Разработка методов построения и создание точной аппаратуры контроля уровня напряжений широкополосных сигналов

• Автор: Гуревич, Михаил Львович
• Шифр специальности: 05.11.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 94 с. : ил.; 20х15 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Эффективное управление технологическими процессами в научной и роизводственной сфере, а также контроль характеристик элементной базы икроэлектроники и оптики, радиотехнического оборудования, средств связи, пектронного вооружения, требуют постоянного совершенствования методов и редств измерения.
В системах управления и контроля чаще других используются информа-ивные характеристики измерительных радиотехнических сигналов постоянно-о, переменного или импульсного напряжения и тока. Это такие параметры сигала, как уровень (характеризуемый амлитудным, средневыпрямленным или реднеквадратическим значениями), частота (или спектр частот), фаза, задержка, [аибольшее применение находят технические средства измерения уровня наряжений, поскольку во многих случаях они позволяют наиболее достоверно и ри минимальных затратах времени и материальных ресурсов судить о состоя-ии технологических процессов, об исправности контролируемого изделия и пособности выполнять заданные функции.
При контроле уровня переменных напряжений обычно приходится меть дело с сигналами сложной формы, имеющими насыщенный спектральный остав. Определение уровня таких напряжений осложнено тем, что из-за ограни-енности полосы пропускания и динамического диапазона применяемых техни-еских средств на результат измерения сильно влияют изменения спектрального остава сигнала и его формы.
Импульсный сигнал напряжения характеризуется множеством инфор-ативных параметров. В качестве параметра уровня наиболее часто использует-я амплитуда. Измерение амплитуд импульсных сигналов требует применения аких методов и средств, которые позволяли бы сохранять неизменным резуль-ат измерения в условиях изменения длительности и частоты повторения, а так-:е других параметров, определяющих форму импульса. Определение амплитуд диночных импульсов осложнено однократностью процесса измерения.
Весьма часто, особенно в случае импульсных сигналов, амплитуда явля-гся параметром, несущим об уровне сигнала недостаточную информацию. То-аа прибегают к контролю «мгновенных» значений сигнала (т.е. значений сигна-а в заданные моменты времени). Используемые для этих случаев осциллографы ряде случаев имеют большую погрешность измерений, и поэтому вместо них эебуются специализированные измерители высокой точности.
Рост функциональной сложности изделий, обусловленный все большим рименением средств микроэлектроники и вычислительной техники, увеличени-н быстродействия, надежности и других потребительских качеств, потребовал эздания средств метрологического контроля, способных сохранять высокую

точность при существенном расширении полосы пропускания и увеличении разрешающей способности во временной области. В частности, в микроэлектронике многие элементы и сложные функциональные устройства (такие, например, каь многоразрядные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, устройства выборки-хранения), характеризующиеся комплексом требований к параметрам напряжений импульсных сигналов в различных точках схемы, существенно переместили свои рабочие частоты в область, измеряемую сотнями, а иногда и тысячами мегагерц, сохранив точность, свойственную низкочастотным устройствам. Микроэлектронные операционные усилители, использующиеся для точного масштабного преобразования широкополосных сигналов, имеют полос} пропускания, достигающую сотен мегагерц. Они описываются характеристиками выходных напряжений при гармонических воздействиях, а также параметрами переходных процессов, возникающих при воздействии импульсных сигналов. Для контроля таких элементов и узлов микроэлектроники требуются измерители уровня переменных и импульсных напряжений, имеющие погрешность измерений, не превышающую десятых долей процента, в частотной области до нескольких сотен мегагерц и во временной области до 1 наносекунды.
При исследовании процессов в ядерной физике и физике плазмы необходимо измерять амплитуду как однократных, так и повторяющихся наносекунд-ных импульсов с погрешностью, не превышающей десятых долей процента.
Между тем, известные методы измерения уровня напряжений широкополосных сигналов и построенные на их основе измерительные приборы не удовлетворяют всё возрастающим требованиям по точности в широком частотном диапазоне. Так, например, к моменту начала работ автора по этой проблеме нижний предел диапазона длительностей импульсов и минимальная погрешность измерений серийных амплитудных импульсных вольтметров В4-2, В4-3 и В4-4 составляли соответственно (50-100) не и (4 -10) %. Среди измерителей средне-выпрямленных и среднеквадратических значений широкополосных напряжений преобладали аналоговые вольтметры невысокой точности (минимальная погрешность от 2,5% до 3%). Измерители «мгновенных значений» широкополосных напряжений были представлены, в основном, стробоскопическими осциллографами, обеспечивающими погрешность измерений, не меньшую, чем (8-10)%. Помимо невысокой точности и недостаточной широкополосности упомянутые приборы не обеспечивали возможности автоматизации измерений.
Поэтому разработка методов точного измерения напряжений широкополосных сигналов представлялась важным направлением исследований, а создание на их основе серийных радиоизмерительных приборов способствовало решению многих народно-хозяйственных и оборонных задач.
Актуальность работ нашла отражение в Постановлениях Правительства СССР и ЦК КПСС, Решениях других директивных органов, на основании которых были поставлены научно-исследовательские и опытно - конструкторские работы, явившиеся базой проведенных автором диссертации исследований.

Рис. 12. Двухканальный автокомпенсационный преобразователь с дискриминатором на туннельном диоде при монотонном изменении результирующей погрешности.
Характерные зависимости в функции изменения величины максимальной погрешности исходного одноканального преобразователя 8^ тах .
(а) - функциональная связь погрешностей двухканального и одноканального преобразователен;
(б) - максимальная погрешность 8 (кривая 1) и выигрыш 8 / £>1тах (кривая 2) в уменьшении
максимальной погрешности 5 (П0 = 2).