РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.385.7.019
Диагностический программно-аппаратный комплекс для шумового зондирования термокатодов на основе системы сбора данных
NATIONAL INSTRUMENTS
М. Д. ВОРОБЬЕВ, Е. М. ШИТОВ
Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия,
e-mail: vorobyevMD@mpei.ru
Разработано оборудование, основанное на измерении шумов, создаваемых катодами в электровакуумных приборах, и предназначенное для диагностики термоэлектронных катодов в условиях массового производства. Решены проблемы автоматизации и помехозащищенности для сокращения времени диагностики. Создано программное обеспечение для управления режимами измерений, исследования шумовых характеристик и нахождения информативных шумовых параметров.
Ключевые слова: шумовые характеристики, диагностика, информативные параметры, термоэлектронные катоды.
The equipment for diagnosties of thermionic emitting cathodes at mass production and based on measurement of noise generated by cathodes in electronic devices has been developed. The problems of automation and noise immunity during measurements for restriction of diagnostics time are considered and solved. A software allowing to control the measurement modes and to carry out the noise characteristics studies and to find the noise informative parameters has been created.
Key words: noise characteristics, diagnostics, informative parameters, thermionic emitting cathodes.
Широкий круг задач, решаемых в ряде современных радиоэлектронных устройств с помощью мощных электровакуумных сверхвысокочастотных приборов (например, в телекоммуникационных, навигационных системах), вызывает необходимость повышения надежности этих приборов как в целом, так и отдельных их частей. Одним из наиболее ответственных узлов, часто подверженных деградации, приводящей к параметрическим и катастрофическим отказам, является катодно-подогревательный. В нем в качестве эмиттера, обеспечивающего получение электронного потока с высокой плотностью, чаще других применяют термоэлектронные металлопористые катоды (МПК) различных модификаций и конструкций. Для повышения надежности требуется своевременная диагностика, позволяющая еще на этапе сборки в максимальной степени исключить использование некачественных катодов.
Диагностика термоэлектронных катодов, в частности ме-таллопористых, как правило, проводится по результатам импульсного токового зондирования, по которым судят об эмиссионных свойствах при оперативном контроле. В то же время известно, что эмитирующая поверхность МПК неоднородна и состоит из сильноэмитирующих участков, окруженных слабоэмитирующими, причем вторые занимают значительно большую площадь, чем первые, и могут свидетельствовать о технологических недостатках [1]. Традиционные методы контроля, ориентированные в основном на токовые характеристики, позволяют определить параметры сильно-эмитирующих участков, в то время как слабоэмитирующие, по существу являющиеся дефектами, находятся за пределами контроля.
В связи с этим при разработке методов диагностики МПК привлекали внимание те, что обладали достаточной чувствительностью для обнаружения дефектов, но не были сконцентрированы на бездефектных участках. Подобные методы существуют в полупроводниковой электронике и основаны на измерениях шумовых характеристик, возникающих из-за дефектов.
В [2, 3] представлены результаты разработки шумовой модели неоднородного по эмиссии термокатода и методика нахождения шумовых параметров по зависимостям уровня дробового шума от анодных тока и напряжения в плоском диоде, соответственно ампер-шумовым (АШХ) и вольт-шумовым (ВШХ) характеристикам. Диагностика по этим характеристикам возможна, так как они в значительной мере определяются слабоэмитирующими участками катодов. Одно из основных условий при создании оборудования для оперативной диагностики в условиях массового производства — высокая производительность, которую можно обеспечить лишь на основе автоматизации процесса диагностики и использования компьютерных технологий при определении шумовых параметров.
В данной работе приведено описание автоматизированного программно-аппаратного комплекса и способов решения наиболее важных задач, связанных с его эксплуатацией.
Метод измерения шумов. Объекты для измерений — плоские электровакуумные диоды с диагностируемыми МПК. Частотный диапазон, в котором можно проводить измерения, должен удовлетворять условиям, когда в шумах преобладает дробовая составляющая [2]. Учитывая, что фликкер-ная составляющая шума сильнее зависит от анодного тока I,
частотный диапазон для измерений дробовой составляющей должен определяться диапазоном значений I. В то же время токи следует выбирать так, чтобы существовала возможность оценить влияние слабоэмиттирующих участков в соответствии с моделью [3], т. е. экспериментальный диод должен работать в режиме глубокого пространственного заряда. В целом для определения условий измерений для каждого типа МПК необходимо провести предварительные исследования. Как показано в [3], для измерений дробовой составляющей шума приемлема частота f = 1 МГц.
Выбор метода измерений шума обусловлен такими факторами, как простота, помехоустойчивость и возможность автоматизации. На частотах около 1 МГц чаще других используют два метода — прямое измерение с предварительной калибровкой и сравнение с шумом эталонного источника [4]. С точки зрения указанных выше факторов, предпочтительнее первый метод, хотя он требует периодического повторения калибровки.
