Автоматизированное измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения операционного усилителя

Паршуков М.Ю., Светлов А.В., Ханин И.В. , Байдаров С.Ю. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ НАРАСТАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

При входном контроле операционных усилителей (ОУ) необходимо выполнить измерения более десятка параметров с использованием различных схем измерения, что требует больших аппаратных и временных затрат.

С целью повышения производительности труда на входном контроле ОУ, необходимо автоматизировать процедуры измерения параметров ОУ.

К числу основных параметров ОУ, определяющих его динамические свойства, относится максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ. Метод измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ установлен ГОСТ 23089.10-83 и основан на определении отношения разности напряжений между уровнями 0,1 и 0,9 выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания ( £ ).

Измерение проводят на фронте выходного импульса ОУ при подаче на его вход прямоугольного импульса.

Стоит отметить, что метод, предлагаемый государственным стандартом, не нормирует измерения скорости спада выходного напряжения ОУ. Однако реальные ОУ зачастую имеют различную скорость нарастания и спада выходного напряжения. Таким образом, практическая реализация должна быть дополнена, чтобы более адекватно отразить динамику работы ОУ.

Предлагается техническое решение автоматизированного измерения максимальной скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ. Оно основано на способе автоматизированного измерение, предложенного в [2].

При разработке данного решения авторы с одной стороны придерживались требований метода, оговоренного ГОСТ, а с другой учитывали возможность реализации предлагаемого способа в рамках создания многофункционального аппаратно-программного измерительного комплекса для измерения всех основных параметров ОУ. Задача сводится к определению длительности интервала времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется в установленных стандартом пределах.

Осциллограммы входного воздействия и сигнала с выхода ОУ приведены на рисунке 1, где {/ -

входное тестовое воздействие на операционный усилитель, ^Вых - сигнал отклика с выхода операционного усилителя, £ - время задержки, вызванное суммарной задержкой прохождения

сигнала через каскады ОУ, £ и £спад - время нарастания и спада соответственно.

Рисунок 1. Осциллограммы напряжений на входе и выходе операционного усилителя.

В соответствии с [1], измерение £ и £спад проводят при подаче на вход ОУ как положительного,

так и отрицательного прямоугольного импульса при инвертирующем или неинвертирующем включении ОУ. ОУ включается в схему с отрицательной обратной связью и коэффициентом усиления по напряжению в пределах 1 - 10.

Сигнал входного воздействия, должен удовлетворять следующим параметрам:

- длительность фронта импульса ( т ) должна удовлетворять условию

Г! <;

1 3

- длительность импульсов (Г2) должна удовлетворять условию Г2 ^ 5 • £нар ;

- частота следования импульсов (/ ) должна удовлетворять условию

f *

2 • т2

Амплитуда импульсов входного напряжения должна обеспечивать получение на выходе ОУ заданных выходных напряжений обеих полярностей, не выводя ОУ из линейного режима работы.

Диапазон, в котором находятся скорости нарастания выходного напряжения ОУ широкого применения, находится в пределах от 5 до 50 В/мкс. С учетом перечисленных требований выбираются параметры входного сигнала ОУ: размах 5В, длительность переднего и заднего фронта импульса Т —30 нс,

длительность импульса Т2 ^ 500 нс. Частота следования импульсов f < 1 МГц для нижней границы скорости нарастания. Для измерения максимальной скорости нарастания выберем неинвертирующую схему включения исследуемого ОУ, т.к. она обладает большим входным сопротивлением.

Структурная схема измерителя представлена на рисунке 2, функциональная схема - на рисунке 3.

Для генерации сигнала и для обработки полученных данных применена многофункциональная плата ввода вывода National Instruments PCI-6251. Микроконтроллер платы NI PCI-6251, установленной в персональном компьютере (ПК), формирует сигнал управления ключом DA4. Для этого задействован цифровой выход платы, обладающий максимальной частотой 10 МГц.

Рисунок 3. Функциональная схема измерителя.

Транзисторный ключ с малым временем переключения производит коммутацию опорных напряжений положительной и отрицательной полярности.

