CWICZENIE 9 INTEGRATORY LINIOWE I. Zakres cwiczenia

CWICZENIE 9
INTEGRATORY LINIOWE
I. Zakres cwiczenia
•
Praktyczne zaznajomienie sie z podstawowymi konfiguracjami analogowych integratorów liniowych, pomiar ich wspólczynników konwersji, czasowej zdolnosci rozdzielczej, nieliniowosci calkowej, oraz wyznaczenie nominalnego (roboczego) zakresu
pomiarowego.
II. Przedmiot cwiczenia
Przedmiotem cwiczenia sa cztery konfiguracje konwerterów czestotliwosc-napiecie stosowane w komercyjnych ukladach analogowych integratorów impulsów. Dwie z nich stanowia uklady z iniekcja standardowych porcji ladunku do obwodu calkujacego za posrednictwem kluczowanych zródel pradowych. Kolejne dwie, to klasyczny uklad Elmora−Sandsa
oraz bardziej zaawansowany uklad Cooke’a−Yarborough i Pulsforda, wykorzystujace do
dozowania ladunku pompy diodowe. Wymienione dwie grupy ukladowe zostaly zmontowane
w formie oddzielnych modulów cwiczeniowych.
Rysunek 1 przedstawia schematy ideowe integratorów pierwszego typu w oryginalnych
wersjach ukladowych zastosowanych odpowiednio w torze liniowym INTEGRATORA
LINIOWO-LOGARYTMICZNEGO ILL-41 systemu STANDARD-70 (uklad A), oraz w INTEGRATORZE LINIOWYM typu 1301-A systemu CAMAC (uklad B). Podstawowe struktury,
stanowiace wlasciwy przedmiot cwiczenia uzupelniono – ujetymi w ramki – stowarzyszonymi subukladami funkcjonalnymi zwiazanymi badz z ekstrakcja sygnalu wyjs-ciowego (A)
badz z poprawa liniowosci charakterystyki (B).
W obu konfiguracjach zastosowano identyczny sposób dozowania ladunku, polegajacy na
iniekcji do obwodu usredniajacego R-C standardowych impulsów pradowych o zadanej
amplitudzie i rozciaglosci czasowej. W obu tez ukladach zastosowano taki sam standaryzator
dlugotrwalosci impulsu pradowego, wykorzystujac w tym celu monowibrator scalony typu
SN 74121N. Róznice dotycza realizacji sterowanych zródel pradowych. W przypadku (A)
funkcje te pelni prosty, sterowany napieciowo stopien OE (T1A), wspomagany obwodami
ustalajacymi stan jego odciecia (dioda D1A i tranzystor T2A). Wartosc pradu tego zródla jest
podyktowana przez wartosci rezystorów (stalego R 7A oraz nastawczego RxA) w obwodzie
emiterowym tranzystorów T1A i T2A. Alternatywne rozwiazanie (B) w charakterze zródla
pradowego wykorzystuje stopien wzmacniajacy w konfigu-racji OB (tranzystor T2B) z regulacja poziomu w obwodzie emiterowym (sterowany dzielnik T 1B ÷ R2B, komutujacy napiecie
wejsciowe stopnia T2B, oraz rezystor szeregowy RxB).
W odmienny sposób realizowany jest równiez pomiar odpowiedzi obu konwerterów.
Wersja (A) dokonuje go w systemie napieciowym przez pomiar napiecia na obwodzie
calkujacym Ri-Ci, natomiast w wersji (B) przedmiotem bezposredniego pomiaru jest prad
w galezi rezystorowej tego obwodu. (w module cwiczeniowym przewidziano mozliwosc
pomiaru napiecia na zaciskach obwodu calkujacego – obwód pomiaru pradu w przypadku
braku zewnetrznego mikroamperomiera nalezy wówczas zewrzec na krótko).
Dla zadanych elementami nastawczymi wartosci parametrów wejsciowych impulsów
pradowych (Ii, ti) relacje miedzy wymuszeniem (<f >) a odpowiedzia (<Vo>) wyznacza
1
INTEGRATORY LINIOWE
równanie bilansu pradów obwodu calkujacego (akumulatora z odplywem). Prowadzi ona do
prostej zaleznosci liniowej
〈Vo ν = Ri I i ti 〈 f ν,
w której czynnik przed symbolem sredniej czestosci zliczen stanowi podstawowy parametr
integratora liniowego zwany wspólczynnikiem konwersji (przemiany) kp.
