6.6. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ДИОДЫ И ТИРИСТОРЫ

Рассмотрим современные методы измерения на примере измерительно-вычислительного комплекса (ИВК), разработанного для испытаний СПП в статическом и динамическом режимах. Поскольку при испытаниях СПП так или иначе моделируются основные электрические воздействия, которым они подвергаются в реальных схемах, постольку описанные ниже схемотехнические решения применимы для любого ПУ.

Отметим, что измерение любого электрического воздействия сводится к измерению трех величин: тока, протекающего через прибор, напряжения на нем и временных интервалов. Другими словами, любое измерение заключается в преобразований мгновенных значений тока и напряжения в цифровой код, передаче его в оперативное запоминающее устройство ПЭВМ и последующей обработке этих данных по соответствующей программе. Такая организация измерительных устройств обеспечивает построение универсальных ИВК, удовлетворяющих современным метрологическим требованиям.

Практически все параметры СПП измеряют либо в статическом, либо в коммутационном режимах. В каждом из режимов предъявляются различные требования к метрологическим характеристикам цифровых измерительных устройств — быстродействию, точности, динамическому диапазону.

В статическом режиме диоды или тиристоры подвергаются воздействию импульса тока или напряжения с формой, близкой к синусоидальной, длительностью . Регистратор статических процессов должен обеспечивать в однократном режиме измерение, преобразование в цифровой код и запись в буферное запоминающее устройство (БЗУ) мгновенных значений тока через прибор и падения напряжения на нем. Основные метрологические характеристики такого регистратора приведены ниже;

Вариант структуры регистратора неповторяющихся статических процессов с приведенными выше метрологическими характеристиками представлен на рис 6.15. Оба канала регистратора имеют дифференциальные входы 1—4. что исключает погрешность измерений, вызванную удалением общей точки измерительного устройства от объекта измерений. Для повышения точности измерений сигналы подаются на входы регистратора через аттенюаторы с коэффициентами передачи 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30. После аттенюаторов сигналы подаются на входы дифференциальных усилителей.

Рис. 6.15. Структурная схема регистратора неповторяющихся статических процессов

Разностные сигналы с их выходов, пропорциональные падениям напряжения на испытуемом приборе и датчике тока, через устройства выборки-хранения (УВХ) 5, 6 подаются на входы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 7, 8. Применение УВХ обеспечивает уменьшение динамических погрешностей АЦП. При измерении статических процессов не предъявляются повышенные требования к быстродействию АЦП, поэтому оптимальным является применение АЦП последовательного приближения. В зависимости от требований, предъявляемых к точности регистратора, можно использовать либо -разрядный АЦП с временем преобразования , либо -разрядный с временем преобразования . Реализовать точность преобразования, которую можно обеспечить , удается при использовании в качестве УВХ микросхемы . Для -разрядного АЦП необходимо применение УВХ на дискретных элементах с компенсацией статической погрешности операционных усилителей, что обеспечивает погрешность не более 0,05% [6.1].

По окончании времени преобразования в выходных регистрах обоих АЦП будут записаны цифровые эквиваленты мгновенных значений тока и напряжения. Эти коды через мультиплексор 9 поочередно записываются в буферное запоминающее устройство (БЗУ) 10.

Цикл преобразования пары мгновенных значений измеряемых сигналов повторяется 128 раз, причем момент измерений сдвигается каждый раз на . Синхронизация работы всех узлов регистратора осуществляется с помощью формирователя импульсов синхронизации (ФИС) 11. Начало работы ФИС синхронизировано с началом импульса тока через испытуемый прибор. Регистратор может работать в режимах «внутренней» или «внешней» синхронизации.

По окончании процесса измерений в БЗУ хранятся 128 двоичных слов, соответствующих мгновенным значениям падения напряжения на нем.

