книги из ГПНТБ / Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов

3. В. МАГРАЧЕВ

Аналоговые

измерительные

преобразователи

одиночных

сигналов

« ЭНЕ Р Г ИЯ » • МОСКВА •

6Ф2.08 М 12

УДК 621.396.6:681.3.05

~Г*о. публичная

Маграчев 3. В.

М 12 Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов. М., «Энергия», 1974.

© Издательство «Энергия», 1974 г,

Предисловие

Аналоговые измерительные преобразователи одиноч­ ных электрических сигналов широко используются при построении спектрометрической аппаратуры для физи­ ческих исследований и при проектировании разнообраз­ ных измерительных приборов .широкого применения, из­ мерителей мощности, импульсных вольтметров, измери­ телей временных параметров сигналов и интервалов времени. Они применяются также и в качестве самостоя­ тельных узлов при контроле параметров однократных физических процессов.

Все возрастающий интерес к измерению одиночных сигналов объясняется не только их широким использо­ ванием в различных областях науки и техники, но также н значительными возможностями, которые открывают методы одноразовых измерений для повышения быстро­ действия обработки больших и разнообразных массивов информации, например в системах обегающего контроля, при испытании интегральных логических микросхем и ферромагнитных изделий в массовом производстве и т. п. При этом благодаря аналоговому преобразова­ нию и одноразовости измерений удается обеспечить вы­ сокие скорости испытаний, исключающие нагрев иссле­ дуемых элементов и автоматизировать контрольно-из­ мерительные системы.

Разнообразие формы, широкий диапазон напряжений и длительностей одиночных электрических импульсов существенно усложняют вопросы проектирования преоб­ разователей одиночных сигналов. Основные трудности при этом связаны с одноразовостью, неповторяемостью процесса и его малой длительностью. Так, например, весьма важной задачей в настоящее время является обеспечение измерения параметров однократных им­ пульсных сигналов в ианосекундном диапазоне, вплоть до 1 нсек и менее.

За последние годы в отечественной п зарубежной ли- ■ тературе увеличилось количество публикаций, посвящен­ ных измерению параметров одиночных сигналов, глав­ ным образом их напряжению и длительности. К сожа­ лению, за исключением работ И. С. Крашенинникова, Л. С. Горна, Е. И. Рехина, А. А. Курашева, Б. И. Хаза­ нова и некоторых других авторов, эти публикации носят либо обзорный характер, либо описывают ту или иную конкретную схему и ее характеристики.

3

По-видимому, в настоящее время уже назрела Необ­ ходимость систематического изложения вопросов, свя­ занных с теорией и методами аналогового преобразова­ ния одиночных сигналов, в особенности наносекундного

преобразователей в широком диапазоне измеряемых ве­ личин. Несмотря на актуальность этих вопросов в оте­ чественной и зарубежной литературе отсутствуют обоб­ щающие работы в указанном направлении. В предлагае­ мой монографии сделана попытка в известной мере вос­ полнить существующий пробел.

В книге рассмотрены основные вопросы, связанные с теорией и методами построения аналоговых измери­ тельных преобразователей одиночных электрических сиг­ налов, главным образом их амплитудных и временных параметров. При рассмотрении и оценке различных ме­ тодов и преобразователей особое внимание автор уделил анализу их основных метрологических характеристик: линейности, точности п стабильности преобразования. Меньшее место отведено конкретным схемным реализа­ циям; автор полагал при этом, что из-за бурного разви­ тия радиоэлектроники подобные материалы быстро те­ ряют свою практическую ценность. Вместе с тем в книге приводятся некоторые примеры схемных решений и их характеристики.

Из-за ограниченного объема монографии некоторые важные вопросы, такие, например, как методы поверки и калибровки преобразователей, были опущены; автор посчитал нежелательным их введение в ущерб основному содержанию — вопросам преобразования.

Многие из материалов книги публикуются впервые, некоторые нуждаются в существенном развитии и допол­

Н. Н. Тищенко, В. Я. Егупову и всем товарищам, сов­ местная работа с которыми способствовала появлению этой книги.

Автор признателен также доктору техн. наук проф. Р. А. Валитову за ценные замечания, сделанные им при рецензировании рукописи.

4

Г л а в а п е р в а я

Особенности и методы измерения одиночных сигналов

1-1. Области применения одиночных сигналов

Измерение и изучение одиночных (однократных) импульсных процессов и связанных с ними электрических сигналов является основным содержанием значительного круга различных научных и производственных физико-технических и радиотехнических измерений

иисследований.

Сподобными измерениями сталкиваются специалисты различ­ ного профиля. Так, с одиночными импульсными сигналами приходит­ ся иметь дело в гидролокации, в полупроводниковой технике при

формировании переходов с помощью однократных импульсных воз­ действий, в технике инфракрасного излучения при исследовании условий пробоя, импульсных перенапряжений, высоковольтных цепей, однократных импульсных помех.

Исследования в области физики твердого тела, в частности опти­ ческих квантовых генераторов, отработка различных устройств одно­ кратного действия, ядерные исследования и, в частности, изучение частиц высоких энергий, баллистические и ряд биологических иссле­ дований весьма часто сопровождаются практически одиночными им­ пульсными сигналами.