+5V
RN
+24V
CN
+6V
34401 A
A)
14
13 12
11
10
9
10 µ
1k
8
1
2
3
4
5
L
6
7
Ci
10n
Ri
3M3
BFP519
1k2
WE
VM
1k
SN 74121N
<Vo >
+24V
2N3823
500
D1A
<f>
100µ
VM
-24V
-24V
R3B 820
R2B
1k
0.1µ
2N2905A
RxA
-24V
B)
R7A
7k5
27p
BZYP 11
C6V2
30k
6k98
T2A
BAY55
20k
+24V
200
BFP519
T1A
+24V
H
+24V
BZP630C12
BSYP07
R4B 100µA
100k AM
10n
BFP519
BFP519
BSYP07
BSXP93
RxB
R1B
1k
T1B
T2B
BAYP 95
Ci
100µ
VM
do –12V
<Vo> <I 0>
Rys. 1. Schematy integratorów zmontowanych w module INTEGRATORY LINIOWE I
Kolejny rysunek (rys. 2) przedstawia schematy ideowe pary konwerterów drugiej grupy
z iniekcja ladunku do obwodu usredniajacego za posrednictwem pompy diodowej. Podstawowa wersje (uklad C) wedlug oryginalnej koncepcji Elmora−Sandsa reprezentuje tu
uklad stosowany w torze liniowym INTEGRATORA LINIOWO-LOGARYTMICZNEGO typu
ILL-21 wchodzacego w sklad systemu aparatury jadrowej STANDARD-70. W stopniu
standaryzatora impulsów wejsciowych wykorzystuje on monowibrator zrealizowany na czterech bramkach logicznych ukladu scalonego UCY 7400N. Generowane w nim impulsy po
wzmocnieniu w konwencjonalnym stopniu OE przekazywane sa do pompy diodowej (kondensator dozujacy Cd, dioda D2C oraz polaczony w ukladzie diody tranzystor T1C) iniekujacej
okreslone porcje ladunku do obwodu calkujacego Ri – Ci. Formowana w tym obwodzie
odpowiedz napieciowa konwertera <Vo> jest w ogólnosci nieliniowa funkcja wymuszenia (tj.
sredniej czestosci zliczen <f>). Zaleznosc te opisuje charakterystyka przenoszenia ukladu
pompy diodowej
〈Vo ν = Vi
〈 f νRi Cd
,
1 + 〈 f νRi Cd
2
INTEGRATORY LINIOWE
która dla wartosci
〈 f ν 〈〈
1
Ri Cd
wykazuje akceptowalna w praktyce pomiarowej liniowosc.
Dla uzyskania pozadanych, dostatecznie duzych wartosci napiecia wyjsciowego w warunkach ograniczenia zakresu pomiarowego do poczatkowej zaledwie czesci charakterystyki
przenoszenia niezbedne jest odpowiednie zwiekszenie napiecia impulsów wejsciowych Vi..
W omawianym ukladzie celowi temu sluzy wlasnie stopien wzmacniajacy T 1C. Na schemacie
pominieto rozbudowany uklad elektronicznego woltomierza z odczytem analogowym oznaczajac go jedynie umownym symbolem graficznym.
+6V
C)
D1C
BAYP95
390
+24V
1T
240
14 13 12
11
10
9
10/60
8
BC527
UCY7400N
WE
1
2
3
4
5
6
7
Cd
BC211
1k2
100
<Vo>
Ri - Ci
390
1M
10µ
D2C
BAYP95
<f>
200
T2C
T1C
34401A
D)
CiD
10µ
RiD
100k
+15V
Cd
100p
D2D
<Vo>
×
D1D
BAYP95
µA 741
BAYP95
- 15V
10k
1k
34401A
Rys. 2. Schematy integratorów zmontowanych w module INTEGRATORY LINIOWE II
Wolna od niedostatków prostego ukladu z pompa diodowa jest konfiguracja zaproponowana przez Cooke’a−Yarborough i Pulsforda, stanowiaca tandem pompy diodowej i calkujacego wzmacniacza operacyjnego. W module cwiczeniowym wykorzystano jej zmodyfikowana „replike” (uklad D) wykonana calkowicie na elementach i podzespolach
wspólczesnej techniki pólprzewodnikowej. Odpowiedz konwertera (<Vo>) na wymuszenie
(<f>) opisana jest w tym przypadku zaleznoscia
〈Vo ν = Vi
〈 f νRi C d
,
 1 + 〈 f νRi Cd υ
ε1 +

kv

υ
która przy odpowiednio wysokim wzmocnieniu napieciowym kv wzmacniacza sprowadza sie
z dobrym przyblizeniem do zwiazku liniowego. Wspólczynnik konwersji integratora okres-
3
INTEGRATORY LINIOWE
lony jest wówczas iloczynem Vi Ri Cd . Wersja ta korzysta z tego samego normalizatora
impulsów, jaki uzyto w integratorze ILL-21. Wobec inherentnie szerokiego zakresu liniowego
nie jest tu wymagane dodatkowe wzmacnianie impulsów.
