Методы выявления характеристик нелинейных элементов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

Методы выявления характеристик нелинейных элементов аналогичны рассмотренным выше, т.е. нелинейный элемент включается по схемам рис. За,б, вместо резистора R_x . При этом следует иметь в виду шунтирующее действие амперметра и вольтметра - на малых токах (больше R_x) следует применять схему рис. 3, а; на больших токах (малое значение) - схему рис. 3,6.

Типичным представителем нелинейного элемента является полупроводниковый диод. Обобщенная вольт-амперная характеристика диода представлена на рис. 5. Это график зависимости между током и напряжением полупроводникового прибора.

Рис.5.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

График прямого тока (первый квадрант) характеризуется двумя участками.

Начальный участок (до 0,2.. .0,4 В для германиевых диодов; до 0,6.. .0,8 В для кремниевых диодов) отражает наличие на р - п переходе разности потенциалов, образованной диффузионно перемещенными неосноваными носителями заряда (электронами и дырками). На этом участке прямой ток очень мал, участок получил название диодная пятка.

Когда прямое напряжение сравняется с напряжением диодной пятки потенциальный барьер р - п перехода будет уничтожен и в цепи останется только собственное сопротивление областей р и п. Далее прямая ветвь становится практически линией.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения (третий квадрант) сначала быстро увеличивается. Это вызвано тем, что уже при небольшом за счет повышения потенциального барьера в переходе снижается диффузионный ток, направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. При дальнейшем увеличении ток растет незначительно. Рост тока происходит из-за нагрева перехода током, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т.е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации.

При некотором значении возникает пробой р - п перехода , при котором резко возрастает. Различают два вида пробоев: электрический и тепловой пробой р - п перехода. Электрический пробой, область которого обозначена ABC (см. рис.5), является обратимым.

На участке CD тепловыделение возрастает, растет температура р – п- перехода и диод разрушается. Это необратимый тепловой пробой.

Цифровые методы измерения параметров элементов

В радиоэлектронике и устройствах телекоммуникационных систем используются два основных метода преобразования линейных параметров цепей: прямой и уравновешивающий.

Цифровой измерительный прибор прямого преобразования представляет сочетание аналогового преобразователя какого-либо параметра элемента в активную величину и соответствующего цифрового прибора для ее измерения. Их классификация производится в зависимости от вида промежуточного преобразования.

Цифровые измерительные приборы уравновешивающего преобразования представляют собой цифровые мосты постоянного (для измерения R) или переменного (для измерения R, L и С) тока. Одним из самых простых методов измерения R, L, С является преобразование их в напряжение. Исследуемый двухполюсник включают в измерительную цепь, питание которой осуществляется от источника образцового тока или напряжения. Второй способ цифрового измерения R , L , С параметров основан на предварительном преобразовании их значений в частоту гармонического сигнала. В этом случае исследуемый элемент включается в частотно-зависимую цепь, определяющую частоту колебаний генератора (источника).

В практике измерений R , L , С широкое распространение получили методы развертывающего преобразования. Они основаны на формировании определенной развертывающей функции, аналитическое выражение которой включает в себя измеряемый параметр, и в фиксации моментов времени, когда она достигает заранее заданных значений. Измеренный интервал времени оказывается функционально связанным с преобразуемым параметром. Данные преобразователи отличаются высокой точностью, быстродействием, линейностью функции преобразования, удобным для преобразования в цифровой код видом выходного сигнала (частота , период T или временной интервал Δt). Рассматриваемый метод применяется обычно в сочетании с предварительным преобразованием параметров R , L или С в напряжение. В этом случае развертывающая функция также представляет собой напряжение.

Структурная схема простейшего преобразователя параметров R , L , С в период меандрового сигнала показана на рис.6, а.

Измерительная цепь (ИЦ) интегрирующего типа с постоянной времени (или ,или )питается напряжением с выхода операционного усилителя (ОУ), являющегося компаратором (устройством сравнения). Порог его срабатывания задается резистивным делителем R₁ и R₂ (коэффициентом передачи цепи положительной обратной связи). Временные диаграммы работы преобразователя параметров приведены на рис.6, б.

При подаче с выхода ОУ на ИЦ в момент времени t₀ напряжения U₀происходит его интегрирование измерительной цепью. Развертывающая функция на инвертирующем входе ОУ имеет следующий вид:

, (15)

где - коэффициент передачи цепи положительной обратной связи.

При достижении этой функцией порогового значения + в момент времени t₁ срабатывает компаратор на ОУ, изменяя на выходе знак напряжения U₀на противоположный. Интервал времени интегрирования

(16)

На следующем интервале времени T₂ = t₁ – t₂происходит
формирование развертывающей функции с противоположным знаком
производной. Очевидно,

(17)

при равенстве положительного и отрицательного порогов срабатывания интервалы T₁ и Т₂равны. При этом период меандрового напряжения на выходе ОУ определяется выражением (17)

Результат измерения периода Т_х пропорционален значению определяемого параметра R_x (или С_х или L_x).

