Способ измерения вольт-амперных характеристик двухполюсников

Способ измерения вольт-амперных характеристик двухполюсников

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к способам измерения электрических величин и может быть использовано для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных двухполюсников, например, полупроводниковых, электронных, газоразрядных приборов, электрических зондов в плазме. Целью изобретения является повышение точности измерения ВАХ. Сущность способа заключается в том, что, кроме определения величин напряжений и токов исследуемого двухполюсника при задании одной из этих величин в виде дискретного ряда значений и измерения другой величины для каждого значения заданной, при каждом измерении ВАХ исследуемого двухполюсника дополнительно измеряют ВАХ двух эталонных резисторов различного сопротивления. При этом измерении всех трех ВАХ проводят при одинаковых значениях задаваемой величины. Время измерения для всех трех ВАХ выбирают по формуле, приведенной в описании изобретения.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 01 К 15 12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ .СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

c(0 5,...,0, 1) (21) 4257996/24-21 (22) 05.06.87 (46) 30.08.90. Бюл. Ф 32 (71) Киевский государственный университет им. Т.Г.Шевченко

;(72) Н.С.Баранчук, Н.Ю.Вакуленко и А.П.Гулый (53} 644.317.799 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1109654, кл. С 01 R 17/02, 1981 ° .

Авторское свидетельство СССР

9 737841, кл. G 01 R 15/12, 1978. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЛЬТ-AMIIEPHbIX

ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХПОЛЮСНИКОВ (57) Изобретение относится к способам измерения электрических величин и может быть использовано для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных двухполюсников, наИзобретение относится к технике измерения электрических величин и может быть использовано для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных двухполюсников, например полупроводниковых, электронных, газоразрядных приборов, электрических зондов в плазме.

Цель изобретения — повышение точности измерения ВАХ.

Сущность способа заключается в том, что, кроме определения величин напряжений и токов исследуемого двухполюсника нри задании одной из этих величин в ниде дискретного ряда зна чений и измерения другой для каждого

ÄSUÄÄ 1589218 А1 пример, полупроводниковых, электронных, газоразрядных приборов, электрических зондов в плазме. Целью изобретения является повышение точности измерения ВАХ. Сущноств способа заключается в том, что, кроме определения величин напряжений и токов исследуемого двухполюсника при задании одной иэ этих величин в виде дискретного ряда значений и измерения другой величины для каждого значения заданной, при каждом измерении ВАХ исследуемого двухполюсника дополнительно измеряют ВАХ двух эталонных резисторов различного сопротивления. При этом измерения всех трех ВАХ проводят при одинаковых значениях задаваемой величины. Время измерения для всех трех ВАХ выбирают по формуле > приведенной в описании изобретения.

1 з.п. ф-лы. значения заданной, при каждом измерении ВАХ исследуемого двухполюсника дополнительно измеряют ВАХ двух эталонных резисторов различного сопротивления, при этом измерения всех трех

ВАХ проводят при одинаковых значениях задаваемой величины.

Время измерения t нсех трех ВАХ вывыбирают.из условия: где 4 Х вЂ” максимально допустимые

3 0 относительные погрешнос ти напряжения и тока, 1589218

8g(R, +r)

R!,(RiR!

Для уменьшения влияния нелинейнос1 ти Б измерителя тока до заданной остаточной относительной величины

Ф сопротивление второго резистора выбирают из условия: к, C R, < !!, (! + — ) . д (2)

Абсолютные погрешности напряжения

Ю„ и тока ЛI âû÷ècëÿþò по формулам:

ЭО

Г КЯ-К 1 !!

Ь .!

З5

I!! R, -I! gRg

R -R

7 1 где Т, Т - токи через первый и ! 7 второй резистор при задаваемой величине напряжения U

Для случая, когда измеряется напряжение, а задается ток, проводимость второго резистора С 7 выбирают из условия снижения влияния проводимости источника тока g до остаточной величины б по формуле

4 (G„+p)>

G,

50 где G, — проводимость первого резистора.