С аналогичным положением сталкиваются при изучении явлений вторичной эмиссии, фотопроводимости и других свойств диэлектриков

иполупроводников большого удельного сопротивления, а также при исследованиях в области физики плазмы, при сейсмических исследо­ ваниях и изучении ферромагнитных материалов. Широкое распрост­ ранение в последние годы получили методы исследования прочности

инадежности материалов и конструкций с помощью одиночных механических, тепловых, ионизирующих и других воздействий.

Столь обширная область использования одиночных сигналов, естественно, обусловливает широкий динамический диапазон пред­ ставляющих их электрических величин.

Так, например, диапазон напряжений одиночных импульсов лежит в пределах от единиц милливольт до нескольких киловольт. Длительность одиночных сигналов или представляющих их времен­ ных интервалов (временных сдвигов) — в пределах от десятых долей наносекунды до сотен миллисекунд.

Соответственно в столь же широких пределах могут изменяться энергия и пиковая мощность таких сигналов. Форма и математиче-

5

ское описание одиночных сигналов могут быть весьма разнообразны* мп и зависят главным образом от процессов, которые они представ­ ляют. Так, например, одиночным сигнал может быть представлен видеоили радиоимпульсом, пачкой из нескольких импульсов, двумя импульсами, интервал между которыми песет информацию об иссле­ дуемом процессе, колебательным затухающим процессом п т. п. Эти сигналы могут быть детерминированными, т. е. с заранее известными характеристиками или случайными, параметры которых определенно предсказать невозможно (однократные импульсные помехи, высоко­ вольтные пробои, сигналы от сред с рассеянием и поглощением и

т. д.).

Приведенный далеко не полный перечень областей использования однократных и редко повторяющихся импульсных процессов указы­ вает па широкий круг отраслей пауки и техники, где необходимо их измерение. Наибольший интерес при этом представляет измере­ ние амплитудных, временных н энергетических характеристик одиноч­ ных сигналов, дающих наибольший объем полезной информации о параметрах однократного процесса. Для этих целей используются различные датчики и преобразователи, причем наибольшее распрост­ ранение среди них получили устройства, выходная функция которых представляет одиночный сигнал в виде электрической величины; раз­

явится основным содержанием последующего изложения.

1-2. Особенности измерения одиночных сигналов

При создании аппаратуры для измерения параметров одиночных сигналов возникает ряд трудностей, связанных с особенностями одноразовых измерений. Действительно, при измерении периодиче­ ской последовательности импульсов имеется возможность получить информацию о параметрах импульса путем многократных воздей­ ствий сигналов на измерительную систему. Потеря энергии в интер­ вале между импульсами незначительна и элемент преобразования измерительного устройства в течение времени существования каж­ дого из импульсов периодической последовательности лишь воспол­ няет эти потерн (например, детекторы вольтметров, флюоресцирую­ щие экраны электронно-лучевых трубок и т. и.).

В связи с этим обстоятельством при измерении периодических сигналов сравнительно нетрудно обеспечить независимость результа­ тов измерения от энергии в импульсе.

При измерении одиночного импульса энергия, необходимая для измерения, поступает в элемент преобразования лишь в течение времени его существования. Для измерения параметров подобного импульса необходимо, чтобы измерительная система успевала реги­ стрировать параметры импульса в течение времени его действия, т. е. была бы практически безынерционной, либо запасала в течение этого же времени энергию, характеризующую параметры импульса,

сцелью дальнейшего ее преобразования.

Впервом случае могут быть применены специальные осциллог­ рафы с фоторегнетрацией однократных процессов пли с запомина­ нием, во втором — могут использоваться различного типа прямопо

6

называющие приборы, с преобразованием одиночных сигналов в удобную для отсчета аналоговую величину.

Минимальное время, необходимое для визуального отсчета результата при измерении прямопоказывающими приборами, состав­ ляет 5— 10 сек. Длительность же измеряемого одиночного сигнала или временного сдвига может быть равна примерно нескольким еди­ ницам наносекунд и менее.

Это обстоятельство приводит к тому, что измерительная система, помимо функции измерения, должна обеспечивать хранение инфор­ мации об измеряемом параметре, т. е. обладать свойством памяти. Функция долговременного запоминания может осуществляться либо отсчетиой системой (например, цифровой индикатор), либо системой преобразования, причем потеря информации в течение времени запо­ минания не должна существенно сказываться на точности измерений. Сложность преобразования однократных сигналов увеличивается по мере уменьшения напряжения и длительности измеряемых импуль­ сов, что объясняется в этом случае возрастанием требований по быстродействию, широкополоспости и линейности преобразователей.

о их форме, полярности или о порядке величины измеряемого пара­ метра.

Отсутствие такой информации может привести к существенным

•погрешностям измерений или полностью исключить их достовер­ ность или возможность.

В этих обстоятельствах возникает задача создания параметри­ ческих адаптивных (самоприспосабливающихся) преобразователей, оптимизирующих функцию измерения [Л. 1, 2]. В условиях однократ­ ных быстропротекающих процессов эта задача является достаточно сложной.

