CC BY
35
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА
1976
Том 296
ГЕНЕРАТОР СТУПЕНЧАТОГО НАПРЯЖЕНИЯ С УПРАВЛЯЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
В. К. ЖУКОВ, И. И. ТОЛМАЧЕВ, Ю. А. КИЛИН
(Представлена научным семинаром кафедры информационно-измерительной техники)
|В работе описан генератор равномерно-ступенчатого напряжения ГСН, примененный в импульсном вольтметре развертывающего уравновешивания.
Построение ГОН на малое число ступенек возможно осуществить с помощью реле или электронных пороговых устройств. При работе в амплитудном вольтметре число ступенек ГСН определяет число уровней квантования измеряемого входного напряжения, т. е. определяет погрешность от дискретности. Для трехразрядного вольтметра было выбрано число импульсов N='1000, что соответствует погрешности от дискретности уд=0,1%. Для построения ГОН на такое число импульсов наиболее приемлемым является описанный в [1] ГОН на основе емкостного делителя (рис. 1).
Рис. 1. Генератор ступенчатого напряжения на основе емкостного делителя.
Рис1
а
8х
и, их
о
Рис. 2. Генератор ступенчатого напряжения на основе емкостного делителя с катодным повторителем.
На вход ГОН поступают прямоугольные импульсы постоянной амплитуды и0. Диод Д! открыт для положительных входных импульсов, и конденсаторы С1 и С2 образуют емкостной делитель напряжения. При прохождении первого импульса напряжения на выходе ГСН
7 — 437
97
В промежутке между первым и вторым импульсами диод Д2 открывается и конденсатор С2 разряжается. Диод Д1 в это время закрыт и напряжение ДОх на емкости С1 изменяется незначительно, если сопротивление нагрузки велико. Второй входной импульс увеличивает напряжение на конденсаторе С2 еще на одну ступеньку
Аи2 = сТ+"с"2 "(и° ~ * (2)
После прихода М-ого импульса напряжение на выходе увеличится
ка
N-1
Отсюда видно, что с увеличением N величина ступеньки уменьшается. Возникающая по этой причине погрешность ГСН будет мала, если
]*.Ди,<и<ь (4)
Однако при этом коэффициент использования прямоугольного импульса будет мал. Для устранения указанного недостатка в схему между анодом диода Д2 и землей включается катодный повторитель, вход которого подключен к выходу ГСН, а выход к аноду диода Д2. Теперь после прохождения первого импульса конденсатор С2 через открытый диод Д2 и выходное сопротивление катодного повторителя разрядится не до нуля, а до напряжения
иС2 = ДигКкт (5)
где Ккд — коэффициент передачи по напряжению катодного повторителя.
В случае, если Ккп=1, то вторая ступенька выходного напряжения
Аи2 = СТТС2 (и° + и°2 ~ Аи,) " СГ+2 С2 ' и° = ' (6)
Ы-ная ступенька выходного напряжения
дим = + ис2 - дик_1) = ,- X
X (и0 + ^N-1 - ДШ-!) - ди! , (7)
то есть все ступеньки будут равны.
Основная погрешность ГСН возникает вследствие того, что коэффициент передачи по напряжению катодного повторителя Ккп^Г
Возможны варианты построения ГСН на лампе и на полевом транзисторе. Генератор с использованием катодного повторителя на пентоде обладает большим входным сопротивлением и лучшими частотными свойствами, что позволяет подавать на его вход короткие импульсы с высокой частотой следования. У полевых транзисторов по сравнению с пентодом хуже частотные свойства и высока температурная нестабильность. Поэтому в данной работе исследуется ГСН с катодным повторителем на пентоде.
Принципиальная схема ГСН изображена на рис. 3. Схема управления амплитудой импульсов, поступающих на вход ГСН, собрана на транзисторах Т1 и Т2. На транзисторе Т2 собран эмиттерный повторитель, который повторяет напряжение, задаваемое на его базе при помощи делителя из магазина Р58 и сопротивления И9. Этот повторитель
Рис. 3. Принципиальная схема ГСН.
задает напряжение питания для транзистора Ть работающего в ключевом режиме. Изменяя напряжение на базе транзистора Т2, изменяем амплитуду импульса на коллекторе транзистора Ть Транзистор Т3 служит для уменьшения нелинейности характеристики управления коэффициентом преобразования ГСН.
Собственно ГСН собран на емкостях Сь С/, С2" и диодах Д1 и Д2. Равномерность ступенчатого напряжения достигается за счет включения катодного повторителя на пентоде. Особенностью схемы катодного повторителя является то, что в схему включена динамическая нагрузка на транзисторе Т4, который включен по схеме с общей базой и работает как стабилизатор тока.
В исходном состоянии накопительная емкость разряжена и потенциал сетки равен нулю. С помощью сопротивления Ип на выходе катодного повторителя (в точке А) устанавливается нулевой потенциал. Диод Д4 служит для защиты транзистора Т4 и ограничивает его коллекторное напряжение на уровне +12 в.
