубликования описания 30. 11,82 33)УДК 621. 317.(72) Авторы изобретения Е.М. Кузнецов н С.Г, Кузнецова Омский политехнический институт(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА НЕЛИНЕЙНОСТИ ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ еИзобретение относится к электроиэмерительной технике и предназначено для измерения коэффициента нелинейности (КН) пилообразных напряжений (ПН) в широком диапаэОне частот повторения (от десятков Гц до сотен кГц) и может быть использовано при создании устройств для автоматического контроля параметров генераторов 16 ПН различного назначения.Известно устройство измерения КН в котором КН измеряется на основе диФференцирования ПН. Измеритель прост в реализации, достаточно точен и высокочувствителен (разрешающая способность устройства 0,001%)(1).Недостатком этого устройства явля-. ется невозможность непосредственного отсчета значений и знака КН, отсутствие автоматизированных измерений КН.Наиболее близким к предлагаемому является устройство измерения коэффициента нелинейности, содержащее дифференцирующяй каскад, ограничитель, буферный каскад, стробирующие каскады, 25 в состав которых входят блоки регулируемых временных задержек, формирователи строб-импульсов и ключи - пи" ковые детекторы, аналоговый вычитающкй элемент, индикатор и канал преоб- ЗО разования скорости нарастания пилообразного напряжения в скважность, включающий 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 свя" эан с управляющим входом ключа-модулятора (2).Недостатком такого устройства является сравнительно узкий диапазон частот повторения ПН, в пределах ко" торого обеспечивается определение ЦН с приемлемой точностью, Расширение верхней границы диапазона частот сдерживается динамическими параметрами ключей (временем перехода из закрытого состояния в открытое и время обратного перехода), которые работают в режиме перекхпочения напряжения. Максимальная частота коммутации быстродействующих ключей яапряженин, реализуемых в настоящее время .на интегральных прерывателях, имеет порядок 10 Гц.ь Она ограничивает минимальную возможную длительность импульсов вырезки йавеличиной (2-3)10 ос. Во избежайие существенной неточности определенияКН длительность прямого хода ПН должна в 20-30 раз превышать длительность импульсов вырезки, те. быть не менее (40-90)10 с. Следовательно, макси" мальная.частота повторения ПН (величина, обратная его длительности) лими тируется для прототипа значениями (12-25)10 Гц, которые не выходят эа границы диапазона звуковых частот,Другим недостатком этого устройства является относительно малая чувствительность в диапазоне температур, Величина последней составляет примерно 0,1, что почти на два порядка ниже разрешающей способности известных устройствоснованных на диффе ренцировании ПН. Опыт использования прибора показывает, что среди факто- ров, лимитирующих его чувствительность, важное значение (особенно при малой длительности ПН) имеют комму" 2 О тационные помехи, возникающие в клю-, чах. Они образуются в моменты их переключения при прохождении фронтов строб-импульсов через формирователь стробов в цепь коммутируемого сигнала, через емкости рпереходов или затворов ключей. Амплитуда помех (вы- брос) может быть достаточно большой величины (десятки-сотни милливольт)и зависит от типа аналогового ключа, крутизны фронтов и амплитуды управляющих строб-импульсов, величины коммутируемого сигнала, входного сопротивления пиковых детекторов, от паразит" ных емкостей схемы.35Эти выбросы накладываются на вершины импульсов вырезки и воспринимаются пиковыми детекторами как полезный сигнал. Следует заметить, что сами по себе выбросы напряжения, ге нерируемые ключами могут быть скомпенсированы и непосредственно не влияют на чувствительность прибора, Однако нестабильность их амплитуды с течением времени, а также при измерении окружающей температуры и нестабильности управляющих строб-импульсов неизбежно вызывает погрешность выделенйя разности производных ПН в,близкие моменты времени, которая ограни" чивает разрешающую способность прибора, что приводит к появлению ошибки КН. Величина этой ошибки может быть существенно уменьшена благодаря дифференциальной схеме включения ключей и пиковых детекторов. Тем не менее с уменьшением длительности контролируемого ПН эта ошибка увеличивается и на частотах повторения ПН более 10 кГц ее влияние на разрешающую способность прибора становится опреде 4 ляыщим.