Часть 7.

НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЙ

Глава 14.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИИ

1. ОСНОВНЫЕ ПУТИ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ

Современное развитие науки и техники характеризуется широ­ким применением радиоэлектроники и все более возрастающей ролью электрорадиоизмерений. Технико-экономическая эффектив­ность средств электрорадиоизмерений оказывает существенное влияние на производительность труда во многих отраслях народ­ного хозяйства. Поэтому опережающее по техническому уровню и темпам развитие средств электрорадиоизмерений является необ­ходимым условием научно-технического прогресса.

Техническая эффективность средств измерения определяется его метрологическими характеристиками, в первую очередь, досто­верным обеспечением заданной погрешности измерения.

Экономическая эффективность определяется затратами на од­но измерение и зависит от времени измерения, стоимости средства измерения, срока его службы, квалификации оператора, стоимо­сти ремонта и поверки.

Поскольку физиологические возможности человека, проводяще­го измерения, ограничены, то основным путем повышения эффек­тивности средств электрорадиоизмерений является автоматизация, т. е. снижение роли оператора в процессе измерения вплоть до ее исключения и выполнение его функций устройствами, вводимыми в средство измерения.

Автоматизация средств электрорадиоизмерений идет в напра­влениях совершенствования специализированных измерительных приборов и создания многофункциональных измерительных при­боров и систем.

Следует отметить, что доля приборов, измеряющих одиночные величины, в общем количестве средств электрорадиоизмерений по­степенно снижается.

В средствах электрорадиоизмерений могут быть автоматизиро­ваны следующие процессы:

1. Выбор режимов и пределов измерения.

2. Настройка, калибровка и коррекция погрешностей.

3. Выполнение функциональных преобразований и вычислитель­ных операций для получения прямого показания измеряемой ве­личины.

4. Диагностика работоспособности.

5. Управление функционированием.

Кроме того, в измерительных системах осуществляется автома­тический сбор измерительной информации от различных источ­ников.

Измерительные системы являются одним из видов информаци­онно-измерительных систем (ИИС), которые представляют собой совокупность технических средств, выполняющих общую задачу автоматического сбора информации об объекте, преобразования ее, измерения, обработки и представления по единому алгоритму. Другими разновидностями ИИС являются автоматические систе­мы контроля и системы технической диагностики.

Измерительные системы применяются для исследования объ­ектов, априорной информации о которых недостаточно для алго­ритмического описания их поведения. Поэтому измерительные си­стемы должны обеспечивать получение максимального количест­ва достоверной измерительной информации об объекте.

Для измерительных систем характерны высокие метрологиче­ские характеристики, широкая разновидность и большое число из­меряемых величин, развитость средств представления информа­ции. Обратная связь с объектом в измерительных системах либо отсутствует, либо носит вспомогательный характер, когда исполь­зуется не для управления объектом, а с целью изучения его реак­ции на вносимое возмущение.

Автоматические системы контроля и технической диагностики предназначены для работы с объектами, характер поведения ко­торых практически полностью известен и определены возможные его состояния.

Объем измерительной информации об объекте в процессе конт­роля должен быть минимальным, но достаточным, чтобы судить о том, находится ли состояние объекта в заданных пределах, с принятием решения или выдачей управляющих воздействий на объект. Автоматические системы контроля менее универсальны, чем измерительные системы, но отличаются повышенной надеж­ностью.

В системах технической диагностики измерительная информа­ция является основной для логической процедуры диагноза, ког­да состояние обследуемого объекта относят к тому или иному классу состояний, что позволяет судить о работоспособности, опо­знать и локализовать неисправности. Эти системы имеют развитые средства обработки и анализа информации.

Наиболее совершенными средствами исследования сложных объектов являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), представляющие собой совокупность программно-управ­ляемых Измерительных, вычислительных и вспомогательных средств. ИВК осуществляют восприятие, преобразование и обра­ботку большого объема измерительной информации в реальном масштабе времени, представление результатов измерений в задан­ном виде (в том числе в виде таблиц, графиков и т. п.), хранение информации, управление функционированием всех технических средств комплекса, выработку управляющих воздействий на ис­следуемый объект, контроль работоспособности комплекса, в том числе его метрологических характеристик.

Путем программной перестройки ИВК может изменять свою структуру. Такие широкие функциональные возможности ИВК объясняются во многом наличием в его составе свободно прог­раммируемой ЭВМ.

Автоматизация современных средств электрорадиоизмерений стала возможной благодаря появлению различных функциональ­ных преобразователей, вычислительных устройств и других ком­понентов электрорадиоаппаратуры, изготовленных по интеграль­ной технологии или в микроминиатюрном исполнении. Использо­вание этой элементной базы позволяет создать приборы и систе­мы с высокими метрологическими и эксплуатационными характе­ристиками, такими как надежность, потребление энергии, габари- тым, масса и стоимость. Особенно большие возможности по улуч­шению характеристик средств электрорадиоизмерений при упро­щении их аппаратурной реализации дает применение микропро­цессоров и микро-ЭВМ.

Микропроцессор представляет собой цифровое устройство в виде одной или нескольких больших интегральных схем (БИС), способное выполнять разнообразные операции по обработке дан­ных в соответствии с хранимой в памяти программой. Микропро­цессор (МП) вместе с запоминающими устройствами — посто­янным (ПЗУ) и оперативным (ОЗУ) — и другими интегральными схемами, обеспечивающими его работу и сопряжение с внешними устройствами, составляет микропроцессорный комплект, на осно­ве которого можно построить микропроцессорное вычислительное устройство типа микро-ЭВМ. Встроенные микропроцессоры ис­пользуются в основном в качестве управляющих устройств (конт­роллеров) цифровых измерительных приборов, а микро-ЭВМ — для выполнения функций управления и обработки в многофункци­ональных измерительных приборах и системах.

