- •Содержание
- •Глава I общие вопросы цифровой измерительной техники 14
- •Глава II осциллографы и осциллографирование сигналов 54
- •Введение
- •Тема 1 Цели и задачи курса.
- •Глава I общие вопросы цифровой измерительной техники
- •1.1. Общий отличительный признак цифровых измерительных устройств (циу)
- •1.2. Структурная схема цип
- •1.3. Коды применяемые в цип
- •1.4. Структурная схема цифрового отсчетного устройства
- •Цифровые индикаторы
- •1.5. Погрешности цип и методы их уменьшения на примере измерения интервалов времени
- •1.6. Основные технические характеристики цип и ацп
- •Глава II осциллографы и осциллографирование сигналов
- •2.1. Назначение. Область применения
- •2.2. Классификация осциллографов
- •2.3. Осциллографирование быстродействующих процессов
- •2.4. Цифровые осциллографы
Тема 1 Цели и задачи курса.
История развития радиоизмерений. Основные этапы и перспектива развития радиоизмерительных устройств и систем. Роль радиоизмерений в практической деятельности специалистов в области радиоэлектроники.
Тема 2 Общие вопросы цифровой измерительной техники.
Тема 3 Осциллографы и осциллографирование сигналов. (Универсальные, широкополосные, стробоскопические, на трубке бегущей волны (ТБВ), двух и многолучевые, запоминающие, цифровые осциллографы).
Тема 4 Измерение энергетических величин (параметров интенсивности радиосигналов – тока I, напряжения U, напряженности поля Е, мощности Р).
Тема 5 Измерение параметров формы характеристик радиосигналов – коэффициент нелинейных искажений – КНИ, коэффициент глубины амплитудной модуляции – КГАМ, девиации частоты, анализ спектра.
Тема 6 Измерительные генераторы (измерительные генераторы гармонических колебаний НЧ, импульсные измерительные генераторы, измерительные генераторы ВЧ и СВЧ, генераторы качающейся частоты (свип-генераторы), генераторы кодовых импульсов.
Тема 7 Измерение параметров радиотехнических цепей (с сосредоточенными постоянными, с распределенными постоянными; тестирование цифровых схем и микропроцессоров, логический и сигнатурный анализ).
Тема 8 Измерение временных параметров радиосигналов (измерение частоты f, длинны волны , разности фаз ).
Тема 9 Измерение вероятностных характеристик случайных процессов.
Тема 10 Автоматизированные системы контроля. Достоверность контроля. Вопросы эксплуатации измерительной техники.
Научной основой любых измерений является метрология.
Метрология – эта наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способа достижения требуемой точности.
Поэтому условиям усвоения курса «Радиоизмерительные устройства и системы» является твердое знание следующих разделов метрологии:
значение метрологии в деятельности общества;
основные метрологические понятия (физическая величина, средства измерений, мера, эталоны, точность измерений, погрешность измерений, поверка средств измерений);
единицы физических величин. Система единиц СИ (основные и дополнительные единицы, производные единицы СИ, размерность, кратные, дольные единицы, относительные логарифмические единицы);
эталон;
погрешности измерений (абсолютные и относительные погрешности; систематические, случайные погрешности; оценка погрешностей измерительных устройств и систем; методы уменьшения и исключения погрешностей);
средства измерений (образцовые, рабочие, измерительные преобразователи);
поверка и испытание средств измерений;
методы измерений (прямые, косвенные);
метрологическая служба на предприятиях;
электроизмерительные приборы различных систем (магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, электростатическая, индукционная).
Основные направления и перспективы развития радиоизмерительной техники:
Повышение точности измерений.
Повышение скорости измерений.
Автоматизация измерений.
Разработка комбинированных измерительных приборов.
Панорамные измерители.
Развитие измерений в новых областях измерительной техники (измерение параметров случайных процессов, оптоэлектронные измерения и др.).
Повышение достоверности принятия правильных решений на основе измерений (повышение достоверности контроля).
Под точностью измерений понимают их качество, отражающее близость результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность может быть выражена обратной величиной модуля относительной погрешности. Например, если погрешность измерения равна 10-4, то точность равна 104.
При выполнении измерений перед оператором возникают следующие вопросы:
Обеспечивает ли единое измерение необходимую точность полученного значения параметра?
Каким образом можно повысить точность измерения?
Как расценивать получение различных значений при повторных измерениях одного и того же параметра? Что в этом случае следует принять за результат измерения и как оценить его точность и надежность?
Как оценить погрешность при косвенных измерениях?
Погрешность измерения любой величины состоит, как правило, из систематической и случайной составляющих. Теоретически систематическую погрешность можно исключить путем введения поправок в результате измерения. С точки зрения происхождения систематические погрешности можно разделить на следующие виды:
Инструментальная погрешность (неточность градуировки прибора, неточности технической реализации алгоритмов измерения, неправильное расположение приборов и других причин, например, трение вращающихся частей приборов). Инструментальная погрешность выявляется при поверке мер и измерительных приборов по образцовым мерам и приборам.
Методологическая погрешность (несовершенство метода измерений, неточности алгоритма измерений, влияние измерительного прибора на объект измерения и т.д.).
Для уменьшения систематических погрешностей в сложном приборе предусматривается возможность его калибровки с помощью внутреннего или внешнего источника калибровочного сигнала с известными параметрами.