В этом случае для уменьшения влияния нелинейности измерителя напряжения Su до заданной остаточной максимально допустимой величины 1 проводимость второго резистора С выбирают из условия: относительные величины дрейфов параметров аппаратуры задания (измерения) тока и напряжения за единицу времени, 5

Для повышения точности в диапазоне токов и напряжений вплоть до их максимальных значений Б„„„и I +«, сопротивление первого резистора выбира». Равным U»„ lI N«

Для уменьшения влияния выходного сопротивления r источника напряжения до величины заданной остаточной от носительной погрешности Р„ сопротивление второго резистора Е 2 для случая, когда задается напряжение, а измеряется ток, выбирают из условия:

8у !го

Абсолютные погрешности вычисляют по формулам:

G„U q -GqUna h где U, U !, — напряжения на первом

И1 и втором резисторах при токе 1„.

Рассмотрим случай задания напряжения и измерения тока.

Пусть измерены ВАХ исследуемого двухполюсника и двух резисторов сопротивлением R, и К в К точках и для каждой ВАХ известны К значений задаваемого напряжения U,,..., U, и К значений измеренного тока I

I . Время измерения выбрано с учетом тепловой постоянной времени аппаратуры таким, что температурные и временные дрейфы ее параметров можно не учитывать. Задаваемые значения напряжения и измеренные значения

I 0TJIH!!af0TCR величин u „ и 7. на абсолютные погрешности dU n c3I „. Таким образом

uï = Ub + dU!,9

iü= I +ЛТ !! .ь

Для каждой точки ВАХ резисторов можно записать:

UÄ +aVÄ,=RÄ(I „+Лп,), где индексами 1 и 2 помечены величины, полученные соответственно для

ВАХ первого и второго резисторов. ! .Так как все три ВАХ измеряются при одинаковых напряжениях, то U >„=U !, =

U „. Погрешности с3П,„ и BUD отли1 чаются только из-за влияния внутреннего сопротивления г источника напряжения при переключении с первого резистора на второй в и-й точке ВАХ, Так как величина К „ выбрана равной

Б„, !„„с /T g1-, To R 7 должно быть 6QJIbIBe

К„, что обеспечивает нормальную работу измерителя тока во всем диапазоне напряжений.

Искомое приращение

r(R !)

1!!и Цо !! н, = " xx (R -T(R 1 где U >, U „ — напряжения соответст1 венно на первом и вто-.

5 158921 ром резисторе в и-й точке ВАХ, U — напряжение холостого хх хода источника напряжения в этой точке ВАХ.

Величина 40„/U „ .приблизительно

"хх равна относительному изменению напряжения при изменении сопротивления нагрузки от К . до К и обусловливает появление относительной погрешности ф», вызванной конечным выходным сопротивлением источника напряжения

Ъ

dl Rt К1

».

Я (а +г)

Rq c

+ R125

Для каждого типа аппаратуры мо30 жет быть найдено максимальное значение Я, равное

Э макс

) dI

S = max ) - 1 макс (Й 1

- 4IÄÄ +4I„

35 где ДХ„, 4I - аддитивные состав6, ляющие абсолютных погрешностей измерителя тока в и-й точке ВАХ пер- 40 вого и второго резисторов; дI „, дI „- мультипликативные

Ь1l51 11 m составляющие абсолютной погрешности 45 измерителя тока в и-й точке ВАХ первого и второго резисторов.