Обобщенная схема цифрового измерительного прибора со встроенной микро-ЭВМ изображена на рис. 14.1. Измерительная часть прибора состоит из аналого-цифрового преобразователя АЦП, цифро-аналогового преобразователя ЦАП, усилителя, муль­типлексора и образцовой меры. Микропроцессор МП, постоянное запоминающее устройство ПЗУ, оперативное запоминающее уст­ройство ОЗУ, интерфейс, клавиатура и дисплей представляют со­бой специализированную микро-ЭВМ. Прибор работает следую­щим образом. Клавиатура содержит поле задания режима, поле цифровых данных и шифраторы. Клавиатурой поля режима зада­ют режим измерения и измеряемую величину. Клавиатурой поля цифровых данных устанавливают диапазон измерения. Сигналы

с клавиатуры преобразуются с помощью шифратора в код и по­ступают на шину данных. МП по подпрограмме установки режима сравнивает данные клавиатуры с константами из ПЗУ и выра­батывает управляющие коды на ЦАП для установки предела из­мерений путем изменения коэффициента передачи усилителя и на мультиплексор для подключения выбранного входного канала. Од­новременно информация с клавиатуры выводится на дисплей. Ре­жим измерений начинается по команде «Пуск» с клавиатуры при местном управлении, или с интерфейсной шины при дистанцион­ном управлении. Значение измеряемого входного сигнала преобра­зуется в АЦП в код, который поступает в МП для обработки по программе. В режиме самокалибровки МП передает по шине дан­ных на мультиплексор код для подключения к АЦП образцовой меры. Код с АЦП, соответствующий образцовой мере, поступает в МП и сравнивается с константой из ПЗУ. Вычисляется поправ­ка, которая учитывается в расчетах до следующего цикла калиб­ровки.

2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Автоматический выбор пределов измерения. Выбор пределов существенно сказывается на результатах измерения. Правильный выбор пределов позволяет обеспечить минимальную погрешность и исключить возможность потери информации. В автоматических ИП выбор пределов измерений должен осуществляться также автоматически. Обычно автоматический выбор пределов осущест­

вляется в автоматических цифровых измерительных приборах. В ЦИП заданная малая погрешность измерения данного значения измеряемой величины обеспечивается только после предваритель­ной установки параметра, определяющего предел измерения. На­пример, в цифровом измерителе временных интервалов период сле­дования импульсов т, заполняющих временной интервал Т, дол­жен быть таким, чтобы число этих импульсов т = Т/х удовлетво­ряло неравенству т₂^пг^т_ь где зависит от емкости применя­емого счетчика импульсов, а т₂ — определяется допустимой по­грешностью за счет дискретности. Аналогичные требования к чи­слу импульсов предъявляются в цифровом частотомере. В циф­ровом вольтметре амплитудного преобразования при заданной по­грешности измерения и достаточно простой схеме и конструкции напряжение на входе сравнивающего устройства изменяется толь­ко немногим более, чем в 10 раз.

Таким образом, широкий диапазон измеряемых величин дол­жен осуществляться с помощью специальных устройств, поддер­живающих допустимые пределы изменения измеряемой величины ка выходе.

Рассмотрим принцип действия устройства для автоматическо­го выбора пределов измерения цифрового вольтметра. Получили распространение два способа построения устройств выбора под­диапазона измерения: 1) путем сравнения уровня входного сиг­нала с опорными напряжениями, соответствующими поддиапазо­нам измерения и 2) путем учета степени загрузки отсчетного уст­ройства.

Остановимся сначала на первом способе. Рассмотрим принцип действия устройства для получения в цифровом вольтметре четы­рех поддиапазонов измерения. Структурная схема показана на рис. 14.2. При подаче на вход напряжения U оно сравнивается од-

новременно с опорными напряжениями Uoi<U₀₂<U₀₃ с помощью сравнивающих устройств, которые управляют переключающими устройствами. Если U<lU₀u не срабатывает ни один из переключа­телей. При этом коэффициент усиления масштабного УПТ, регу­лируемого за счет переключения резисторов в цепи обратной свя­зи, будет максимален. Если \J>U01, срабатывает первое, а при U>Uai и U>Uo3 срабатывают второе и третье переключающие устройства, благодаря чему уменьшается коэффициент усиления масштабного УПТ. Пределы изменения напряжения на выходе ос­таются такими же, как и в первом поддиапазоне. При уменьше­нии U коэффициент усиления УПТ дискретно возрастает. Таким образом, обеспечиваются широкие пределы измеряемых напряже­ний, в то время как пределы изменения напряжения, поступающе­го на АЦП, значительно уже. Максимальное напряжение на вы­ходе устройства выбора пределов U_Buxmax оказывается тем же на всех поддиапазонах. К сравнивающим устройствам и УПТ предъ­являются высокие требования по входному сопротивлению. Вре­мя выбора предела измерения складывается из времени срабаты­вания устройства сравнения, времени переключения резисторов и времени переходного процесса в УПТ. Вследствие конечного вре­мени выбора пределов на входе АЦП необходим элемент защиты. Разброс уровней опорных напряжений на 5... 7% допустим, если снизить их на 10... 12% или обеспечить работу последующего тракта вольтметра не при Uвых max, а при 1,1 U_Buxmax. Для исклю­чения нестабильности переключения пределов измерения при вход­ном напряжении, близком к опорному, применяются относительно грубые устройства сравнения со значительным гистерезисом.

Рассмотренный способ, отличающийся простотой, неприемлем, когда во входном сигнале имеется значительная составляющая пе­ременного напряжения. В интегрирующих приборах переменное напряжение подавляется в процессе усреднения, и правильный вы­бор предела должен быть сделан лишь по уровню полезного си­гнала, как это осуществляется в устройствах автоматического вы­бора пределов измерения, построенных по второму способу. В ин­тегрирующих АЦП, рассмотренных в § 4.4, образование интерва­ла, пропорционального измеряемому напряжению, осуществляет­ся на втором такте интегрирования между моментами Тi и Т₂ (рис. 4.17,6). Весь этот промежуток может быть равномерно раз­бит на множество уровней с нулем посредине и пределами, соот­ветствующими ±U_mах. Уровням U₂, U1 и —U1, —U₂ соответству­ет появление «сторожевых импульсов». При правильно выбранных пределах срабатывание нуль-органа происходит в интервалах U2—U\ или при отрицательной полярности: (—Uj) — (—U₂). В мо­мент Т1 начинается отсчет измеряемой величины. По достижении выходным напряжением интегратора нуля отсчет заканчивается и на цифровом табло фиксируется число, отвечающее моменту срабатывания нуль-органа. Если пределы измерения выбраны правильно, то двухразрядный двоичный счетчик, на который посту­пают сторожевые импульсы, покажет 1 или 3 (01 или 11). Если на счетчик не попадет ни один импульс или 4 импульса (0 или 00), то это будет означать, что прибор перегружен и требуется перейти на соседний высший предел измерений. Если же счетчик показы­вает число 2(10), то это означает, что шкала не заполнена и сле­дует перейти на более низкий предел. Показание счетчика «сторо­жевых» импульсов используют для выработки кода, управляющего автоматическим переключением пределов.