Момент прихода измеряемого сигнала па вход измерительного устройства может быть также неизвестен, поэтому весьма важно обеспечить стабильность характеристик устройства во времени. Это требование особенно серьезно в тех случаях, когда исключено по­ вторное проведение эксперимента или его воспроизведение требует больших материальных затрат и времени.

1-3. Методы измерения параметров одиночных сигналов

Существующие методы измерения параметров оди­ ночных сигналов можно условно разделить на осциллографические методы и методы, использующие аналоговое или дискретное (цифровое) преобразование тех илы иных параметров сигнала.

Осциллографическне методы, дающие наибольший объем информации о параметрах исследуемого процесса, нашли широкое распространение при научных исследо­ ваниях, разработке и регулировке аппаратуры, опери­ рующей с импульсными сигналами.

Однако весьма часто точность измерений, достигае­ мая с помощью осциллографов, оказывается недостаточ-

7

ной, а процесс получения информации с экрана элек­ тронно-лучевой трубки слишком длительным и трудоем­ ким. Вместе с тем оператора во многих случаях интере­ сует лишь одни из параметров, например максимальное значение напряжения, длительность, пиковая мощность, энергия и т. и. В этом случае более эффективными и простыми оказываются методы измерения, основанные на аналоговом или дискретном преобразовании того или иного параметра сигнала.

Для индикации измеряемых величин при этом могут использоваться стрелочные или цифровые устройства.

Поскольку основное содержание дальнейшего изло­ жения посвящено методам аналогового преобразования одиночных сигналов, в настоящем разделе мы кратко рассмотрим лишь осциллографическне методы и методы, связанные в той или иной форме с дискретным преобра­ зованием.

Осциллографическне методы. Для измерения одно­ кратных сигналов используется в основном электронно­ лучевое осцнллографирование в реальном масштабе вре­ мени. При этом запоминание осциллограммы, необходи­ мое для отсчета результата измерения, производится путем фоторегистрацин или записи на мишени запоми­ нающей электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) [Л. 3, 4].

Осциллографы универсальные, или типа ОК, позво­ ляют регистрировать процессы, протекающие со ско­ ростью до 25-103 км/сек. Повышение скорости записи обычно осуществляется форсированием режима трубки путем увеличения напряжения третьего анода, вызываю­ щего повышение светоотдачи экрана.

При измерении параметров импульсных кратко­ временных сигналов существенное значение имеет по­ лоса пропускания вертикального усилителя осцилло­ графа.

Наиболее широкополосными из универсальных оте­

записи до 200 км/сек). Из осциллографов без предва­ рительного усиления сигнала максимальной чувстви­ тельностью обладает модель С1-61 (^уст= 0,4 нсек, чув­ ствительность 1 в/см, скорость записи до 500 км/сек),

8

'Выполненная на ЭЛТ бегущей волны, чувствительности, которой повышена с помощью квадропульных магнит­ ных линз. Из широкополосных приборов следует отме­ тить измеритель временных интервалов наносекундного ■диапазона И2-7, имеющий полосу пропускания до 2 Ггц и скорость записи до 10 000 км/сек.

Погрешность измерения параметров импульсов уни­ версальными осциллографами составляет 2— 10%.

Основными недостатками осциллографирования с фо­ торегистрацией является необходимость длительной под­ готовки прибора, сравнительно низкая скорость записи при фоторегистрации однократных процессов, длитель­ ность обработки материалов и расшифровки результата измерения. Увеличение скорости записи более чем на порядок возможно при применении ЭЛТ с волоконной юптикой или при электронно-оптическом преобразовании изображения.

Осциллографы с запоминанием, благодаря свойству хранения изображения на экране ЭЛТ, весьма удобны при работе с однократными процессами. Подобные при­ боры выполняются в основном на потенциалоскопах с видимым изображением. Лучшие образцы этих осцил­ лографов имеют скорость записи до 4-103 км/сек. При­ менение подобных приборов существенно сокращает вре­ мя получения и обработки информации, обеспечивает долговременное хранение изображения на экране трубки

ивозможность фотографирования.

Внастоящее время разработан и выпускается целый ряд запоминающих осциллографов (Cl-29, Cl-37, С1-42,

С1-47 и др.), имеющих полосу пропускания от 1 до 20 Мгц (/уСт= 20 ч- 400 нсек) при коэффициенте отклоне­ ния от 10 до 100 мв/см. К недостаткам этого типа при­ боров следует отнести узкополосность и низкую точность измерения амплитудно-временных параметров (погреш­ ность ± 10%).

Осциллографирование с трансформацией спектра на­ правлено на расширение полосы пропускания с сохране­ нием высокой чувствительности, присущей осциллогра­ фам с запоминанием. Сущность этого метода [Л. 5, 6] заключается в одновременном стробировании исследуе­ мого сигнала в ряде точек по его длительности, накопле­ нии и запоминании информации о мгновенном значении сигнала в этих точках с последующей регистрацией на низкочастотном запоминающем осциллографе. Для реа-

9