книги / Электронные цифровые приборы

невысокая надежность, большие габаритные размеры и высокая стои­ мость поясняют их неперспективность; проволочные делители повидимому, сохранятся в течение ряда лет, главным образом, в соста­

ве поверочной аппаратуры с комфортными условиями эксплу­ атации.

Высокую точность обеспечивают также фольговые делители, вы­ полненные по технологии печатных плат. Как правило, эти резисто­ ры и делители низкоомны —- их сопротивление не превышает нескольких десятков килоом. Фольговые резисторы больше всего под­ ходят для изготовления шунтов. Металлопленочные резисторы, выпу­ скаемые фирмой \ПзЬау (США), имеют предельное сопротивление до 600 кОм. Погрешность этих резисторов около 0,001 %, они надежны

рами, где не требуется сопротивление выше 1—2 МОм. Толстопленочные резисторы позволяют получить делители при

соответствующем подборе пар резисторов, наиболее полно отвечаю­ щем метрологическим и эксплуатационным требованиям. Так, напри­ мер, резисторы фирмы Саббоек (США), выполненные по Те1ппохтехнологии, имеют номинальное сопротивление от 1 кОмдо 125 МОм,

позволяют подбор пар для делителя с ТКО ^ 5 - 1 0 /°С и ВКО = = 0,01 %/2000 ч, отличаются малой реактивностью и небольшими

габаритными размерами.

Следует упомянуть о приеме, при котором с помощью лишь од­ ного прецизионного делителя (#х = 100 кОм, # а = 900 кОм) удает­ ся обеспечить такую же точность деления для всех остальных под­ диапазонах (от 0,1 до 1000 В). Достигается это, как в приборе типа НР3455А фирмы Неш1еМ — Раскате! (США), введением режима автокалибровки с помощью микропроцессора. Прибор формирует показания на отсчетном устройстве после обработки трех предвари­

пряжений из менее точных резисторов основан на так называемом дуально-реверсивном преобразовании цепи 152]. Если построить де­ литель из резисторов одинакового номинала и взять полусумму ко­ эффициентов передач, получаемых в схемах (рис. 4 .6, а, б), то ока­ зывается, что вычисленный подобным образом коэффициент деления на несколько порядков точнее по сравнению с точностью отдельных

зование весьма привлекательным. Разумеется, поиск новых составов и технологий для изготовления прецизионных резисторов и делите­ лей обычного типа остается актуальным.

ДЕЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В таких делителях помимо высокого входного сопротивления, малой температурной и временной нестабильности коэффициента де­ ления требуется обеспечить стабильность и равномерность частот­ ной характеристики во всем рабочем диапазоне частот. Практически это сводится к тому, чтобы делители собирались из безреактивных резисторов; выше отмечалась малая реактивность пленочных ре­ зисторов.

Ограниченное применение, главным образом в высоковольтных цепях, получили емкостные делители. Обеспечить приемлемые мет­ рологические параметры с помощью емкостных делителей затрудни­ тельно. Рассмотрим, например, емкостный делитель, рассчитанный на частотный диапазон 20 Гц — 100 кГц (рис. 4.7, а) с коэффициен­ том деления 10 : 1. Здесь Свх — паразитная емкость входной цепи прибора, С2 служит для подстройки коэффициента деления. Стремясь снизить входную емкость прибора, примем Сх — 30 пФ. Коэффи-

УВХ поступает сигнал, нормированный входным устройством (± 5 В ±10 В) и, следовательно, шумы не могут заметно исказить работу устройства. Упрощенная структура УВХ разомкнутого типа пока­ зана на рис. 4.8, а, а временные процессы — на рис. 4.8, б, в. С по­ мощью управляющего сигнала IIу производится попеременное вклю­ чение -— выключение электронного ключа двусторонней проводи­ мости 5. В момент ключ замыкается и сигнал 0 Х, усиленный в ОУ1,

вождается броском выходного напряжения, в результате чего на кон­ денсаторе С„ запоминается напряжение, соответствующее моменту *3, а не 12. Это смещение, вызванное в основном длительностью размыка­ ния 8 , называется апертурным временем Т а, в котором выделяют постоянную составляющую и переменную, так называемую апертур­ ную «дрожь» (примерно десятая часть постоянной). Апертурное время вносит неопределенность в установлении момента дискретизации