Рассмотрим теперь принцип действия устройства, служащего для автоматического выбора времени измерения в электронно­счетном частотомере, выполняющем счет числа периодов исследу­емого напряжения с неизвестной заранее частотой за эталонный интервал времени. Для достижения минимальной погрешности за счет дискретности 6=1 /т необходимо выбрать число импульсов т предельно большим m^mi и исключить переполнение счетчика, приводящее к потере информации. Отсюда критерием правильного выбора времени измерения служит заполнение всех разрядов счет­чика. Принцип автоматического выбора времени измерения состо­ит в следующем. С помощью кварцевого генератора и делителей частоты в частотомере формируется п начинающихся одновремен­но и определяющих время измерения импульсов, длительности ко­торых соотносятся как 1 : 10: 10²:: 10^п. Счет начинается с на­чалом этих импульсов и может быть прекращен в момент окон­чания любого из них. В процессе счета одновременно с записью единицы в старший десятичный разряд счетчика вырабатывается управляющий импульс, подготавливающий прекращение счета в ближайший во времени момент окончания одного из определяю­щих время измерения импульсов. При этом число импульсов счет­чика лежит в пределах 0,1 т^т^-Ши а погрешность за счет ди­скретности не превышает Ю/mi. При этом автоматический выбор времени измерения не требует увеличения времени измерения, т. е. ие ухудшает быстродействия измерителя. Разработаны также ме­тоды и устройства автоматического перехода от измерения часто­ты к измерению периода при измерении сравнительно низких ча­стот, автоматического выбора предела измерения периода для по­лучения заданной погрешности измерения и вычисления частоты по результату измерения периода. Это позволяет создать универ­сальные автоматические частотомеры, имеющие малую погрешность измерения и перекрывающие широкий диапазон измеряемых ча­стот, например 0,1 Гц... 300 мГц.

Переключатели и коммутаторы. Важными элементами систем управления и автоматики являются переключатели и коммутато­ры. Переключатели обеспечивают установку необходимого режима работы прибора, например, у генератора — диапазона частоты, вида модуляции, уровня выходного напряжения и т. д. Коммутаторы ис­пользуются для быстрого периодического переключения трактов, на­пример, в приборах, построенных по методу периодического сравне­ния, для поочередного подключения ко входу прибора большого чи­сла (десятков, сотен) источников сигналов или к выходу прибора — управляемых объектов. В качестве контактных переключателей при- 350 меняются электромагнитные реле, чаще на основе магнитоуправ­ляемых герметизированных контактов. Последние имеют частоту переключения до 1 кГц и отличаются высокой надежностью и дол­говечностью (до 10⁹ переключений). Миниатюрные ферромагнит­ные контакты с рабочей поверхностью из драгоценных металлов герметизированы в стеклянном балоне с инертным газом и поме­щены внутри управляющей катушки с током. Они имеют прямое сопротивление около 0,01 Ом, обратное—10⁵ МОм и могут ис­пользоваться на высоких частотах. В качестве коммутаторов ис­пользуются диодные и транзисторные ключи, уступающие электро­механическим реле по точностным характеристикам, но значитель­но превосходящие их по быстродействию и надежности. Наиболее широко применяются коммутаторы на полевых транзисторах и интегральных схемах.

Устройства автоматической подстройки частоты и уровня. В автоматизированных приборах, содержащих источники испыта­тельных сигналов, т. е. в измерительных генераторах, измерите­лях частотных характеристик, измерителях параметров цепей СВЧ, необходимо плавно изменять частоту сигнала. Это требует применения в указанных приборах источников сигнала — задаю­щих генераторов с электронной перестройкой, частоты. Элемента­ми колебательной системы таких генераторов служат катушна ин­дуктивности и варикап — смещенный в обратнрм направлении ди­од, емкость р-л-перехода которого изменяется в широких пределах при изменении напряжения смещения. Коэффициент перекрытия по частоте обычно не менее 2. Для работы в широком диапазоне частот используется переключение катушек индуктивности, умно­жение, деление и преобразование частоты. На частотах выше 1 ГГц в генераторах на транзисторах или диодах Ганна применя­ются ферритовые фильтры из железо-иттриевого граната, так на­зываемые ЖИГ-фильтры. Частота настройки такого фильтра, оп­ределяемая напряженностью магнитного поля, может плавно из­меняться в пределах 1 : 2 при изменении тока в катушке подмдг- ничивания, полоса пропускания лежит в пределах 10... 30 МГц. Рассмотренные генераторы с электронной перестройкой частоты не обеспечивают требуемой для отдельных видов измерений высокой стабильности частоты. Для ее получения частота такого генерато­ра поддерживается равной частоте источника опорного высоноста- бильного генератора с помощью системы фазовой автоподстройки частоты — ФАПЧ (§ 8.3).

При создании автоматизированных измерительных приемных устройств необходимо решить еще одну важную задачу — осуще­ствить автоматически настройку на входной сигнал, частота кото­рого может быть любой в пределах широкого рабочего диапазона устройства. Принцип работы системы автоматической настройки приборов состоит в следующем. Настройка осуществляется на са­мый большой по амплитуде входной сигнал, она проводится в два этапа. Первоначально осуществляется обзор всего рабочего диа­пазона частот, фиксируются уровни всех входных сигналов и со­ответствующие им частоты гетеродина. Затем выбирается и уста­навливается частота гетеродина, которой соответствует максималь­ная амплитуда входного сигнала, с помощью системы ФАПЧ осу­ществляется окончательная точная настройка прибора на частоту сигнала. Главным параметром системы автоматической настройки является время настройки, обычно оно лежит в пределах одной секунды и составляет существенную часть общего времени измере­ния автоматизированных приборов.