В ЦИП с микропроцессорами производится автокалибровка.
Субъективная погрешность (грубая погрешность, промах). К грубым погрешностям относятся, например, неправильный отсчет по шкале прибора, неверная запись показаний, пропуски в наблюдениях и т.п. субъективные погрешности не характерны для ЦИП. Для исключения влияния систематических погрешностей на результат измерения применяют следующие приемы:
Компенсация погрешностей по знаку.
Исключение погрешности методом замещения.
Исключение погрешности методом симметричных наблюдений.
Исключение погрешности введением поправок в результат измерения.
Случайная погрешность.
В виду чрезвычайного разнообразия, как причин случайных погрешностей, так и степени их влияния на результат измерения исключить случайные погрешности в принципе нельзя, но можно учесть математически при помощи теории вероятностей и методов математической статистики и тем самым оценить их влияние на точность измерений.
Оценка случайной составляющей погрешности требует применения статистических методов анализа, заключающихся в проведении серии однотипных (стационарных условиях) независимых измерений с последующей статистической обработкой результатов. Отдельные результаты называются наблюдениями. Конечный результат (после статистической обработки) – результатом измерений.
Случайные погрешности наблюдений в большинстве случаев подчиняются нормальному закону (равномерный встречается также достаточно часто; например, погрешность при дискретизации аналоговой величины описывается равномерным законом и др.).
Пусть ,, ….,- ряд наблюдений вn независимых, проходящих в одинаковых условиях измерений.
При этом:
‑ математическое ожидание, приближенно равное среднему (арифметическому) значению результата измерений.
‑ среднеквадратическая погрешность результатов наблюдений.
Какова при этом погрешность вычисленного среднего арифметического .
По закону, определяющему среднеквадратическое отклонение среднеарифметического n одинаково распределенных взаимно независимых случайных величин , т.е.случайные погрешности одиночных результатов наблюдений можно снизить в раз, увеличив число наблюдений вn раз.
Следует отметить, что многократные измерения с последующим усреднением их результатов является единственным способом повышения точности измерений.
В процессе измерения грубые погрешности возникают в связи с несоответствием объекта измерения модели.
Например, объект измерения – несинусоидальное напряжение, а принятая модель – синусоидальная форма сигнала. Указанная особенность проявляется при измерении параметров случайных процессов (случайный процесс, например, является нестационарным, а принятая модель – стационарный случайный процесс).
Погрешности в этом случае могут быть такими, что измерения потеряют смысл даже для приближенной оценки значения параметра.
Скорость измерения в ряде случаев, например, при обработке радиолокационной информации приобретает решающее значение. Повышение скорости измерения определяется в основном совершенствованием элементной базы, быстродействием АЦП.
Автоматизация работы средств измерений и выполнения измерительных процедур является важнейшим направлением развития измерительной техники. Основными задачами автоматизации измерений являются:
многофункциональность средств измерений;
программное управление;
самоконтроль и автокалибровка;
автоматическая коррекция систематических погрешностей;
дистанционное управление;
проведение косвенных и совокупных измерений;
запоминание выборок;
статистическая обработка результатов измерений;
выдача результатов измерений в удобной форме (в том числе в цифровом коде для сопряжения с ЭВМ);
возможность организации совокупности средств измерений в автоматическую измерительную систему;
построение систем автоматического сбора данных от многих источников с обработкой и анализом параметров;
автоматизация поверочной процедуры.
В связи с быстрым ростом количества параметров сигналов и характеристик радиоэлектронных устройств, которые подлежат измерению, возникает потребность в создании современных комбинированных измерительных приборов. Любой комбинированный измерительный прибор представляет собой совокупность нескольких функциональных узлов или элементов измерительных схем, конструктивно объединенных в единое целое. Такое совмещение позволяет отдельные узлы и элементы прибора путем их коммутации использовать в нескольких различных измерительных схемах. Такие приборы, как правило, более экономичны, меньше по массе и габаритам по сравнению даже со специальным комплектом заменяющих его измерительных приборов одноцелевого измерения.
Комбинированные измерительные приборы делятся на комбинированные приборы общего назначения и специального назначения (сервисные).
Группу простейших широко известных комбинированных приборов общего применения составляют ампервольтметры. В эту группу входят также приборы, рассчитанные на измерение параметров и подключения к различным радиоэлектронным устройствам соответствующего диапазона частот. Так, например приборы ГК4-19 А, РИП-3 измеряют все основные параметры самолетных радиолокационных станций (частоту, мощность спектр сигналов) в сантиметровом диапазоне.
Комбинированные приборы специального назначения рассчитаны на измерение параметров строго определенных образцов радиоэлектронного оборудования (контрольно-испытательные приборы дальномеров, высотомеров, калибратор азимута дальности самолетной аппаратуры, тестеры для контроля параметров современных мобильных систем связи и др.).
Панорамные измерители – приборы, позволяющие получить полную информацию об измеряемой характеристике объекта в интересующем диапазоне частот, амплитуд и т.д. одновременно на экране дисплея, а не путем многократных последовательных дискретных измерений.
Примером панорамного измерения является анализатор спектра сигналов с осциллографическим индикатором и ЧМ-генератором (генератор качающейся частоты; «свип-генераторы») линейно перестраиваемый по частоте при подаче пилообразного напряжения от ГПИ осциллографа; измеритель амплитудно-частотных характеристик и др.