Погрешности dI1ц и DI „ выэ- д0 ваны смещением нуля измерителя тока вследствие неточной настройки, температурных и временных дрейфов параметров аппаратуры. Для каждого типа аппаратуры. теоретически или экспериментально можно определить время, за, которое временной и температурный дрейф ее параметров значительно меньше (например, в десять раз) допустиПриращение тока 4i вызванное иэиенением сопротивления от величины

R до R .„ при напряжении U равно

К1 л

R)R

Обозначив 4R = Rz — R „и учитывая, что U /R, приблизительно равно (с точностью до погрешности 41к ), 1 получают

Величина 44i/I „, равна относительной погрешности, вызванной нелинейностью измерителя. l ч °

Ll Un

П 11

Учитывая, что R, c R множно считать

Из этого выражения находим

Таким образом, если R отвечает приведенному выше условию, приравнивание 4U> к 40„ приводит к ос1 таточной относительной погрешности, меньшей чем d „ .

Погрешностй dI „ и 4?,„ можно

111 представить в виде

8 6 мой остаточной погрешности измерения тока. Если все три ВАХ измерены за время, меньшее или равное найденному, можно считать, что 4Т „ДТПЛ . По"le грешности Д In è 4I „возййкают

"1 1ъ 1 антк из-за отклонения масштаба измерителя тока от заданной величины, Отклонение масштаба измерителя тока может быть выражено относительной нелинейностью S

d I

: — †.М

d

) М где I — измеренная величина, входной. ток ;

М вЂ” заданный масштаб измерения тока.

Для измерителя тока, включающего оконечное устройство индикации, которое учитывает весовые коэффициенты преобразования (например, шаг квантования, соответствующий единице мпадшего разряда) должно соблюдаться условие М = 1. Тогда нелинейность

Далее по тексту нелинейность S оз3 начает максимальное значение этой величины (индекс макс опускается).

Приращение тока 4i на входе измерителя приводит к погрешности LI4i приращения измеренной величины 4I

L34i =4i -- 1 4I -di.

d I

d x

1589218

35

4Х R1It К 2Х 1

R -К

R1 Х 66., К Х

11 о

К ."я

Х „ ..р

I = I +М„.

"1 у.о1 111

Х +4Х

Обозначив «Р 44i/I,, получают

dR

3 3 R1+dR

Задаваясь величиной «1 и зная величину S>, можно определить допустимое значение К

Учитывая, что dR К -К„, из предыдущей формулы находят 10

R К, (1 + ).

Следовательно, если выполняется неравенство 15

R «

- 4Х,1 .

Такое допущение приводит к оста.точной относительной погрешности измерения тока, не превышающей величину Ф ..

При выполнении указанных требований к времени измерения и величинам о сопротивлений К „, R уравнения для

ВАХ резисторов принимают вид

Ц„+ 4u „R,(I „,+4I„);

Иэ этих уравнений находят

Таким образом, для каждого значения задаваемого напряжения может быть 4О найдена абсолютная погрешность установки этого напряжения 4U>. Поскольку значения I„и I „пере"1 311. крывают всю шкалу измеряемых токов можно считать, что для 2К точек 45 этой шкалы найдены абсолютные погрешности измерения тока.

Соотношения для случая задания тока и измерения напряжения получены аналогично с учетом инвариантности законов электротехники относительно одновременной замены напряжений токами и сопротивлений:проводимостями.

Приведенныи анализ показывает, что

) Р Р при применении предлагаемого способа могут быть найдены, а следовательно, учтены, погрешности задания одной величины и измерения другой во многих, точках диапазона изменения этих величин, что приводит к повышению точности измерения ВАХ без повышения точности аппаратуры, Измерение ВАХ по способу производят в следующем порядке. По максимальной величине задаваемого напряжения Б„я«,„«, измеряемого тока I известному выходному сопротивлению

r источника напряжения, максимальному значению относительной нелинейности Я измерителя тока и задаваемым отстаточным относительным погрешностям Ф, «f напряжения и тока определяют сопротивления эталонных резисторов К0 u R1 i«li н«Е МаКС >

R (К 6R (1 + ) °

1 М S — д

3 я, ся,оя, + ---я"- -".- *.