В автоматизированных источниках испытательных сигналов на­ряду с частотой необходимо устанавливать требуемый уровень вы­ходного напряжения или мощности, который не должен зависеть от частоты. Для решения этой задачи используются два включен­ные последовательно выходные устройства — система стабилиза­ции опорного максимального уровня напряжения или мощности и электрически управляемый аттенюатор.

Структурная схема системы стабилизации уровня, называемой также системой автоматической регулировки амплитуды (АРА), изображена на рис. 14.3. Главным элементом системы, определя-

Рнс. 14.3

ющим погрешность установки опорного уровня, является измери­тель уровня — амплитудный детектор или измеритель мощности, который должен быть прямопоказывающим и иметь достаточно малую неравномерность частотной характеристики во всем рабо­чем диапазоне частот источника сигнала. В качестве регулирую­щего элемента используется выходной усилитель или аттенюатор с регулируемым плавно электрически коэффициентом передачи. Выходное напряжение измерителя уровня сравнивается с высо­костабильным опорным напряжением, а их разность после усиле­ния служит для управления коэффициентом передачи регулирую- 352 щего элемента. Изменение величины опорного напряжения позво­ляет плавно измерять уровень выходного напряжения в сравни­тельно небольших пределах. Для установки требуемого уровня вы­ходного напряжения или мощности в широком диапазоне его из­менения служит обычно выходной плавный или ступенчатый атте­нюатор с электрическим управлением. В диапазоне радиочастот в качестве управляемых элементов плавного аттенюатора применя­ются управляемые полупроводниковые резисторы, в том числе тер­морезисторы и фоторезисторные оптроны, а также полупроводни­ковые диоды и транзисторы. В СВЧ-диапазоне широко применя­ются плавные аттенюаторы на pin-диодах. Ступенчатые аттенюа­торы выполняются в виде Т-, П- или Г-образных звеньев из преци­зионных резисторов, они являются наиболее точными, но имеют малое быстродействие, так как для их переключения используются электромеханические реле.

Автоматизация приемных устройств. Большая группа средств электрорадиоизмерений, например, измерительные приемники, анализаторы спектра, измерители параметров модулирован­ных колебаний, многие измерители разности фаз, строятся, как правило, по схеме супергетеродинного приемника, т. е. содержат перестраиваемые по частоте входные фильтры и гетеродин, смеси­тель, УПЧ. В автоматизированных приборах такого вида необхо­дима электрическая перестройка по частоте входных фильтров и гетеродинов. Она осуществляется теми же средствами, что и пере­стройка частоты источников испытательных сигналов — с помо­щью варикапов и ЖИГ-фильтров. Система ФАПЧ (см. рис. 8.8) также используется в таких приборах. Она подстраивает частоту гетеродина под частоту сигнала, поддерживая постоянной ПЧ, на которую обычно переносится информация об амплитуде, фазе и частоте входного сигнала, так что ее последующая обработка про­изводится на постоянной частоте. В тракте ПЧ используется ав­томатическая регулировка усиления, аналогичная рассмотренной выше системе стабилизации опорного уровня в источниках сигна­лов. Это позволяет приемному устройству в случае необходимости иметь постоянный уровень напряжения ПЧ, Работа автоматизи­рованного приемного устройства в широком диапазоне частот при работе его гетеродина в одном частотном поддиапазоне, т. е. без переключения поддиапазонов гетеродина, может быть обеспече­на при использовании рассмотренного выше стробоскопического преобразования частоты (§ 8.3).

Автоматизация калибровок. Автоматизация средств электрора­диоизмерений и особенно введение в них микропроцессора позволя­ет существенно повысить эффективность внутренних калибраторов. Такие калибраторы, позволяющие скомпенсировать часть система­тических погрешностей, например, вызванных временной неста­бильностью трактов, старением элементов, входят во многие при­боры. Так, источник высокостабильного постоянного напряжения — нормальный элемент служит для калибровки цифровых вольтмет­ров, источник напряжений высокостабильной частоты — кварцевый

генератор — для контроля электронно-счетных частотомеров, об­разцовые меры ослабления, фазового сдвига, емкости и других ве­личин используются в других приборах. Однако из-за большой трудоемкости ручная внутренняя калибровка проводится редко — обычно только после включения и прогрева прибора. Введение во внутренние калибраторы автоматического управления позволяет в автоматизированных приборах проводить внутреннюю калибров­ку гораздо чаще, в том числе и перед каждым измерением, т. е. снизить влияние изменяющихся во времени составляющих погреш­ности измерения.

Наконец, в автоматизированные приборы нетрудно ввести вспомогательные устройства для быстрого контроля работоспособ­ности и технических характеристик отдельных узлов, блоков и трактов. Это позволяет в случае возникновения неисправностей автоматически осуществить их поиск, чтобы быстро устранить их путем замены блоков.

3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Общие сведения. Измерительные системы предназначены для автоматизации процесса измерения, начиная от приема от не­скольких измерительных приборов или от ряда источников элек­трических сигналов, измерения параметров этих сигналов и кон­чая обработкой результатов измерений и регистрацией получен­ных данных в виде, удобном для дальнейшего использования. Та­кие системы значительно сокращают время и повышают достовер­ность измерений.

Измерительные системы часто называют системами сбора к об­работки данных. Они характеризуются числом входных каналов, скоростью работы, измеряемыми электрическими величинами, по­грешностью измерения, видом обработки, способом управления и формой представления полученных данных. Системы осуществ­ляют измерения напряжений постоянного и переменного токов, по­стоянного тока, сопротивления, частоты и периода электрических сигналов, интервалов времени, а с использованием внешних дат­чиков— и неэлектрических величин (температуры, давления, мас­сы и т. п.).