Наряду с методами развертывающего преобразования в практике используются также методы уравновешивающего преобразования R_x, С_х и L_x — параметров. Сравнение измеряемой величины с образцовой чаще всего осуществляется путем уравновешивания мостовой измерительной цепи, в одно из плеч которой включается исследуемый двухполюсник. В смежное плечо моста включается образцовый элемент, представляющий собой набор квантованных образцовых мер, соответствующих весовым, коэффициентам разрядов используемого цифрового кода. Изменением параметров образцового двухполюсника добиваются равенства нулю напряжения в измерительной диагонали. Уравновешивание моста может быть как следящим, так и развертывающим.

На рис.7 показана структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа для, измерения активного сопротивления резистора или другого элемента с омическими потерями.

Рис. 7.

Структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа

Измеряемый резистор R_x образцовые резисторы R₁ и R₂ и преобразователь кода в сопротивление (ПКС) образуют мост, который питается источником постоянного напряжения (ИП). Разбаланс моста фиксируется устройством сравнения (УС). Устройство управления (УУ) анализирует выходной сигнал УС и в зависимости от его знака увеличивает или уменьшает цифровой код N, выдаваемый на ПКС. Уравновешивание производится до тех пор, пока напряжение в выходной диагонали моста не станет меньше порога чувствительности УС. При этом измеряемое сопротивление

(18)

где – коэффициент преобразования ПКС;

- сопротивление ПКС.

Как следует из формулы (18), результат измерения (он фиксируется цифровым отсчетным устройством — ЦОУ) не зависит от напряжения питания моста.

Изменение пределов измерения происходит путем изменения отношения сопротивлений резисторов R₁ и R₂цепи положительной обратной связи. Точность измерения определяется стабильностью сопротивления образцовых резисторов R₁ и R₂и точностью ПКС.

Более сложными являются мосты переменного тока, предназначенные для измерений комплексного сопротивления, индуктивности и емкости при определенной фиксированной частоте (обычно 1 кГц). Эти мосты выполняют уравновешивание по двум параметрам, т.е. производят раздельное и независимое уравновешивание двух составляющих комплексного сопротивления Z_x .

Наибольшее распространение получили цифровые автоматические приборы с микропроцессором, выполненные по схемам с использованием уравновешенных мостов. Уравновешивание осуществляется автоматическим регулированием двух органов моста (для каждого из измеряемых параметров). Упрощенная структурная схема цифрового автоматического измерителя комплексного сопротивления с микропроцессором приведена на рис.8.

Рис. 8.

Упрощенная структурная схема цифрового автоматического измерителя комплексного

сопротивления с микропроцессором

В основе данного измерения параметров цепей цифровым прибором лежит мостовой метод с фазочувствительными детекторами уравновешивания. Питание мостовой схемы осуществляется от генератора переменного напряжения (на рисунке для упрощения не показан).

Микропроцессор со встроенным тактовым генератором определенной частоты выполняет все функции управления измерительным процессом. Напряжение разбаланса моста U_p через усилитель сигнала разбаланса поступает на входы фазовых детекторов активной АС и реактивной PC составляющих. Опорные напряжения фазовых детекторов и снимаются с мостовой схемы. Напряжение разбаланса с фазовых детекторов подается на реверсивные счетчики, управляющие состоянием органов уравновешивания мостовой схемы, и на микропроцессор, задающий сигналами и скорость счета соответствующих реверсивных счетчиков.

Направление счета реверсивных счетчиков определяется знаком напряжения разбаланса фазовых детекторов, скорость счета — значением этого напряжения. Изменение состояния счетчика, вызванное приходом на мост каждого тактового импульса U_p тактового генератора, приводит к изменению значения регулирующего параметра на одну единицу младшего разряда. Опорные напряжения фазовых детекторов выбираются такими, что сигналы, вырабатываемые ими, определяются отклонением органа управления от состояния равновесия: сигнал одного детектора отклонением

по активной составляющей АС, сигнал другого — по реактивной составляющей PC. Управление мостом осуществляется сигналом U_T микропроцессора.

По мере приближения к состоянию баланса моста напряжение разбаланса уменьшается, вследствие чего замедляется скорость его уравновешивания. При достижении состояния равновесия мостовой схемы дискретное уравновешивание прекращается и результаты измерения поступают на цифровые отсчетные устройства (ЦОУ).

Микропроцессор осуществляет самокалибровку прибора перед началом измерений, а также учитывает влияние внешних условий на точность измерений.

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 170; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!