За время, исключающее влияние тепловых и временных дрейфов параметров аппаратуры, в любой последовательности измеряют BAX исследуемого двухполюсника и эталонных резисторов при одинаковых значениях напряжений.

Вычисляют абсолютные погрешности установки напряжения и измерения тока при измерении ВАХ резисторов по формулам

Корректируют значения токов резисторов

Для каждого тока исследуемого двухполюсника Х находят ток из наборов I „,,I „ иэ условия миниму11 ма величины (I> -I > <(, где K = 1

11 К для токов резистора К„, К = 2 для токов резистора R, в общем случае j 4 и.

Корректируют значения токов ис" следуемого двухполюсника,Ру(К,+r)2

Г

R = R (1 + ), д

2 1 3

35

RtRó

9 158 где 4I „ — абсолютная погрешность измерения токов 1, I „

Корректируют значения напряжений на исследуемом двухполюснике

„1П (ll y +Ifl кар

1 Кор > 11 . 2 кОр где I — корректированное знап чение тока двухполюсника при напряжении U >.

По вычисленным значениям составляют таблицу для ВАХ исследуемого двухполюсника, Для случая, когда задается ток, а измеряется напряжение, измерения производятся аналогично. Резисторы выбирают по формулам (4) и (5), абсолютные погрешности находят по формуле (б). С целью уменьшения влияния проводимости g источника тока до величины заданной остаточной относительной погрешности 1 при измерении . напряжения и задании тока, проводимость второго резистора G® выбирают из условия

УЗ(С, +а)2

С, И

Кроме того, с целью уменьшения влияния нелинейности S „ измерителя напряжения до заданной остаточной относительной величины о при условиях, оговоренных выше, проводимость С второго резистора выбирают из условия

С, < С, (С „(1 + --- -) . V

U U

Абсолютные погрешности тока и напряжения для случая, оговоренного выше, вычисляют по формулам

G1Unt С П 11

2.

dI = — (U -U )-I

G1 С2

tlt Ylg О

t где U, U — напряжения на первом

011 . И и втором резисторе при токе I

Формула изобретения

1. Способ измерения вольт-ампер-. ных характеристик двухполюсников, заключающийся в том, что задают ряд фиксированных значений напряжения на исследуемом двухполюснике, измеряют величины тока через исследуемый двух9218 1О полюсник, по измеренным значениям строят вольт-амперную характеристику исследуемого двухполюсника, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью

5 повышения точности измерении, при каждом измерении вольт-амперных характеристик исследуемого двухполюсника дополнительно измеряют вольт-амперные характеристики каждого из двух эталонных резисторов, измерения вольтамперных характеристик проводят при тех же заданных фиксированных значениях напряжения, по результатам измерения вольт-амперных характеристик

15 эталонных резисторов определяют абсолютные погрешности к результатам измерения вольт-амперных характерис- тик исследуемого двухполюсника, со20 противление первого эталонного резистора выбирают равным отношению мак.симального задаваемого напряжения к максимальному току через исследуемый двухполюсник, а сопротивление второго

25 эталонного резистора выбирают равным меньшему из значений, расчитанных по формулам где. R, R — сопротивление первого и второго эталонных резис. торов

r — эквивалентное внутреннее сопротивление источника заданных фиксированных значений напряжения, и Ф вЂ” заданные допустимые оста() 3 точные относительные погрешности по напряжению и току соответственно, S — максимальная относитель3 ная нелинейность изме45 рителя тока.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что абсолютные погрешности AU „ и dI „ вычисляют по

50 формулам где U „ — заданное значение напряжения из ряда фиксированных значений;

1589218

Составитель Л.Сотникова

Редактор Л.Пчолинская Техред И.Дидык Корректор T яалец

Заказ 2539 Тираж 547 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101

?„,I „ - измеренные, значения токов соответственно через перВый и второй эталонный ре зисторы при заданном значении напряжения U