Обобщенная структурная схема измерительной системы по­казана на рис. 14.4. Рассмотрим назначение звеньев. Внешние пре­образователи, не входящие в состав системы, преобразуют неэлект­рические величины в электрические сигналы, параметры которых измеряются системой.

Коммутирующее устройство принимает аналоговые электриче­ские сигналы от нескольких источников сигналов и передает их последовательно на средства измерения. Входные коммутирующие устройства характеризуются числом входных и выходных кана­лов, быстродействием переходным сопротивлением, его нестабиль­ностью и наличием термо-ЭДС, входным сопротивлением, полосой пропускания, надежностью. Погрешность, вносимая коммутатором, 354

Рис. 14.4

должна быть на порядок ниже погрешности используемых измери­тельных приборов. Применяются механические, электромехани­ческие и электронные коммутирующие устройства. Современным требованиям по быстродействию и надежности удовлетворяют только электронные коммутаторы. Широкое применение находят диодные и триодные ключевые схемы, особенно ключевые схемы иа МОП-транзисторах, позволяющие создавать высокоскоростные коммутаторы с большим динамическим диапазоном коммутируемых сигналов.

В качестве измерительных приборов применяются цифровые частотомеры, измерители временных интервалов и вольтметры. По­следние выполняют функции АЦП по отношению к входным сиг­налам.

Устройство обработки производит необходимую математиче­скую обработку информации, поступающей с радиоизмерительных приборов.

Регистрирующее устройство записывает полученные данные в коде на перфоленту, магнитную ленту или в цифробуквенной фор­ме на бумагу. К регистрирующим устройствам относятся также аналоговые самописцы и электронные осциллографы. В качестве регистрирующих устройств в системах применяют телетайпы и раз- личные электрофицированные печатающие устройства последова­тельного действия, построенные по принципу пишущих машинок с максимальной скоростью примерно 10 знаков в секунду.

Управляющее устройство управляет режимами работы прибо­ров и системы в целом по заданной программе. В системах со сложным алгоритмом функционирования и большим объемом из­мерительной информации работой и обработкой данных управля­ет микро-ЭВМ.

Приведем пример одной из наиболее простых и широко распространенных измерительных систем. Основным измерительным устройством системы явля­ется цяфровой вольтметр. С помощью многоканального коммутатора на его вход поочередно поступают для измерения напряжения от исследуемых объек­тов. Число каналов может быть большим, иа,пример, несколько сотен. Регист­рирующее устройство того или иного вида служит для представления или хра- неиия информации о номере канала и результате измерения. Управляющее устройство обеспечивает необходимую последовательность операций, выполняе­мых входящими в систему устройствами. Параметры этих устройств выбира­ются в соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к измери­тельной системе. Метрологические характеристики системы определяются в ос­новном вольтметром. Так, цифровой вольтметр типа В7-34, предназначенный для использования >в измерительных системах, позволяет измерять постоянное нап­ряжение 0,1 ... 1000 В, средиеквадратическое значение синусоидального напря­жения в диапазоне частот 20 Гц... 500 кГц и мгновенные значения напряжения 1 ... 100 В, сопротивления постоянному току 0,1 ... ЮОООкОм, отношения двух постоянных напряжений 0,01 ... 1000 В и отношения постоянного напряжения к среднеквадратическому значению синусоидального иаприжеиия на пределах из­мерений 0,1 ... 1000 В. Погрешность измерения постоянного напряжения ±[0,02+ +0,01 (0,1/t/*— 1) % иа пределе 0,1 В и ±[0,015+0,002(U_BIU_X—1)% иа пре­делах измерений 1, 10, 100 и 1000 В, где U_x — измеряемое напряжение, В. Погрешность измерения сопротивления постоянному току и других указанных выше величии в зависимости от условий измерения лежит в пределах от 0,025 до 2,5%. Наряду с измерением электрических величин рассматриваемая измерительная система при использовании соответствующих преобразователей может служить для измерения иеэлектрических величии: давления, температуры, перемещений, вращающих моментов и других. При этом каждой задаче соот­ветствует свой комплекс технических требований, предъявляемых к устройст­вам, входящим в систему.

Совместимость приборов, входящих в измерительную систему.

В отличие от рассматриваемых ранее средств измерения — прибо­ров широкого применения, измерительные системы, как правило, являются узкоспециальными. Это означает, что измерительные си­стемы предназначаются для использования с объектами определен­ного вида с конкретным набором измеряемых параметров, пределов к погрешностей измерения. Только в этом случае и в условиях массовых измерений обеспечивается высокая экономическая эф­фективность измерительных систем. Необходимое потребителям число каждого конкретного вида таких систем невелико, поэтому их промышленное производство является экономически нецелесо­образным. Поэтому в основу создания измерительных систем .раз­личного назначения положен принцип агрегатирования. Он сос­тоит в построении систем на основе выпускаемых промышленно­стью приборов, функциональных устройств и узлов, предназначен­ных как для самостоятельного, так и для совместного использо­вания. Комплекс таких приборов, устройств и узлов должен вклю­чать в себя всю совокупность технических средств, необходимых для создания измерительных систем различной сложности с раз­ными, в том числе предельно высокими, метрологическими харак­теристиками. Кроме того, указанные средства, входящие в агре- гатируемый комплекс, должены отвечать требованиям по метроло­гической, информационной и конструктивной совместимости. Тре­бование по метрологической совместимости относится в основном к измерительным устройствам системы, в первую очередь, необ­

ходимо, чтобы требования к ним по погрешности и пределам изме- рения, а также другим техническим характеристикам были взаим­но согласованы и соответствовали требованиям к системе в целом^

Например, в простейшей измерительной системе для измерения постоянных напряжений с максимальной погрешностью бшах^ ^0,05% при использовании вольтметра типа В7-34, имеющего бтах^0,035%, необходимо, чтобы погрешность, вносимая комму­татором (в том числе за счет нелинейности его амплитудной ха­рактеристики, нестабильности коэффициента передачи и пролеза- ний из отключенных каналов) не превышала 0,015%. Информа­ционная совместимость элементов системы подразумевает установ­ление единого вида и количества сигналов, системы кодирования, временной диаграммы сигналов, величин напряжений для анало­говых и двоичных сигналов, нагрузочных сопротивлений и т. д. Конструктивная совместимость элементов системы подразумева­ет возможность их объединения в единой общей конструкции на основе определения вида конструкции и размеров конструктивных элементов. Можно говорить также об энергетической совместимо­сти элементов системы, например, об их питании от промышленной сети, от батарейных источников или от линии рабочего напряже­ния.