III. Program cwiczenia − instrukcja szcze gólowa
1) Pomiary charakterystyk przenoszenia integratorów
W ukladzie pomiarowym przedstawionym schematycznie na rysunku 9.3 dokonac
pomiaru charakterystyk przenoszenia wskazanych przez prowadzacego cwiczenia konfiguracji ukladowych. Rekomendowany jako zródlo sygnalu wejsciowego generator impulsów
PGP-6 ustawic w trybie generacji impulsów pojedynczych. Ustalic polarnosc impulsów oraz
ich amplitude zgodnie z wymaganiami dodatniej logiki TTL. Kazdorazowo nastawiona czestotliwosc generowanych impulsów pomierzyc przy pomocy przelicznika P-41, dobierajac
czas zliczania impulsów wedlug kryterium 1% dokladnosci pomiaru.
KB-60-01
<Io>
PGP-6
<f>
µA
ν
DUT
<Vo>
34401A
P-41
Rys. 3. Schemat zestawu do pomiaru charakterystyk przenoszenia integratorów
Napiecia niezbedne do zasilania modulów cwiczeniowych ustalic, korzystajac z organów
nastawczych zasilacza KB-60-01 i kierujac sie praktyczna wskazówka polaczen dla obu grup
integratorów, podana na rysunku 4. W szczególnosci dla grupy pierwszej (INTEGRATORY
LINIOWE I.) odnosne polaczenia ukazuje rysunek 4a. natomiast grupy drugiej (INTEGRATORY LINIOWE II) – rysunek 4b.
a)
b)
+6V
+18V
+6V
+24V
-12V
+6V
-12V
-24V
+6V
+9V
+15 V
+9V
+24V
-15V
-15
Rys. 4. Uklady polaczen zasilacza KB-60-01 do zasilania modulów cwiczeniowych I i II
4
INTEGRATORY LINIOWE
Wlasciwe pomiary poprzedzic pomiarami orientacyjnymi dla zgrubnego wyznaczenia
obszaru górnego zakrzywienia charakterystyki i okreslenia nominalnej wartosci maksimum
odpowiedzi. Wartosc te, okreslajaca zakres pomiarowy, przyjac wstepnie równa okolo 90%
poziomu nasycenia.
Okreslone w ten sposób przedzialy czestotliwosci pokryc co najmniej dziesiecioma
równomiernie rozlozonymi punktami pomiarowymi. Wyniki pomiarów przedstawic tabelarycznie i wykreslnie w formie charakterystyk < V >(< f >) wzglednie < Io >(< f >).
UWAGA
W pomiarze napiecia wyjsciowego integratora w konfiguracji (A) uzyty w tym
celu woltomierz elektroniczny podlaczyc w trybie „wiszacym” (zaciski H-L)
2) Wyznaczenie wspólczynników konwersji kp i nieliniowosci calkowej εi integratorów
Na podstawie uzyskanych rezultatów pomiarowych wyznaczyc:
•
•
•
wartosc wspólczynnika konwersji dla zalozonego a priori zakresu pomiarowego,
nieliniowosc calkowa εi dla tego zakresu,
wg kryterium zadanej wartosci εi (np. εi = 1%) okreslic nominalny zakres pomiarowy
oraz przynalezna mu wartosc wspólczynnika konwersji.
Globalnym parametrem opisujacym nieliniowosc ukladu jest tzw. wspólczynnik
nieliniowosci calkowej εi. W domenie odpowiedzi napieciowej ukladu z mocy definicji
wyraza sie on zaleznoscia
def
∆ Vo
,
εi =
Vo max
gdzie:
∆Vo − maksymalne odchylenie charakterystyki przejsciowej od idealizowanego
przebiegu liniowego,
Vo max − maksymalna wartosc nominalna odpowiedzi.
W praktyce metrologicznej upowszechnily sie trzy sposoby okreslania odchylki ∆Vo
Zilustrowano je na rysunku 5.