Затем начинается цикл считывания информации из БЗУ в ПЭВМ, Сопряжение БЗУ с ПЭВМ осуществляется с помощью устройства сопряжения с объектом (УСО) 12. Устройство сопряжения с объектом считывает информацию из БЗУ, преобразует слова, представленные в -разрядном параллельном коде, в код, который требуется по протоколу обмена с ПЭВМ 13, формирует служебные команды для ПЭВМ во время обмена информацией, формирует импульсы синхронизации для организации правильной последовательности работы ПЭВМ и регистратора во время диалога. При применении ПЭВМ семейства IBM PC и программно совместимых с ними версий , «Правец-16» и т. п.) целесообразно реализовывать УСО на микропроцессорном комплекте или использовать в качество УСО широко распространенные управляющие типа МСУВТ . Выбор типа интерфейса обусловлен, в частности, конструктивным выполнением всего ИВК в целом. При протяженности линий связи между УСО и ПЭВМ более рекомендуется использовать интерфейс последовательного ввода-вывода . В синхронном режиме максимальная скорость передачи данных через интерфейс составляет около 50 кбод, в асинхронном 19,2 кбод ).

Применение регистратора неповторяющихся статических процессов при измерениях параметров диодов и тиристоров обеспечивает определение параметров статической ВАХ СПП в состоянии высокой и низкой проводимости—импульсное падение напряжения, дифференциальное сопротивление и напряжение отсечки, положение точки температурной инверсии ВАХ, напряжение загиба ВАХ, обратный ток, ток утечки и т. д. Кроме того, регистратор может быть использован для реализации неразрушающих методов контроля ударного тока.

Более сложной задачей является разработка цифрового регистратора коммутационных процессов. Сложность обусловлена сочетанием высоких требований, предъявляемых к быстродействию и динамическому диапазону устройств. Регистратор коммутационных процессов должен иметь динамический диапазон 50—60 дБ, обрабатывать сигналы с постоянными времени нарастания или спада с погрешностью не более 5%.

Создание АЦП с разрядностью 10—12 и временем преобразования 50—100 не представляет на сегодняшний день весьма сложную задачу. Поэтому наиболее простым путем является применение стробоскопического метода измерений повторяющихся коммутационных процессов.

Рис. 6.16. Структурная схема цифрового измерительно-вычислительного устройства для измерения динамических характеристик тиристоров

Структурная схема цифрового измерительно-вычислительного устройства для измерения динамических характеристик тиристоров [6.2] представлена на рис. 6.16. Устройство состоит из датчика мгновенных значений тока и напряжения на тиристоре и с блоком согласования. Датчик мгновенных значений работает по принципу стробоскопических измерений и осуществляет преобразование в двоичный код мгновенных значений тока и напряжения при включении либо выключении тиристора. Интервал дискретизации задается оператором и может выбираться в диапазоне . Число точек измерений NT выбрано равным 100, что позволяет исследовать переходные процессы в тиристорах, протекающие за время до . В состав устройства входят следующие основные узлы, показанные на рис. 6.16: силовой контур 1, датчик тока 2, испытуемый тиристор 3, формирователь импульса тока управления 4, датчик напряжения 5, согласующие устройства 6 и 7, устройства выборки-хранения 8 и 9, формирователь импульсов управления УВХ 10, аналоговый переключатель 11, устройство управления аналоговым переключателем и АЦП 12, АЦП 13, буферное ЗУ 14, блок согласования буферного ЗУ и ЭВМ 15, ЭВМ 16, узел запуска 17, устройство синхронизации 18, счетчик числа измерений 19, распределительное устройство 20, схема объединения 21, схема селекции 22, дешифратор последнего такта 23, счетчик числа тактов 24, схема совпадений 25, устройство выделения первого импульса 26, кварцевый генератор 27, цифропечатающее устройство 28.

Рассмотрим работу измерительного устройства при исследовании переходного процесса включения. Временные диаграммы работы основных узлов установки в этом режиме показана на рис. 6.17.