В СССР создана Государственная система приборов и агрегати- руемых комплексов (ГСП) как основная элементная база постро­ения ИИС. ГСП предусматривает создание научно обоснованных рядов приборов и устройств с унифицированными характеристи­ками и конструктивным исполнением. Устройства ГСП, предназ­наченные для решения определенных измерительных задач, объ­единяются в агрегатируемые комплексы.

Агрегатируемые комплексы аппаратуры. Наиболее разработан­ными агрегатируемыми комплексами, являющимися базой для со­здания измерительных систем, служат АСЭТ и ЕАКАСИТ. АСЭТ — агрегатируемые средства электроизмерительной техники, включа­ющие в себя средства сбора и преобразования, измерения и пред­ставления информации, ее обработки и хранения, а также средст­ва управления и вспомогательные устройства. ЕАКАСИТ — еди­ный агрегатируемый комплекс автоматизированных средств изме­рительной техники, имеющий целью автоматизацию радиоизмере­ний. Совместная работа входящих в этот комплекс приборов в¹ составе автоматизированных измерительных систем обеспечива­ется стандартным интерфейсом, под которым понимают как сред­ства сопряжения отдельных приборов, так и правила обмена ин­формацией между ними, перечень команд, виды и параметры сиг­налов, несущих как служебную, так и измерительную информа­цию.

К основным характеристикам интерфейсов относятся структу­ра информационных связей, вид передачи сигналов, способ орга­низации передачи данных во времени. Структура информацион­ных связей отражает структуру измерительной системы. Последо­вательному цепочечному соединению приборов и устройств систе­мы соответствует интерфейс каскадной структуры, когда инфор­мационный обмен происходит от прибора к прибору, и приборы уп­равляют друг другом. Возможна радиальная схема построения измерительной системы, когда все приборы связаны отдельными каналами с центральным управляющим устройством — контрол­лером или с общим регистрирующим устройством. Такому слу­чаю соответствует интерфейс радиального типа с пространствен­ным разделением каналов. Если центральный контроллер или цент­ральное устройство обработки или регистрации измерительной ин­формации не обладает требуемым числом каналов, то его взаимо- действие с приборами системы осуществляется через проводной ка­нал связи общего пользования — магистраль с последовательным во времени поочередным адресным обращением. Применение ин­терфейса с магистральной системой обмена данными позволяет резко сократить число соединений в системе.

Способ передачи сигналов между интерфейсами может быть параллельным, когда для каждого сигнала используется отдель­ная линия (шина), последовательным, когда все сигналы переда­ются в определенной последовательности по одной линии, и ком­бинированным. Способы передачи данных во времени подразделя­ются на синхронный и асинхронный. При синхронной передаче данных их считывание в приемнике информации производится в определенные промежутки времени, определяемые тактовыми или синхронизирующими импульсами, поступающими в приемник. При выборе периода следования синхронизирующих импульсов дол­жна учитывать максимальная возможная задержка сигнала в си­стеме. При асинхронном или старт-стопном режиме обмена обес­печивается пословная передача сообщений от одного источника од­ному или' нескольким приемникам. При этом данные на шинах передачи устанавливаются только после получения сигналов го­товности к приему от всех приборов-приемников. После установ­ки эти сигналы могут быть изменены и пути их передачи блоки­рованы только после получения сообщений о завершении приема информации от всех приемников. Такой цикл передачи каждого слова обеспечивает надежный прием данных всеми приборами, в том числе и с самым большим временем приема.

В соответствии с международными стандартами для приборов и устройств, входящих в ЕАКАСИТ, принят интерфейс магист­рального типа с параллельно-последовательной передачей данных н асинхронным режимом обмена. Он предназначен для обеспе­чения взаимодействия средств измерений и другой аппаратуры в рамках автоматизированных измерительных систем при длине ма­гистрали— канала общего пользования системы до 20 м и подклю­чении к ней не более 15 приборов, обменивающихся между собой цифровой информацией при скорости передачи данных в каждой шине не более одного мегабита в секунду. Интерфейс обеспечива­ет параллельную поразрядную двоичную и последовательную по­байтную (словами по 8 бит) передачу данных. Под данными, в первую очередь, понимаются информационные сигналы. В изме- 358 рительной системе они содержат информацию о результате изме­рения, т. е. единице измерения и численном значении, результате его обработки, номере измерительного канала, времени измере­ния и других условиях измерения. К ним относятся в рассматри­ваемом интерфейсе адресные сигналы, служащие для установле­ния связи центрального процессора с одним из приборов, а так­же программные сигналы, определяющие алгоритм работы при­бора. В измерительной системе осуществляется обмен информаци­ей между источником и приемником под управлением контролле­ра. Каждый из входящих в систему устройств выполняет функции или источника информации, или приемника, или контроллера, или любого их сочетания. Взаимосвязь устройств через систему шин показана на рис. 14.5. На рисунке показаны четыре типа уст-