Источник опорного напряжения (ИОН) ВА1 построен на специализированной микросхеме стабилизации напряжения ТЬ4 31, обладающей высокой тепловой и нагрузочной стабильностью. С его помощью формируется опорное напряжение +^оп, проходящее через повторитель ВА2. Инвертор напряжения (ИНВ) ВАЗ формирует напряжение _^оп , равное по модулю и противоположное по знаку +^оп • В

результате этого, на вход исследуемого операционного усилителя поступают прямоугольные импульсы напряжения положительной и отрицательной полярности.

Сигнал с выхода ОУ необходимо привести в диапазон входных напряжений компараторов напряжения. Для этих целей достаточно использовать резистивный делитель напряжения (ДН) К8, К9. Скорость нарастания и спада напряжения изменяется пропорционально коэффициенту делителя, т.е. масштабируется.

Два компаратора напряжения ВА1, ВА8 необходимы для того, чтобы выделить моменты времени, когда уровень входного напряжения компаратора составляет 0,1 ита^ и 0,9 итак ОУ. Уровни, с которыми

осуществляется сравнение, задаются делителем напряжения, подключенным к источнику опорного напряжения, полярность которого можно изменять, подавая на управляющий вход переключателя ВА5 сигнал управления с платы N1 РС1-6251. Благодаря этому появляется возможность проводить измерение максимальной скорости нарастания и спада на прямоугольном импульсе положительной и отрицательной полярности•

Логический элемент (ЛЭ), ВВ1 выделяет те интервалы времени, на которых выходные напряжения компараторов не совпадают. Выходной сигнал логического элемента представляет собой последовательность импульсов, длительность которых равна времени нарастания и спада выходного напряжения ОУ. Временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы логического элемента схемы приведены

на рисунке 4.

Измеритель интервалов времени (ИИВ), функциональная схема которого представлена на рисунке 5, производит измерение временных интервалов и преобразует значение времени в код. Данный код поступает на цифровой вход платы ввода-вывода N1 РС1-6251, а с цифрового выхода платы подается сигнал синхронизации передачи кода.

С Выхода /13 >-------------

ГЕН

СТ

СЕ U

С

R

ОД

ОД

RG

D U

L

С Р

Рисунок 5. Функциональная схема измерителя интервалов времени.

Счетчик на DD1 измеряет интервал времени, заполняя импульсами тактовой частоты 50 - 100 МГц (в зависимости от необходимой точности измерения). С его выхода параллельный бинарный код поступает на регистр сдвига DD2. Считывание значений, записанных в регистр сдвига, происходит при подаче разрешающего сигнала с одновибратора DD6. Таким образом, на плату NI PCI-6251 поступают значения в бинарном параллельном коде. После записи в регистр сдвига происходит обнуление счетчика DD1 при срабатывании одновибратора DD7.

Реализация ИИВ планируется с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), либо микроконтроллера с тактовой частотой свыше 100 МГц. Это позволит уменьшить временные задержки, возникающие при обработке сигналов.

В программе для управления ходом измерений производится оценка максимальной скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ. Для оценки этих параметров ОУ имеются измеренные интервалы времени, в которые происходит нарастание или спад выходного напряжения на заранее известное значение напряжения. Программа написана в среде графического программирования LabVIEW.

Представленная схема измерения максимальной скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ может использоваться как составная часть аппаратно-программного комплекса для измерения параметров ОУ. Она позволяет при несложной и недорогой аппаратной реализации сформировать импульсный сигнал с минимальной для данной элементной базы длительностью фронтов и измерить с заданной точностью максимальную скорость нарастания и спада выходного напряжения ОУ. Помимо этого имеется возможность проведения измерения, как на положительном, так и на отрицательном прямоугольном импульсе напряжения. Следовательно, можно оценить скорость нарастания и спада выходного напряжения положительного и отрицательного плеча операционного усилителя.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 23089.10-83 Микросхемы интегральные. Метод измерения максимальной скорости и времени нарастания выходного напряжения операционных усилителей.

2. Заонегин А.А., Светлов А.В., Трундов А.В. Способ автоматизированного измерения

максимальной скорости нарастания выходного напряжения операционного усилителя // Надежность и качество. Труды международ. симпоз. В 2-х томах. Том 1. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та,

2007. - С. 332 - 334.