Источником погрешности в приборе при измерении КН являются также не- идентичность фронтов, амплитуд и длительностей строб-импульсов, выраба тываемых формирователями строб-импульсов. различия в крутизне, амплитуде и длительности строб-импульсов,отпирающих ключи создают дополни,тельную погрешность определения КН,причем с уменьшением длительности ПНвеличина этой погрешности монотонноувеличивается,Цель изобретения - расширение диапазона частот измеряемых сигналов,повышение разрешающей способности иточности измерений,Указанная цель достигается тем,что в устройство, содержащее диффе-,ренцирующий блок, связанный черезограничитель и буферный блок с объединенными входами двух ключей, двапиковых детектора, включенных каждыймежду выходом ключа в соответствующим входом аналогового вычитающегоэлемента, индикатор, соединенный через ключ модулятор с выходом аналогового вычитающего элемента, формирователь строб-импульсов, две регулируемые временные задержки, включенныевходами к источнику синхроимпульсов, а также последовательно соединенные дифференцирующи 9 элемент, третий пиковый детектор, интегратор с разрядным ключом, коммутируемым от генератора импульсов фиксированной частотыи компаратор, второй вход которогоподключен 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, снабжено тремя двухвходовыми элементами И-НЕ 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 соединены с формирователем строб-имйульса, подключенным своим выходом к управляющему входу дифференцирующего блока, причем последний выполнен 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 полюсу источника питания, коллектор второго транзистора соединен с этим источником через резистор и является выходом блока, база первого транзистора является управляющим входом блока, база второго транзистора подключена к общему пРоводу, причем дифференци10 рующий элемент выполнен в виде каскадного соединениядифференцирующейцепи и усилителя напряжения,На фиг. 1 показана функциональнаяэлектрическая схема устройства; нафиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип оаботы устройства.Устройство содержит дифференцирующий блок 1, состоящий из дифференцирующей емкости 2, соединенной с переключателем ненасыщенного тока натранзисторах 3 н 4, эмиттеры которыхобъединены и связаны с диодом 5 ирезистором б, а коллектор транзистора 3 через резистор 7 подключен кположительному источнику питания. 15Выход дифференцирующего блока 1через ограничитель 8 и буферный блок9 связан с объединенными входами двухключей 10 и 11 напряжения, соединенных через пиковые детекторы 12 и 13 2 Ос соответствующими входами аналогового вычитающего элемента 14, подключенного через ключ-модулятор 15 к индикатору 16Устройство содержит также два блока 17 и 18 регулируемыхвременных задержек, счетный триггер19, два элемента И-НЕ 20 и 21, связанные через третий элемент И-НЕ 22с формирователем 23, когорый а своюочередь соединен с управляющим входом дифференцирующего блока 1, Помимо названных узлов предлагаемое устройство содержит дифференцирующийэлемент 24, состоящий из дифференцирующей цепи 25 и 26 и усилителя 27напряжений, третий пиковый детектор28, интегратор 29 с зарядной цепью30 и 31 разрядным ключом 32, коммутируемым от генератора 33 импульсовфиксированной частоты и усилителем 3напряжения, связанный с первым входом компаратора 35, а также источник36 опорного напряжения, подключенныйк второму входу компаратора 35.Устройство работает следующим образом. 