Канауг оЗецега по/пзобания

ройств, объединяемых в измерительную систему: А—устройство, способное передавать, принимать и управлять (например, ЭВМ); В — устройство, способное передавать и принимать (например, цифровой вольтметр); С — устройство, способное только прини­мать (например, генератор сигналов); D — устройство, способное только передавать (например, считывающее устройство). Канал общего пользования интерфейса содержит 16 линий, по которым в цифровом виде передаются информационные данные и управля­ющие сигналы. Эти линии объединены в три шины: шина данных, шина управления побайтной передачей данных (синхронизации), шина общего управления интерфейсом. Восемь линий (ЛДО ... ...JIK.7) шины данных служат для передачи адресов и команд от кон­троллера к приборам, информационных сообщений (программ, ре­зультатов измерений) между приборами, а также сигналов состо­яния от приборов к контроллеру. Передача каждого байта инфор­мации по шине данных осуществляется асинхронным образом по сигналам трех линий управления передачей данных (шина синхро­низации). Первая из них является линией сопровождения данных (СД), вторая — линией для сигналов «готов к приему» (ГП), третья — линией для сигналов «данные приняты» (ДП). Пять ли­ний общего управления (шина управления) предназначены для управления трансляцией потока информационных сигналов через интерфейс. Это линии сигналов «очистить интерфейс» (ОИ), «уп­равления» (УП), «дистанционного управления» (ДУ), «запрос на обслуживание» (30), «конец передачи» (КП). Стандартом на ин­терфейс жестко регламентированы только порядок и вид сигналов сопряжения, определяющие совокупность операций при обмене данных. Порядок и особенности работы отдельных приборов и устройств измерительной системы устанавливаются при ее разра­ботке, требования интерфейса на них не распространяются. Для использования в интерфейсе рекомендовано шесть видов кодов и распределение их разрядов по шинам. Для диагностики ошибок, обусловленных влиянием внешних условий и шумов, служит про­верка четности, позволяющая при небольших затратах обнаружить только простые ошибки — ложный бит в байтах. Сбои в несколь­ких разрядах при этом не выполняются. Для обеспечения энерге­тической совместимости стандартом на интерфейс установлены величины сигналов низкого (логическая единица) и высокого (ло­гический нуль) уровня на выходе передающей части и на входе приемной части интерфейса, а также точки нагрузки. К каждой линии во всех приборах подключаются также нагрузочные рези­сторы, внутренняя емкостная нагрузка обычно не должна превы­шать 100 пФ. Из конструктивных требований оговаривается толь­ко тип разъемного соединения, имеющего 24 контакта, и распреде­ление контактов в нем. Соединительные кабели имеют 16 сигналь­ных проводов и 8 обратных, соединенных с массой. Каждый из шестнадцати сигнальных проводов скручен со своим обратным для уменьшения переходных помех между проводами.

Создание измерительных систем на базе автоматизированных агрегатируемых средств измерительной техники — важнейшее на­правление повышения эффективности электрорадиоизмерекий:

Таблица fc

Значение нормированной функции плотности вероятностей нормального распределения f{t)— ~T/ir^r~*~

О	Ш)	t	at)	t	fW	t	aa
0,0	0,3989	1,0	0,2420	2,0	0,0540	3,0	0,0044
0,1	3970	1,1	2179	2,1	0440	3,1	0033
0,2	3910	1,2	1942	2,2	0335	3,2	0024
0,3	3814	1,3	1714	2,3	0283	3,3	0017
0,4	3683	1,4	1497	2,4	0224	3,4	0012
0,5	3521	1,5	1295	2,5	0175	3,5	0009
0,6	3332	1,6	1109	2,6	0136	3,6	0006
0,7	3123	1,7	0940	2,7	0104	3,7	0004
0,8	2897	1,8	0790	2,8	0079	3,8	0003
0,9	2661	1,9	0656	2,9	0060	3,9	0002

Таблица 2

Значение нормированной функции Лапласа p(t_P)= —■ j е ‘^г/2 dt

"|/2п о

tp= — a	P(tP)	tp	P(tp)	tp	P(tp)	tp	P(tp)
0,0	0,00000	1,0	0,34134	2,0	0,47725	3,0	0,49865
0,1	03983	1,1	36433	2,1	48214	3,1	49903
0,2	07926	1,2	38493	2,2	48610	3,2	49931
Л l\ u,o	i 1791	i,3	40320	2,3	48928	3,3	49952
0,4	15542	1,4	41924	2,4	49180	3.4	49966
0,5	19146	1,5	43319	2,5	49379	3,5	49977
0,6	22575	1,6	44520	2,6	49534	3,6	49984
0,7	25804	1.7	45543	2,7	49653	3,7	49989
0,8	28814	1.8	46407	2,8	49744	3,8	49993
0.9	31594	1.9	47128	2,9	49813	3,9	49995

Значения коэффициента распределения Стьюдеита t_{Pt п}

п	р				п		р
	0,9	0,95	0,99	0,9			0,95	0,99
4	2,13	2,78	4,60	20		1,72		2,09	2,86
10	1,81	2,23	3,17	25		1.71		2,06	2,80
14	1,76	2,15	2,98	30		1,70		2,04	2,75

Таблица 4

Значения наибольшего по абсолютной величине нормированного отклонения U

Число наблюдений	Уровень значимости q, %
	10	5	1	0,5
5	1,869	1,917	1,972	1,982
10	2,294	2,414	2,616	2,680
15	2,494	2,638	2,905	2,997
20	2,623	2,779	3,079	3,187
25	2,718	2,880	3,200	3,318
30	2,792	2,958	3,291	3,416

Условные обозначения систем электроизмерительных приборов и значение знаков, наносимых иа их шкалы

Знак

Значение знака

Знак

Значение знака

№

Магнитоэлектрическая система с подвижной рамкой

Магнитоэлектрический логометр с подвижными рамками

Магнитоэлектрическая система с подвижным магнитом

Магнитоэлектрический логометр с подвижным магнитом

Электромагнитная систе­ма

Постоянный ТОК

Переменый однофазный ток

Трехфазный ток

Постоянный и перемен- ный ток

Переменный ток частотой 400 Гц

Горизонтальное положе­ние шкалы

зо

й

"к

0

Электромагнитный лого­метр

Электродинамическая си­стема

Электродинамический ло­гометр

Ферродииамическая си-

Индукционная система

Измерительная цепь изо­лирована от корпуса и испытана напряжением 2 кВ

Направление ориентиров­ки прибора в земном магнитном поле

Вертикальное положение

Наклонное положение

ж

Т

\/

\Z

-0-

0,5

Электростатическая си­стема

Термопреобразователь

изолированный

Термопреобразователь

неизолированный

Выпрямительный преоб­разователь

Электронный преобразо­ватель

Общий зажим для много­предельных приборов

Зажим соединенный с эк­раном

Зажим для заземления Класс точности

Категория защищенности от внешних магнитных

1. Атамалян Э. Т. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб. пособие. — М.: Высшая школа, 1982. — 223 с.