Рис. 6.17. Временные диаграммы работы устройства, структура которого показана на рис. 6.16

При запуске установки оператором узел запуска 17 формирует импульс, который устанавливает в нуль счетчик числа измерений 19, при этом на управляющем входе узла синхронизации 18 появляется сигнал, разрешающий счет, и узел синхронизации 18 формирует последовательность импульсов, частота следования которых определяет частоту включения испытуемого тиристора 3 (рис. 6.17, диаграмма 5). Испытуемый прибор 3 включается импульсом тока управления от формирователя импульса тока управления 4 (рис 6.17, диаграмма 2). Последний обеспечивает формирование импульса тока управления с независимой регулировкой амплитуды, длительности и скорости нарастания фронта импульса.

Включение тиристора 3 сопровождается увеличением во времени тока в анодной цепи и спадом напряжения на тиристоре (рис. 6.17, диаграммы 1а и 16). На выходах датчиков тока 2 и напряжения 5 формируются изменяющиеся во времени сигналы, пропорциональные току через испытуемый прибор и напряжению на нем соответственно. Эти сигналы через согласующие устройства 6 и 7 поступают на вход УВХ 8 и 9. При каждом включении испытуемого прибора на управляющие входы УВХ поступает импульс управления, переводящий их из режима выборки в режим хранения. С поступлением сигнала управления на выходе УВХ поддерживается постоянный уровень напряжения, равный мгновенному значению входного сигнала в момент прихода фронта импульса управления (рис. 6.17, диаграммы 11 и 12). Во время режима хранения сигналы с выходов УВХ через аналоговый переключатель 11 поочередно поступают на вход АЦП 13. АЦП, работающий по принципу последовательного уравновешивания разрядов, имеет время преобразования одной аналоговой величины в цифровой код около . По окончании преобразования двоичное число записывается в БЗУ 14. Для изменения адреса ЗУ используется импульс «Конец преобразования» со служебного выхода АЦП. Циклы измерения, преобразования в двоичный код и записи в память пары двоичных слоев (тока и напряжения) имеют длительность около и повторяются с частотой следования, определяемой узлом синхронизации 17. При каждом включении испытуемого тиристора фронт импульса управления УВХ сдвигается относительно начала импульса управления испытуемым приборов на величину , где n — номер цикла измерений. После окончания цикла измерений при подача импульсов синхронизации прекращается, в БЗУ 14 хранится 100 двоичных слов, соответствующих 100 мгновенным значениям тока через испытуемый прибор, и 100 двоичных слов, соответствующих 100 мгновенным значениям напряжения на испытуемом тиристоре. Каждая пара чисел соответствует значениям тока и напряжения, измеренным в один и тот же момент.

Передача информации из БЗУ в ОЗУ ЦВМ осуществляется при запуске оператором программы ввода информации и обработки результатов.

Ввод информации в ЦВМ осуществляется через устройство согласования 15, построение и работа которого определяются типом ЭВМ, входящей в состав измерительного комплекса. Основные требования, определяющие выбор типа ЭВМ, можно сформулировать следующим образом.

1. Объем памяти ЭВМ должен позволять разместить не менее 1000 десятичных чисел, не считая памяти служебной зоны (около 50 десятичных чисел).

2. Желательны простота ввода и вывода информации, контроля правильности записи программы и данных, удобство в управлении работой ЭВМ, при этом необходимо учитывать, что комплекс можно использовать как в научно-исследовательских, так и в производственных целях на предприятиях, разрабатывающих и производящих СПП.

3. Необходима возможность хранения результатов измерений и их повторной обработки, т. е. ЭВМ должна обладать накопителем на магнитных ленте или дисках.

4. Простота в изменении программы обработки результатов измерений, что особенно важно при проведении работ исследовательского характера.

Этим требованиям удовлетворяет специализированная управляющая ЭВМ типа «Электроника с объемом памяти 16 кбайт, которая и используется в составе комплекса. Однако не исключается возможность применения специализированных вычислительных устройств на базе микропроцессоров, работающих по жестко заданной программе. Последний вариант может оказаться целесообразным при эксплуатации комплекса в промышленных условиях, особенно с точки зрения минимальных стоимостных и массогабаритных показателей.