45В исходном состоянии входы устройства отключены от источников пилообразного и синхронизирующего 0 напря-,жений, При этом уровни напряжений0, 0 узлов 17, 18 и 22 равнылогическому 0, напряжения 0, 04элементов И-НЕ 20 и 21 имеют уровеньлогической 1 ф, выходные напряжения0, Оз Узлов 27, 28 и 29 Равнй нулю. Триггер 19 находится в произвольном состоянии. Один из ключей(например, ключ 10) открыт потенциалом 1 ф, поступающим с соответствующего выхода триггера 19. Другой ключзакрыт, т.е. не проводит ток. Формирователь строб-импульсов 23 находится в ждущем режиме. Его выходное на-.пряжение 0 , действующее на вход управления дйфференцирующего блока 1,равно +0,3 В. Напряжение на эмиттерахтранзисторов 3 и 4 составляет -0,3 В н слабо зависит от тока, протекающего через высокоомный резистор б. Заметим, что величина этого токаопределяет значение входного определения.транзисторов и выбирается из соображений обеспечения необходимой точности диФференцирования ПН. Смешение наэмиттерном переходе транзистора 3равно 0,3 В, т.е. меньше порога егоотпирания, вследствие чего транзисторфактически закрыт. Прямое смешениеэмиттерного перехода транзистора 4составляет 0,6 В. Поэтому транзистор4 открыт, ненасыцен и пропускает токрезистора б. Ограничитель 8 фиксируетвыходное напряжение дифференцирующего блока 1 на уровне 0 т = 0 нор (Фиг.2).БуФерный блок 9 сдвигает уровень вы-ходного напряжения 0 з относительновходного 0 на величину 0 и передает на выходбез ослабления переменную составляющую напряжения 0 . Поэтому напряжения 0 з, 0 з и 0,6 блоков9, 14 и 15 в исходном состоянии равны нулю. Ключ-модулятор 15 открытположительным потенциалом, поступающим с выхода компаратора 35,В рабочем состоянии на измерительный вход устройства подается пилооб-разный сигнал 0(фиг. 2), а на входы элементов 17,18 и 19 с частотой повторения Тц поступают импульсы синхро" низации О, управляющие также работой контролируемого генератора ПН. Передние фронты синхроимпульсов переключают по счетному входу триггера 19, формирующего на своих выходах Я и Я две последовательности прямоугольных противофазных импульсных сигналов (Фиг. 2) с периодом йовторения 2 Тп, 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 0 , совпадающие с, началом прямого хода ПН, приводят в действие регулируемые блоки временных задержек 17 и 18Последние вырабаты" вают положительные импульсы 0 и 0 (Фиг. 2), длительности которых , йотсчитйваемые 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 зависи-. мости от состояния триггера 19 они инвертируют и пропускают на входы схемы И-НЕ 22 либо импульс 0, либо импульс 0 ; Элемент 22 логически суммирует и йнвертирует поочередно приходящие на его входы нулевые уровни сигналов 0 з и 0. На выходе элементаФормируются следующие друг за другом положительные импульсы О длительностьюи 1 соответственно(фиг. 2), расположенные в соседних периодах ЙН. Задние фронты импульсов запускают Формирователь 23, вырабатывающий отрицательные строб-импульсы Оь(фиг.2 амплитудой 0,6 В, которые воздейству. ют на управляющий вход дифференцирую щего каскада.Таким образом, в предлагаемом уст 10 ройстве стробирующие сигналы в отличие от устройства-прототипа формируются одним элементом 23, а строб-им-. пульсы, соответствующие задержкам 1., и , разнесены в соседние периоды 15 ПН и полностью идентичны.по своим параметрам. Поэтому в предлагаемом устройстве полностью исключена погрешность измерения КН, обусловленная различием в параметрах строб-импульсов. 20 Это способствует улучшению разрешаю- щей способности и точности устройства в диапазоне рабочих температур.Пилообразное напряжение 0 дифференцируется элементами 2 и 25, имею щими одинаковую емкость. С, и преобразуется ими в импульсы тока80Э=с - Ж(И30Импульс тока, приходящий на эмиттеры транзисторов 3 и 4, полностью проходит в коллекторную цепь открытого ненасыщенного триода так же, как и ток резистора б. Состояние закрыто го транзистора 3 при этом не изменяется. Уровень напряжения 01 на выходе ограничителя остается равным Оз . С появлением в момент времени 1 строб-импульСа - О,б В потенциал общеэмиттерной точки транзисторов из 40 меняется от -0,3 В до -О,б В и транзисторы на время действия строб-импульса меняются ролями.