2. Бахвалов О. А. Радиотехнические измерения. — М.: Высшая школа, 1964.— 245 с.

3. Измерение мощности на СВЧ/М. И. Билько, А. К. Томашевский, П. П. Ша­ров, Е. А. Баймуратов. — М.: Сов. радио, 1976. — 167 с.

4. Бондаренко И. К., Дейнега Г. А., Маграчев 3. В. Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов. — М.: Сов. радио, 1969. — 301 с.

5. Борисюк А. А. Матричные системы отображения информации. — Киев: Техника, 1980. — 223 с.

6. Бурдун Г. Д., Марков Б. Н. Основы метрологии. — М.: Изд-во стандар­тов, 1972. — 317 с.

7. Валитов Р. А., Сретенский В. Н. Радиотехнические измерения. — М.: Сов. радио, 1970. — 711 с.

8. Пондеромоторное действие электромагнитных волн/Теория и приложения/ Р. А. Валитов, Н. А. Хижияк, В. С. Жилков и др. — М.: Сов. радио, 1975.

• 252 с.

9. Верник С М., Кушнир Ф. В., Рудницкий В. Г. Повышение точности изме­рений в технике связи. — М.: Радио и связь, 1981. — 198 с.

10. Электрорадиоизмереиии: Учеб. пособие для вузов/Вииокуров В. И. и др.; Под ред. В. И. Винокурова. — М.: Высшая школа, 1976. — 264 с.

11. Волгин Л. И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. — М.: Сов. радио, 1977. — 240 с.

12. Аппаратура дли частотных измерений/Под ред. А. П. Горшкова. — М.: Сов. радио, 1971. — 336 с.

IS. Гризнов М. И., Гуревич М. Я., Маграчев 3. В. Измерение импульсных нап­ряжений. — М.: Сов. радио, 1969. — 312 с.

14. Дворяшин Б. В., Кузнецов JI. И. Радиотехнические измерения. — М.: Сов. радио, 1978. — 359 с.

15. Долгов В. А., Касаткин А. С., Сретенский В. Н. Радиоэлектронные авто­матические системы коитроля/Под ред. В. Н. Сретенского. — М.: Сов.

радио, 1978.

14. Елизаров А. С. Автоматизация измерений параметров линейных невзаимных СВЧ четырехполюсников. — М.: Сов. радио, 1978. — 167 с.

15. Зенькович А. В. Измерение нелинейных искажений: Учеб. пособие. — Горь­кий: Горьк. политехи, ии-т, 1980. — 82 с.

16. Кукуш В. Д. Определение погрешностей результатов и средств измерений: Учеб. пособие. — Харьков: Харьков, политехи, ин-т, 1979. — 113 с.

17. Кушнир Ф. В. Электрорадиоизмерения. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 318 с.

18. Механников А. И. Синтез многоэлементиых преобразователей проходящей мощности. — Метрология, 1973, № 4, с. 16—19.

19. Механников А. И., Перепелкин В. А., Чуйко В. Г. Волноводные болометри­ческие преобразователи проходящей мощности. — Тр. ВНИИФТРИ, 1975, вып. 20, с. 3—27^

20. Мирский Г. Я- Аппаратурное определение характеристик случайных процес­сов. — М.: Энергия, 1972. — 455 с.

21. Мирский Г. Я- Радиоэлектронные измерения. — М.: Энергия, ,1975, 597 с.

22. Новицкий П. В. Основы информационной теории измерительных устройств.

• М.: Энергия, 1968. ■— 247 с.

14. Новопашенный Г. Н., Новицкий П. В. Электронные измерительные прибо­ры.— Л.: Энергия, 1966. — 292 с.

15. Ориатский П. П. Теоретические основы информационно-измерительной тех­ники: Учеб. пособие для вузов. — Киев: Вища школа, 1983. — 454 с.

16. Ориатский П. П. Автоматические измерения и приборы. — Киев: Вища школа, 1980. — 558 с.

17. Основополагающие стандарты в области метрологического обеспечения. —

\\ • ТЛоп.огч лтпипаптпп 1 ОЙ 1 971 с

*•*.. ПОД ^ w X- * и.*Ди^ . — • -

14. Походзило П. В. Развитие основных методов и техники радиоизмерений: Историко-технический очерк. — Киев: Наукова думка, 1964. — 278 с.

15. Радиотехнические измерения. — ТИИЭР, 1978, т. 66, № 4. — 194 с.

16. Радиоизмерительиые приборы: Каталог Изделия промышленности средств связи. Сер. 1. Радиоизмерительиые приборы. 19-е изд. — М.: ЭКОС, 4982. — 239 с.

17. Сазонов А. А., Дубовой Н. Д., Поротов В. Н. Современное состояние и перспективы развития методов измерения мощности иа СВЧ. — Зарубеж­ная радиоэлектроника, 1981, № 3, с. 82—91.

•33. Smith W. Е. Application of the scattering matrix in calculating averige elect­romagnetic forces.—Aust. J. Appl., 1964, N 15, p. 65—74.

34. Справочник по радноизмерительным приборам/Под ред. В. С. Насонова.— В 3-х т. — М.: Сов. радио, Т. 1, 1977. — 230 с.; Т. 2, 1977. — 270 с.; Т. 3, 1979. — 422 с.

35. Sotnlo Р. 1., Hunter D. A Six-Port Reflectometer and its Complete Characteri­zation by Convenient Calibration Procedures. — IEEE Trans., 1982, v. MTT-30, N 2, pp. 186—191.

36. Электрические измерения: Учебник для • вузов/Под ред. А. В. Фремке и Е. М. Душина. — Л.: Энергия, 1980. — 392 с.

37. Тверской В. И. Дисперсионно-временные измерения спектров радиосигна­лов.— М.: Сов. радио, 1974. — 211 с.

•38. Государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы. — М.: Изд-во стандартов, 1978. — 287 с.

Предисловие