широкодиапазонныЙ генератор постоянного тока

Пахоменков Юрий Михайлович

канд. техн. наук, начальник лаборатории НПО «Аврора», г. Санкт-Петербург

Е-mail: logwinUMP@mail.ru

Wide range generator of permanent current

Yuryi Pahomenkov

Candidate of Sciences, chief of scientific development and production center laboratory ’Avrora’, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Предложено структурно-алгоритмическое решение генератора постоянного тока с расширенным диапазоном выходного сигнала. Получены основные расчетные соотношения. Описаны результаты исследования макетного образца.

ABSTRACT

Proposed structural and algorithmic solution of the generator is continuouska with an extended range of the output signal. The basic design relations. The results of the study model sample.

Ключевые слова: контроль; диагностика; генераторы токовых сигналов; синтез; дифференцирование.

Keywords: control; diagnostics; generator current signals; fusion; differentiation.

Внедрение широкодиапазонных преобразователей сигналов ионизационных камер [4, 5] требует применения для имитации их входных сигналов генераторов тока (ГТ) с расширенным динамическим диапазоном, позволяющих повысить достоверность контроля и диагностики оборудования, что является актуальной научно-технической задачей. Современные операционные и измерительные усилители практически не обеспечивают непрерывного (без переключения диапазонов) формирования выходного тока ГТ в диапазоне более двух декад, поскольку относительная погрешность формирования малых токов может достигать 100 % и более. Общепринятым способом расширения диапазона выходного тока ГТ является его реализация на основе преобразователя напряжение-ток (ПНТ) со скачкообразно изменяемым коэффициентом преобразования [2, c. 121]. Однако, в случае проверки оборудования, содержащего дифференцирующие звенья, с помощью такого ГТ, вероятно формирование проверяемой аппаратурой ложных сигналов, при разрывах тока в моменты переключений.

Альтернативные способы расширения диапазона формируемого тока заключаются в реализации экспоненциальных ПНТ [1] и многоканальных ГТ. В состав многоканального ГТ (рис. 1 а) входят: вычислительное устройство ВУ, цифроаналоговые преобразователи ЦАП 1... ЦАП N, преобразователи напряжение-ток ПНТ 1...ПНТ N, а также сумматор токов, выполненный на операционном усилителе DA1 с коммутатором токов (КТ) и усилителем выходного тока (DA2).

Рис.1. Широкодиапазонный ГТ (а) и фрагмент диаграммы диапазонов входящих в его состав ПНТ (б).

Цифровое представление позволяет формировать в ВУ непрерывный кодовый эквивалент заданного тока  в широком диапазоне. Однако диапазоны выходных токов ПНТ ограничены и описываются формулами

                     (1)

где  – номер ПНТ;

,  – максимальные значения выходного тока ПНТ с номером n и кодового эквивалента этого тока;

, , –коэффициент передачи, аддитивная и мультипликативная погрешности ПНТ с номером n.

В соответствии с диаграммой на рис.1 б), диапазоны токов ПНТ с соседними номерами ,  и ,  пересекаются. При этом диапазон выходного тока ГТ представляет собой объединение внутренних и смежных сегментов определяемых выражениями

где  – номер ПНТ;

 и – внутренние и смежные сегменты диапазона значений выходного тока ГТ.

При кодовом эквиваленте выходного тока, соответствующем внутреннему сегменту с номером n разомкнут только ключ SW с номером n, а выходной ток генератора составляет . Непрерывность суммарного тока в точках сегмента  обеспечивают взвешенным суммированием токов смежных ПНТ с номерами n и (n+1) , при подаче на их входы напряжений

где  – коэффициенты ЦАП с номерами n и n+1;

 – весовая функция, изменяющаяся от единичного к нулевому значению в пределах переходной области смежного сегмента .

При этом суммарный ток составляет

                                       (2).

Дифференцируя выражение (2) с учетом зависимости (1) как сложную функцию времени  получим

Полагая зависимость  непрерывно-дифференцируемой, сформулируем применительно к весовой функции следующие условия непрерывной дифференцируемости формируемого тока по времени.

                                             (3).

Принимая во внимание положительные качества косинусоидальной аппроксимации [3], рассмотрим тригонометрическую весовую функцию

                          (4).

где ,  – левая и правая границы переходной области смежного сегмента соответственно.

Очевидно, что функция (4) удовлетворяет условиям (3). Проиллюстрируем свойства этой функции на следующем примере. Пусть смежные ПНТ описываются формулами (1) с параметрами, указанными в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики смежных ПНТ

Как видно из графиков функций преобразования смежных ПНТ показанных на рис. 2 а) и б) соответственно, диапазон ПНТ с меньшим номером целиком лежит внутри диапазона ПНТ с большим номером. Выберем значения границ переходной области , . График суммарного тока , соответствующий выражению (8), построенный на рис. 2 в), иллюстрирует плавный (без скачков) характер изменения тока в переходной области.

Рис.2. Графики функций преобразования смежных ПНТ (а, б) суммарного тока (в) и его производной (г) в зависимости от кодового эквивалента тока.

На рис. 2 г) построен график производной суммарного тока , демонстрирующий непрерывную дифференцируемость функции (2).

Необходимым условием полномасштабной реализации преимуществ многоканальных ГПТ является применение прецизионных элементов. В частности, электрометрических операционных усилителей с минимальными по абсолютной величине значениями входного тока и напряжения смещения нуля. Поскольку при этом существенным требованием является минимизация токов утечки выключенных каналов КТ, весьма удобным оказывается диодно-релейный КТ на основе электрометрических диодов, таких, как прибор BAV45 фирмы Phillips semiconductor. При замкнутом состоянии контакта реле в запертом канале КТ напряжение на диоде составляет доли милливольта, а его сопротивление достигает нескольких ГОм. Разработана формализованная методика синтеза ПНТ средствами программы Mathсad. С целью проверки основных технических решений, методики синтеза и алгоритма функционирования ГТ был изготовлен его макет. Экспериментальное исследование макета показало, что погрешность его выходного сигнала по абсолютной величине не превышает значений, указанных в таблице 2.

Таблица 2

Фактические значения погрешностей формируемого тока

Таким образом, описанное выше структурное решение широкодиапазонного генератора тока (рис. 2 а), в сочетании с разработанной методикой, при надлежащем выборе элементной базы, конструкторских решений и весовой функции (4) обеспечивает формирование непрерывно-дифференцируемого сигнала в диапазоне шести декад.

Список литературы:

1.Беляков В.В. Разработка генератора моделирующих пикоамперных импульсов тока для исследования зарядочувствительных усилителей// Научная сессия МИФИ-2006, том 1, С. 90—91.

2.Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: «Додэка ХХI», 2005.

3.Григоренко А.М. Некоторые вопросы теории технической информации. – М.: «ЮБЕКС», 1998.

4.Никулин Э.С., Пахоменков Ю.М. Об одном методе компенсации температурного дрейфа линейных многодиапазонных электрометрических преобразователей тока // Системы управления и обработки информации. Научн.-техн. сб. / "НПО "Аврора", СПб. – 2002. – Вып. 4. – С. 111—120.

5.Пахоменков Ю.М. О построении электрометрических преобразователей тока // Системы управления и обработки информации: Научн.-техн. сб. / «НПО «Аврора», СПб., 2010. Вып. 20, С. 171—178.