В результате 1 ток 3, ранее замыкающийся в триод, переключается в открывшийся транзис тор 3 и повторяется в его коллектор" ной цепи. Вершина импульса тока, несущая информацию о значении производ ной ПН в момент времени С 4, выделяет ся ограничителем 8 и преобразуется 50 в импульс напряжения 01 (Фиг, 2), длительность которого равна длительности строб-импульса, а амплитуда(ЦО =Сй А, (2) 5511где В - величина сопротивления резистора 7;А - постоянная величина, опре- деляемая напряжением 0, 0В следующий период ПН на выходе дифференцирующего каскада 1 формиру" ется вырезка напряжения (Фиг. 2)ОпО, =СИ,1, -д (3)65 отделенная от начала периода интерва- лом времени 1 и пропорциональная значению производной ПН в момент времени 1. 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 Э 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 транзисторах 3 и 4 существенно повышает"ся. При этом минимальная длительностьимпульсов вырезки снижается в предла"гаемом устройстВе до (0,2-0,3)10 с,что позволяет расширить частотныйдиапазон контролируемых ПН в сторонуверхних частотдо (100-200) 10 Гц,Преимуществом дифференцирующегоблока 1 является также малый уровенькоммутационных помех, наводимых имна импульсах вырезки. Зто объясняетсяхорошей развязкой между управляющимвходом и выходом каскада (транзисторы 3 и 4 по отношению к управляющему сигналу Об заключены по каскадной схемее) а также малостью амплитуды управляющих строб-иьнульсов. К тому же, помехи на вырезках напряжения 01 й 01.при действии любых дестабилизирующйх факторов совершенно идентичны по Форме, амплитуде, длительности и потому полностью 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 Ол Отппропорциональные мгновенным значениям производной ПН, путем сдвига в буферном каскаде 9 на постоянную составляющую - Оп преобразуются в отрицательные импульсы ОЗ ,. Оз -, (Фиг. 2), которые поступают на ключи 10 и 11. Последние действуют синхронно с элементами И-НЕ 20 и 21 и осуществляют временную селекцию сигналов Оз , Оз, расположенных в соседних периодах ПН. В результате импульсы Ов имеющие амплитуду (2), попадают йа пиковый детектор 12 (Фиг. 1), а импульсы ОЗ- с амплитудой (3) проходят на пиковый детектор 13. Отличительной особенностью ключей 10 и 11 является то, что переброс их сигналамиЯ, Я (фиг. 2) производится в Момент окончания рабочего хода ПН и завершается в течение обратного хода пилообразного напряжения - интервала времени, где продифФеренцированный импульс ПН не строби 978077 10/ 301 35 ЫН а) щ 65 руется. В результате коммутацонные помехи ключей 10 й 11 и иьиульсы вырезки 0 з , 0 з, превосходящие их по амплитуде, отделяются друг от друга и поступают на пиковые детекторы в разные моменты времени. Последние фиксируйт амплитуду наибольшего из приходящих на их входы сигналов, т.е. амплитуду импульсов 08 и 0 й ) соответственно.Таким образом, в предлагаемом уст-)О ройстве исключается погрешность определения КН, обусловленная коммутационными помехами переключателя кенасыщенного тока на транзисторах 3 и 4 и помехами переключателя напряжения 15 ,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 устройстве ключи 10 и 11 выполняют функцию временных селекторов, поочередно и противофаэно находящихся в течение времени Т в проводящем и непроводящемсостоянии, Поэтому требования к быстродействию узлов 10 и 11 проявляются в 20-30 раз ниже.1Аналоговые сигналы с выходов пиковых детекторов 12 и 13, пройдя вычитающий элемент 14, преобразуются в напряжение (фиг. 2) о п0 =( С й - и- - Я (4) пропорциональное разности мгновенныхзначений производной ПН в моментывремени 1 и С. Полярность напряжения 09 зависит от знака измеряемогоКН. КоэФфициент К, С.Н задает чувствительность измерителя и может меняться путем ступенчатого измерения величины коэффициента пеРедачи К 1 узла 14. Постоянное напряжение 0 З преобра- . 45 зуется ключом-модулятором 15 в одно- полярное импульсное 0,у (фигу 3) Его среднее значение 0 выделяется стрелочным индикатором 16, имеющим двустороннюю шкалу с нулем посередине. 5 ОСигналы, управляющие ключом-модулятором, вырабатываются последовательно соединенными узлами 24, 28,29 и 35 следующим образом. 