Основным недостатком измерительных устройств, работающих по стробоскопическому принципу, является наличие дополнительной погрешности, обусловленной колебаниями параметров переходного процесса от импульса к импульсу. Кроме того, с помощью этого устройства невозможно зарегистрировать переходный процесс, сопровождающийся разрушением прибора (например, шнурованием тока), что представляет значительный интерес.

Регистратор неповторяющихся (однократных) коммутационных процессов может быть выполнен по структуре, приведенной на рис. 6.15. В этом случае цифровая часть регистратора может быть выполнена по стандартным схемотехническим решениям на микросхемах серии . В настоящее время наибольшим быстродействием обладает параллельный -раз-рядный АЦП . На его базе можно построить конвейерный -разрядный АЦП, структура которого приведена на рис. 6.18. Принцип работы АЦП заключается в следующем. Мгновенное значение входного сигнала запоминается УВХ 1 по фронту импульса управления и поддерживается на выходе устройства в течение времени преобразования. Импульс синхронизации на АЦП 2 старших разрядов поступает по окончании апертурного времени УВХ (2—3 не). Через время преобразования, равное 10 не, на его выходе появляется -разрядный двоичный код. На выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП 3) формируется аналоговый эквивалент двоичного кода.

Рис. 6.18. Структурная схема конвейерного АЦП

Входной сигнал и сигнал с выхода ЦАП подаются на вход вычитающего устройства 4, имеющего коэффициент передачи 26. Усиленная в 26 раз разность поступает на АЦП младших разрядов 5, который с приходом следующего импульса синхронизации преобразует ее в -разрядный двоичный код. Следующий импульс синхронизации производит запись -разрядного слова в выходной регистр. Синхронизация регистратора 6 должна быть организована синхронизатором 7 таким образом, чтобы оба АЦП работали одновременно, причем в то время, когда первый АЦП преобразует текущее мгновенное значение входного сигнала, второй формирует на выходе цифровой код, соответствующий младшим разрядам предыдущего мгновенного значения входного сигнала. В этом случае время преобразования регистратора будет равно интервалу времени от начала импульса синхронизации УВХ до установления аналогового эквивалента двоичного кода на выходе ЦАП. Каждый узел схемы можно выполнить с временем задержки распространения сигнала 10—20 нс. Время преобразования регистратора в целом будет составлять 50 — 100 нс.

Дальнейшее расширение динамического диапазона и повышение точности работы регистратора возможны при применении в регистраторе по рис. 6.15 АЦП, структурная схема которого приведена на рис. 6.19. Этот АЦП при каждом измерении преобразует в цифровой код разность между мгновенным значением сигнала в требуемый момент и аналоговым эквивалентом цифрового кода, соответствующего мгновенному значению сигнала в предыдущий момент. Перед началом цикла измерений вспомогательный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 преобразовывает в цифровой код начальное значение входного сигнала. Этот код записывается в регистр 5. Цифро-аналоговый преобразователь 8, подключенный к выходу регистра, формирует аналоговый эквивалент цифрового кода и подает его на один из входов вычитающего устройства.

Рис. 6.19. Структура АЦП с расширенным динамическим диапазоном

На второй вход вычитающего устройства 1 подается входной сигнал. Мгновенное значение разности этих сигналов запоминается УВХ 2 и преобразовывается в цифровой код быстродействующим АЦП 3. Одновременно число из регистра 5 переписывается в регистр 6. Числа с выходов регистра и АЦП суммируются (с учетом знаков) в сумматоре 4, и сумма записывается в регистр 5. Синхронизацию всех процессов осуществляет устройство 9. На следующем цикле процесс повторяется.

Регистратор неповторяющихся коммутационных процессов обеспечивает измерение таких параметров тиристоров, как времена включения и выключения, мощность и энергия коммутационных потерь, максимальные скорости нарастания напряжения и анодного тока, заряд восстановления и т. д.