Блок-схема испытания ГСН и временные диаграммы изображены ка рис. 4. В исходном состоянии ключ К1 закрыт и шунтирует переход коллектор-эмиттер транзистора в одном из плеч симметричного мультивибратора, работающего в качестве генератора импульсов (ГИ), обеспечивая, таким образом, срыв генерации. Ключ К2 также открыт и разряжает емкость С1 в ГСН. Рабочий ход начинается с того, что генератор однократных импульсов (ГОИ) по команде оператора выдает короткие импульсы, которые переворачивают триггер Тг в положение 1. Ключи К1 и К2 закрываются, и ГИ начинает выдавать на вход ГСН прямоугольные импульсы. На каждый входной импульс ГСН выдает на выходе ступеньку напряжения Д11. С выхода ГСН ступенчатое напряжение их подается на сравнивающее устройство (СУ), где оно сравнивается с эталонным напряжением иэ. В момент времени, когда иэ=их, СУ срабатывает и выдает короткие импульсы, которые опрокидывают триггер в положение 0. Схема приходит в исходное состояние, при этом на счетчик импульсов (СИ) проходит пакет импульсов, число которых равно числу ступенек в выходном напряжении ГСН.
Число импульсов, поступивших на вход ГСН, можно определить
как
Подставляя в (8) Д11 из (7), получаем
т
99
гои Тг
ги
СИ
ген
■упр
'гон
'ГС»
'Су
'х2
Рис. 4. Блок-схема испытания ГСН и временные диаграммы.
N = —
ип
С, +С2
с,
(9)
Отсюда видно, что число импульсов на входе ГСН прямо пропорционально эталонному напряжению на СУ и обратно пропорционально амплитуде входных импульсов. Таким образом, регулируя амплитуду входных импульсов и0, можно изменять коэффициент преобразования ГСН и измерять отношения напряжений.
Основной погрешностью ГСН является нелинейность характеристики Ы = {(иэ), возникающей из-за того, что коэффициент передачи катодного повторителя Ккп^Г Результаты испытаний ГСН на нелинейность показаны на рис. 5. При этом реальные значения сравнива-
иэ в 1 2 3 4 д 1 8 9 10
л> - 53 Г 86 278 357 453 549 64) 7 32 824 918
Л/г _ 92 !вн 275 366 459 550 642 134 826 918
{ с/о М5 V 0.3 0,24 О,'9 0,16 0,23 0,26 0
ла
Рис. 5. Испытания ГСН на нелинейность.
лись со значениями точек, лежащих на аппроксимирующей прямой, проведенной по двум крайним точкам (иэ=0 и иэ=10 в). Из таблицы
видно, что максимальная относительная погрешность 7отн тах= Ы %, а максимальная приведенная погрешность
978 — 97^ '\'прив шах = 918 -100% = 0,3% .
Возникновение температурной погрешности ГОН обусловлено, в основном, тремя факторами:
1. При влиянии температуры изменяются величины емкостей Сь:
С ' 4- С "
С2', С2", изменяется соотношение 2 2
п ч
то есть изме-
С, + су + с.
няется величина ступеньки Д11 генератора. Для устранения этого явления ТК'Е конденсаторов выбраны таким образом, что при изменении
С ' + С "
температуры отношение —-2 г , 2 п изменяется слабо. Для это-
го были выбраны
С, =0,1 мкф, ТК'Е=—0,0075 %/град, С2=91 пф, ТК'Е = —0,0050 %/град, С2"=8,2 пф, Т(КЕ=—0,07 %/град.
2. При увеличении температуры возрастает тепловой ток транзистора Т4 и увеличивается потенциал точки А (рис. 3), что эквивалентно увеличению эталонного напряжения иэ. Для получения хорошей температурной стабильности генератора тока в эмиттер транзистора Т4 включается термосопротивление с положительным ТКС, намотанное из медного провода, которое компенсирует увеличение теплового тока транзистора при увеличении температуры.
3. При увеличении температуры увеличиваются токи утечки диодов Д1 и Д2, что может вызвать разряд емкости С1 в паузе между импульсами. Для устранения этого были выбраны кремниевые диоды ДЮ5 с малыми токами утечки.
Результаты испытания ГОН на температурную нестабильность показаны на рис. 6. Кривая носит ярко нелинейный характер, так как в процессе принимают участие несколько температурозависимых элементов. Из графика рис. 6 видно, что в диапазоне температур (20—50) ° С ГСН обладает температурной погрешностью, не превышающей ±0,2%.
Для определения характеристики управления коэффициентом преобразования было задано иэ=|10 в = сопз1. Тогда выражение (9) можно представить
N
Цэ с, + о
Т1п * Со
1С
и.
(10)
где К — постоянный коэффициент.
г °с
N ( %
20 15 30 55 40 50
9П 918 920 919 91$ 9П
•д« 0 0,11 0,21 о,п -0,11
Рис. 6. Испытания ГСН на температурную нестабильность.
и0 6 8,0 9.0 10,0
н - /4 о 7 1510 }}85
к - 1ПЭ0 и В 00 И8Ч0
? % 0,4 0 0,55
N
то 1200 юоо
го
0ЭЧ08
8,0
9,0
Ю,0
Рис. 7. Характеристика управления коэффициентом преобразования.
Зависимость Ы = Г(и0) при иэ=сопз1 изображена на рис. 7. Принимая среднюю точку (при ио=9 в) за эталонный, рассчитываем для нее коэффициент.
К = Ы-и0= 1310-9,0= 11 800.
Сравнивая эту величину с коэффициентами на краях диапазона (при ио = 8 в и 10 в), находим, что максимальная нелинейность коэффициента составляет Уктах— 0,4%.
ЛИТЕРАТУРА
1. П. П. Орнатский. Автоматические измерительные приборы. Киев, «Техника», 1965.