Модуль для измерения дробовых шумов построен по традиционной схеме (рис. 1) и содержит усилитель с резонансной амплитудно-частотной характеристикой, детектор шумового напряжения, вольтметр для измерений продетек-тированного напряжения, источники постоянного напряжения питания экспериментального диода, а также вольтметры для контроля напряжения и и силы тока I диода. В схеме использованы электролитические и керамические конденсаторы для снижения влияния внешних помех в различных диапазонах частот.
Усилитель состоит из трех каскадов: первый (входной) собран на малошумящем операционном усилителе LT1028, остальные — на AD286. Резонансный ^-контур включен на выходе третьего каскада и настроен на частоту 1 МГц, эффективная шумовая полоса составляет 90 кГц, коэффициент усиления может регулироваться в пределах 8-103—7,2-104. Для уменьшения наводок и помех питание всех каскадов усилителей осуществляется от интегральных стабилизаторов с фильтрующими цепями. Детектор построен на аналоговой микросхеме AD8361. Сопротивление в цепи нагрузки Rн определяет уровень шумового сигнала на выходе и подбирается опытным путем в зависимости от дифференциального сопротивления Rд экспериментального диода. Установлено, что собственный шум усилителя остается неизменным при Rн < 400 Ом и Rд = 0,5...50 кОм.
Шум, создаваемый катодом в экспериментальном диоде, измеряют в единицах спектральной плотности (А2/Гц) флуктуаций тока S¡(f) по показаниям вольтметра, подклю-
ченного к выходу детектора, а также с учетом собственного шума усилителя и входных цепей. Предварительно проводится калибровка усилителя с помощью источника шума, позволяющая связать показания вольтметра со спектральной плотностью флуктуаций напряжения на входе усилителя Su(f). Для определения S|■(f) необходимо знать Яд, Ян:
^ = Su(f)[RдRн/(Rд + Rн)]
-2
(1)
Рис. 1. Схема модуля для измерений дробового шума: В1—В3 — вольтметры; У — усилитель; Д — детектор
Помимо спектральной плотности SДf), которая для дробового шума не зависит от частоты, при измерениях часто используют ток эквивалентного шумового диода 1ш:
SДf) = 2е1ш,
где е — заряд электрона.
В режимах, когда дробовый шум демпфируется пространственным зарядом, 1ш < I. Погрешность измерения шума составляет 8 >10 % при 1ш < 10 мкА и 8 < 5 % при 1ш > 50 мкА.
Как следует из (1), при определении создаваемых катодом шумов необходимо одновременно измерять Rд, которое зависит от анодного тока I. Наиболее корректно находить Rд на частоте измерения шума f = 1 МГц, однако совмещение измерений шума и Rд невозможно, так как последнее сопряжено с необходимостью подключения к диоду источника малого гармонического сигнала. В целях дальнейшей автоматизации измерений 1ш значение Rд получали по вольт-амперной характеристике (ВАХ) экспериментального диода: Rд=AU/AI, где Аи, АI — интервалы изменения постоянных токов и напряжений на диоде при изменении !в процессе снятия АШХ, ВШХ и ВАХ. Поскольку определяемое таким образом Rд может отличаться от результатов измерений на частоте 1 МГц, то были исследованы и проведены сравнения зависимостей Rд(I), полученных как по статической ВАХ, так и с помощью генератора гармонического напряжения на частотах 50 Гц — 1,5 МГц. Показано, что найденные различными способами значения Rд в указанном диапазоне частот практически совпадают с результатами определения по ВАХ для диодов с межэлектродными расстояниями 0,2—0,6 мм при токах I = 0,5—10 мА.
Автоматизация процесса измерения шумовых характеристик. Процесс измерений с помощью разработанного модуля в ручном режиме занимает относительно много времени. Наряду с шумовой характеристикой приходится снимать ВАХ и в каждой ее точке определять Rд. В результате предварительных исследований образцов было установлено, что для перехода к автоматическому режиму им необходимо обеспечить:
автоматическое изменение анодного напряжения в диапазоне 0—30 В при токе до 10 мА;
измерение напряжения на выходе детектора в пределах 0—2 В;
математическую обработку данных, их графическое отображение и формирование текстового файла с результатами измерений для дальнейшей обработки.
Требованиям по диапазонам измеряемых и формируемых напряжений соответствует оборудование, содержащее цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для управления анодным напряжением иа, и аналогово-циф-
ровой преобразователь (АЦП) для одновременного измерения напряжений на датчике анодного тока Un„, на выходе детектора идет и анодного да' де'
напряжения иа. Принципиальное значение имеет гальваническая развязка ЦАП и АЦП; при ее отсутствии невозможно одновременно обес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.