<Vo>
<Vo>max
∆VoC
C
∆VoBC
∆VoA
B
A
α
<f>
<f>max
Rys. 5. Ilustracja ogólnych definicji liniowosci przenoszenia ukladów
5
INTEGRATORY LINIOWE
Najwieksza popularnosc zyskal sposób, w którym ∆Vo stanowi naturalna, maksymalna
odleglosc punktów charakterystyki rzeczywistej i idealnej (∆VoA) lezacych na wspólnej
rzednej, przy czym referencyjna charakterystyke idealna reprezentuje prosta A przechodzaca
przez skrajne punkty charakterystyki rzeczywistej. Drugi sposób przyjmuje za odniesienie
prosta B równolegla do A, stanowiaca symetralna punktów charakterystyki rzeczywistej
(∆VoB). Wedlug tego sposobu wyznaczana jest nieliniowosc calkowa urzadzen systemu
aparaturowego STANDARD. Najrzadziej stosowany, trzeci sposób, za reprezentatywna
odchylke (∆VoC) przyjmuje odleglosc miedzy punktem przeciecia stycznej do charakterystyki
rzeczywistej w „zerze” C z poziomem <Vo> ma x, a lezacym na wspólnej rzednej punktem
charakterystyki rzeczywistej. Ze wzgledu na niezgodnosc wartosci εi wyznaczanych róznymi
sposobami dane katalogowe odnosnych urzadzen zawieraja z reguly informacje jakim sposobem w danym przypadku sie posluzono.
W ramach cwiczenia nalezy dokonac wyznaczenia wspólczynnika nieliniowosci calkowej
metoda graficzna wedlug sposobu pierwszego. Prosta odniesienia jest w tym przy-padku
charakterystyka idealna
wykreslona od poczatku ukladu wspólrzednych do punktu
o wspólrzednych < f > max i <Vo> max. Zauwazmy, ze wspólrzedne koncowe charakterystyki
idealnej determinuja zarazem wartosc wspólczynnika konwersji (przemiany) kp zgodnie
z oczywista relacja
〈V ν
k p = o max = tg α .
〈 f νmax
W zadaniu tym posluzyc sie metoda kolejnych przyblizen, wyznaczajac wartosci
wspólczynnika nieliniowosci calkowej przy stopniowo zawezanym zakresie pomiarowym.
3) Pomiar czasu rozdzielczego integratorów
Pomiar przeprowadzic w ukladzie podanym na rysunku 3. Przelaczyc generator impulsów
PGP-6 w tryb generacji impulsów podwójnych (pary impulsów). Nastawic czestotliwosc
repetycji impulsów na wartosci odpowiadajacej srodkowi zakresu pomiarowego integratora.
Pomiar rozpoczac od minimalnej odleglosci czasowej pary impulsów, zwiekszajac ja stopniowo az do momentu (skokowego) dwukrotnego wzrostu wskazan integratora. Odpowiadajacy temu momentowi odstep czasowy pary impulsów okresla wyznaczany czas rozdzielczy integratora.
4) Rekalibracja integratora
Dla zadanych parametrów znamionowych (zakres czestosci zliczen, stala czasowa)
obliczyc wartosci elementów nastawczych wskazanej przez prowadzacego zajecia konfiguracji integratora (z grupy drugiej), wmontowac je do ukladu i sprawdzic doswiadczalnie
uzyskane rezultaty.
6
INTEGRATORY LINIOWE
IV. Wyposazenie stanowiska cwiczeniowego
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Modul cwiczeniowy: INTEGRATORY LINIOWE I (A-B)
Modul cwiczeniowy: INTEGRATORY LINIOWE II (C-D)
Generator impulsów: typ PGP-6
Woltomierz cyfrowy: typ HP 34401 A
Mikroamperomierz laboratoryjny
Zasilacz niskiego napiecia typu KB-60-01
Przelicznik impulsów serii STANDARD 70: typ P-44
Podzespoly elektroniczne
Kable i przewody laczace
V. Literatura pomocnicza
[1] Instrukcja obslugi: Integrator linearno-logarytmiczny − typ ILL-41. Warszawa, ZZUJ
POLON 1973
[2] Instrukcja obslugi: Integrator liniowo-logarytmiczny - typ ILL-21a. Zielona Góra,
ZZUJ POLON 1979
[3] Instrukcja obslugi: Integrator liniowy – typ 1301A. Warszawa, ZZUJ POLON 1976
[4] Instrukcje obslugi pomocniczej aparatury pomiarowej
[5] Korbel K.: Elektronika jadrowa. Cz.III. Uklady i systemy elektroniki jadrowej. Kraków, Wyd. AGH 1987
7