55Усилитель 27 и резистор 26 преобразуют импульсы тока (1) в импульсы напряжения 01 О (фиг. 2). На входе усилителя включен фиксатор уровня для устранения погрешности преобразования от накопления постоянного напряжения на днфференцирующей емкости 25. Пи" ковое значение импульсов 0 О фиксируется детектором 28 в виде уровня постоянного напряжения 0 (Фиг. 2), пропорционального максимальному зна" чению производной контролируемоГо ПН где К - коэффициент усиления элемен 2та 27;Н - сопротивление резистора 26.интегратор 29 преобразует постойн"ное напряжение 0в пилообразное О,зповторяющееся с частотой й = 1 кГц следования разрядных импульсов 0 (фиг, 3), формируемых генератором 33 стабильной частоты. В уравненйи (6) С - емкость конденсатора 31 В 3- сопротивление резистора 30.Компара" тор 35 сравнивает пилообразное напряжение 0 З с опорным 0 от источника 36 и вырабатывает прямоугольные им", пульсы 01, управляющие проводимостью ключа-модулятора 15. При этом на входе индикатора 16 выделяются одиополярные импульсы напряжения (фиг. 3) с частотой повторения 1 кГц, длитель" ностьюОГ 1 Ь , Р)= к .с й, 1 аа 1д (ежй амплитудой (4), равной величине .напряжения.0. Индикатор 16 реагирует на их среднее значение которое, как видно из (8), пропорционально КН между точками ПН, соответ-, ствующими положению импульсов вырезки, причем коэффициент пропорциональности/ К К 1 Р 1 00 п С 1 йЬ определяющий чувствительность всегоустройства, является величиной постоянной, не зависящей от 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 повторяютсяс частотой следования импульсов ПЙ, информация о разности производных ПН накапливается на пиковых детекторах 12 и 13 постепенно, индикация КН осуществляется путем усреднения импульсов П, интегратор 29 производит5 трансформацию временного масштаба ПН. Формула изобретения1 О1Устройство для измерения коэффициента нелинейности пилообразного напряжения, содержащее дифференцирую.щий блок, связанный через усилитель- ограничитель и,буферный блок с объединенными входами двух ключей, два пиковых детектора, включенных каждый между выходом ключа и соответствующим входом аналогового вычитающего элемента, индикатор, соединенный через ключ-модулятор с выходом аналогового вычитающего элемента, формирователь строб-импульсов, два блока регулируемых 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, авыход связан с управляющим входом ключа-модулятора, причем дифференцирующий блок и дифференцирующий элемент подключены своими входами к измерительному входу устройства, о т - л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности . и точности измерений, оно снабжено тремя двухвходовыми элементами И-НЕ и триггером, счетный вход которого. соединен с источником синхроимпульсов,каждый выход триггера подключен кпервому входу соответствуюшегр эле"мента И-НЕ и входу управления соответ.ствующего ключа, выходы регулируемыхвременных задержек связаны с вторымивходами 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, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюрасширения диапазона частот измеряемых напряжений, дифференцирующий5 лок выполнен на основе переключателя ненасыщенного тока на двух транзисторах, объединенные эмиттеры которыхчерез дифференцирующую емкость связаны с входами блока, через резистор - с отрицательным полюсом источника питания и через диод - с общимпроводом, коллектор первого транзистора подключен к положительному по"люсу источника питания, коллекторвторого транзистора .соединен с этимисточником через резистор и является выходом блока, база первого транзистора является управляющим входомблока, а база второго транзистораподключена к общему проводу, дифференцирующий элемент выполнен в видекаскадного соединения дифференцирующей цепи и усилителя напряжения.источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Измерительная техника,1974, Р 9, с, 74-76.2. Авторское свидетельство СССРР 742830 фкл. 6 01 В 29/02, 1978.978077 д ц ад Аг НИ ое лиал ППП "Патентф, г.Ужгород, ул.Проектная,4 Ъ