(датирование) и погрешность передачи уровня, которая вместе со

статической погрешностью отслеживания {А11х) обозначена на рис. 4.8, б как На этапе хранения (рис. 4.8, в), длительность которого согласовывается с длительностью цикла работы АЦП, на­ пряжение на выходе УВХ должно быть неизменным. Однако вслед­ ствие частичного разряда конденсатора С„ возникает погрешность

П2

стирания (на рис. 4.8, б) это отражено небольшим наклоном

(/в ы х -

Очевидно, что при выборе структуры и схемы УВХ предпочтение отдается устройствам, обеспечивающим минимальную погрешность передачи на АЦП мгновенного значения аналоговой величины, мак­ симальное быстродействие и минимальную неопределенность дати­ рования. Поскольку снижение погрешности передачи достигается, как правило, ценой снижения быстродействия, то целесообразно для сравнительной оценки качества УВХ пользоваться таким комплекс­ ным параметром, как произведение погрешность X время выборки.

Полагая, что разработчиком не допущены какие-либо грубые промахи (применение конденсатора памяти с недостаточно низкой остаточной поляризацией, некорректное экранирование и заземле­ ние и т. п.), рассмотрим пути снижения основных погрешностей

УВХ — погрешность статизма (Д(/*), погрешность из-за апертур­ ного времени и погрешность стирания. Оценку статической погреш­ ности слежения проведем применительно к схеме УВХ (рис. 4.8, а} для входного сигнала в виде скачка постоянного напряжения в мо­ мент на какой-то уровень (Ум. Выходное напряжение определяетсявыражением

у » . = где т3 = К%Си — постоянная цепи заряда (Яъ— эквивалентное вы­

ходное сопротивление ОУ1)\ Тв — длительность выборки. Погрешность из-за переходного процесса в относительном выра­

жении

и для ее снижения, как следует из данного частного примера, необ­ ходимо увеличивать Тв и уменьшать г3. Эти меры, однако, ведут к. снижению быстродействия и увеличению погрешности стирания. Ускорение переходного процесса, что позволяет формулу (4.3) при­ менить для оценки погрешности слежения, при заданной величине Сп достигают увеличением тока заряда, поставляемого выходным каскадом 0У1, и уменьшением # 9, как это реализуется в УВХ зам­ кнутого типа. Статическая погрешность слежения включает также погрешности, вызванные напряжением смещения операционных уси­ лителей (дрейф) — е01 и еиа. Методы их частичной компенсации или учета уже обсуждались.

Для оценки погрешности датирования, вызванной апертурнымвременем (или временем размыкания ключа 5), были выдвинуты предложения, рассмотренные в работе [15]. Что касается погрешно­ сти передачи, вызванной Та, то здесь возникают определенные труд­ ности, поскольку необходимые сведения о величине и значении про­ изводной входного сигнала получить трудно; можно лишь приблизи­ тельно оценить погрешность передачи для известного класса

сигналов.

Для уменьшения погрешности стирания следует увеличить ем­ кость С„, уменьшить ток разряда (входной ток ОУ2) и уменьшить

длительность этапа хранения. Однако в выборе всех этих величин большой свободы нет: увеличение Сп связано с увеличением дли­ тельности этапа выборки; уменьшение тока разряда нелегко увязать •с малой погрешностью передачи ОУ2; длительность этапа хранения зависит от длительности цикла работы АЦП. Оптимальным можно •считать выбор упомянутых параметров, при которых погрешность стирания не превышает 1/3 ЕМР.

УВХ разомкнутого типа по общей погрешности, даже без учета до­ полнительных погрешностей, возникших вследствие проникновения сигнала через паразитную емкость ключа и коммутационных выбро­ сов, вызванных управляющими импульсами, а также по достижимой длительности цикла, в большинстве случаев не отвечают совре­ менным требованиям. Лучшими параметрами отличаются УВХ зам­ кнутого типа, которые в зависимости от принципа действия, подраз­ деляются на компараторные, интегрирующие и итеративные [40].

УВХ КОМПАРАТОРНОГО ТИПА

На рис. 4.9 показана структурная схема УВХ компараторного типа. Благодаря глубокой ООС существенно снижена погрешность слежения, включая погрешности смещения нуля усилителей ОУ1 и

Погрешность слежения из-за ограниченности коэффициента усилеиия компарирующего усилителя 0У1 оценивается величиной

д / / '_ ^х 4- еь\ 4~еог Кг+ 1

Аналогично, в (Кг + 1)раз подавляются и дополнительные погреш­ ности коэффициента передачи УВХ. Кроме того, важным преиму­ ществом компараторного УВХ по сравнению с разомкнутой схемой является то, что благодаря ООС, охватывающей ключ 51, существен­ но снижено его эквивалентное сопротивление Кв и, следовательно, скорость отслеживания определяется лишь максимально достижи­ мым током усилителя ОУ1. Что касается апертурных погрешностей, до они остались на уровне достижений УВХ разомкнутого типа-

Выше применение интегрирующего звена в АЦП рассматривалось как противовес АЦП с УВХ. Вместе с тем при достаточно малом времени выборки Т ъ и медленно изменяющемся аналоговом сигналеинтегрирующее звено играет роль УВХ. На конденсаторе памяти С„ в течение такта выборки накапливается заряд, пропорциональный входному сигналу и величине Тв. Соответственно меняется смысл

свойствам интегрирующих УВХ относится их помехозащищенность от высокочастотных наводок, а также исключение токов утечки, через паразитную емкость разомкнутого ключа 51 (ООС чепез резистор Я2).

ИТЕРАТИВНЫЕ УВХ

В этих УВХ достигается наилучшее сочетание погрешности в длительности цикла (минимальное их произведение) среди схем зам­ кнутого типа. При сохранении всех положительных свойств замкну­ тых УВХ с ООС, а именно: практически полное исключение влиянии сопротивления аналогового ключа в цепи заряда Сп, уменьшение токов утечки и других, в итеративных УВХ происходит коррекция погрешности статизма. При многократной коррекции (итерации) на этапе хранения погрешность статизма уменьшается до величины

где N — число итераций.

Из выражения (4.4) следует, что итеративное УВХ равноценно компараторному, в котором коэффициент усиления ОУ1 увеличен

до значения То, что в итеративных УВХ удается получить оди­ наковые результаты, как и в компараторных при значительно мень­ шемзначении /Сх, оценивается соответствующим увеличением быстро­ действия (ширины полосы частот). Обычно ограничиваются двух­ каскадными УВХ с N = 2 (рис. 4.11). На этапе выборки (первая итерация) замкнуты ключи 5 / и 32, На конденсаторе С„ фиксирует­ ся напряжение

^ = Ц Л З Д С ! + 1)].

Вторая итерация совпадает с этапом хранения (замкнут ключ 33). При этом буферный усилитель ОУ2 оказывается включенным в цепь ООС 0У1\ напряжение Ух перезаписывается на вход ОУ2:

— У1 [К1КК1 + !)]•

Напряжение коррекции

Погрешность от напряжений смещения нуля в ОУ1, ОУ2, как и в компараторной схеме, составляет

Д е0 = (е01 + е(а)/(К1+ 1).

Рассмотрим влияние паразит»

Рис. 4.11. Схема УВХ интенсивного типа ных емкостей в итеративном УВХ. Проникновение части сигнала через конденсатор С1 практически незаметно, так как сиг­

нал замыкается на малое выходное сопротивление ОУ2. В резуль­ тате действия ООС разность потенциалов на конденсаторах С2 и СЗ близка к нулю, что исключает заметные «натекания» зарядов и иска­ жение работы УВХ. Серийные УВХ итеративного типа обеспечи­ вают погрешность передачи 0,01 % при Тв ^ 5 мкс.

4.5. ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР С ОБЪЕМНЫМ ВИТКОМ СВЯЗИ

Как уже было установлено выше (см. гл. 2), для эффективного подавления помех общего вида необходимо уменьшить емкость между контурами аналоговой и дискретной частей цифровых приборов. Не всегда информационные и управляющие связи между этими гальва­ нически разделенными цепями можно выполнить с помощью опто­ электронных элементов — ощутимая проходная емкость (единицы

.пикофарад), инерционность, невысокое рабочее напряжение и нарушение работы при разнесении смещающих уровней на передаю­ щей и приемных сторонах ограничивают область применения по­ следних.

В импульсных трансформаторах специальной конструкции [34] удается снизить проходную емкость между обмотками до сотых до­ лей пикофарад при одновременном практически идеальном экрани­ ровании обмоток. Сущность уменьшения емкости между обмотками можно показать на схеме импульсного трансформатора (рис. 4.12, а). Если бы не было экранов между обмотками щ и щ , то проходные •емкости можно представить в виде сосредоточенных емкостей Сг и С9, достигающих нескольких десятков пикофарад; сигнал на любой из обмоток вызывает довольно значительный емкостный ток помехи. Лри введении экранов Э1, Э2 остаточная емкость между обмотками

С3снижается по сравнению с Сг примерно на два порядка. Емкость между экранами С4 при этом тока не проводит, ток помехи опреде­ ляется лишь небольшой емкостью С8.

Структура трансформатора (рис. 4.12, б) позволяет уяснить ме­ ханизм экранирования. Первичная и вторичная обмотки 1, 2 распо­ ложены на тороидальных сердечниках и помещены в кольцеобразные экраны 4, 5, которые расположены в двух стаканах, стянутых цент­ ральным болтом 6 и образуют таким образом внешний экран 3. При подаче сигнала на первичную обмотку поток в сердечнике вызывает

в экране 3, представляющем собой короткозамкнутый виток, ток, возбуждающий в сердечнике вторичной обмотки 2 противопоток, рав­ ный по величине потоку первичной катушки. Условно короткозам­ кнутый виток связи, охватывающей обе катушки, показан штриховой линией А. Экран 3 образуется как тело вращения витка А и является объемным витком связи между обмотками 1, 2 (рис. 4.12, а). В ре­ зультате равенства противоположно направленных токов в объем­ ном витке (сопротивление достаточно мало) его поверхность эквипо­ тенциальна. Объемный виток замыкает магнитное поле внутри себя, что обеспечивает эффективное экранирование магнитного поля.

Экраны 4, 5, в которых помещены катушки щ, щ , можно рас­ сматривать в свою очередь как объемные витки связи между проти­ воположными частями катушек. Противопотоки, созданные катуш­ кой (короткозамкнутый виток показан штриховой линией Б), ком­ пенсирует друг друга, в результате чего экраны 4,5 также являются эквипотенциальными. В разработанной конструкции удалось прак­ тически полностью экранировать маломощный импульсный транс­ форматор от влияния внешних полей, а также защитить внешнюю среду от воздействия поля трансформатора. Проходная емкость С, составляет сотые доли пикофарады.

Подобный принцип построения трансформаторов, используемых для передачи сигналов в цифровом приборе, целесообразно распро­ странить и на силовые трансформаторы, служащие для питания ана-

лотовой части приборов с тем, чтобы уменьшить емкость между ана­ логовой и цифровой частями прибора. Принцип передачи энергии к узлам прибора стабилизированным переменным током открывает возможность практической реализации этого предложения.

4.6.ВЫНОСНОЙ ПРОБНИК ДЛЯ ПРИЕМА Ш ИРОКОПОЛОСНЫ Х СИГНАЛОВ

Вширокополостных приборах (частотомеры, вольтметры, спект­ роанализаторы, осциллографы и др.) возникает необходимость умень­ шить длину подводящих проводов вплоть до того, чтобы сигнал с

точки на печатной плате снять на короткий штырек приемного

а — делитель-насадка; б — согласующий резистор-насадка; в ■— вы носная

устройства прибора. При этом для частот выше 100 МГц должно быть обеспечено согласованное входное сопротивление (50 или 75 Ом), а для низкочастотной части диапазона (0—100 кГц) желательно сохра­ нить высокое входное сопротивление (1 МОм и более).

При выборе схемы и конструкции выносного пробника следует в максимальной степени учитывать следующие требования:

пробник должен иметь равномерную частотную характеристику во всем рабочем диапазоне (степень равномерности оговаривается для разных приборов);

точность передачи уровня сигнала на вход определяется типом прибора и требованиями к нему;

в пробнике, рассчитанном на прием сигналов постоянного тока, необходимо предусмотреть автоматическую компенсацию дрейфа активного элемента (полевой транзистор и др.) при изменении тока нагрузки пробника;

конструкция и масса выносного пробника должны обеспечить удобство пользования.