авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

«УДК 621.3(075.8) МИНОБРНАУКИ РОССИИ ББК 31.2я73 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ ...»

-- [ Страница 4 ] --

Цепи с распределенными постоянными — это цепи, физические размеры которых соизмеримы с рабочей длиной волны колебаний. Каждый элемент или соединительный провод в таких цепях обладает сопротивлением, индуктивностью и емкостью. Такие цепи называются также длинными линиями, или СВЧ-трактами.

В данной главе будут рассмотрены методы измерения в цепях с сосредоточенными постоянными.

Основными параметрами, характеризующими электрические и электронные цепи, являются активное сопротивление R резисторов, емкость С конденсаторов и индуктивность L катушек. Поскольку не всегда удается определить значение этих параметров напрямую, то в ряде случаев определяют косвенные (вторичные) параметры элементов и цепей: проводимость g (величина, обратная сопротивлению), полное сопротивление Z, добротность Q, тангенс угла потерь tg, собственная емкость СL катушек индуктивности, характеристическое сопротивление р.

Добротность характеризует колебательную систему, катушки индуктивности и конденсаторы и является безразмерным параметром.

Тангенс потерь характеризует потери в диэлектрике конденсатора и является безразмерным параметром.

Для резисторов основной единицей измерения является ом (Ом). Ввиду его малости в электротехнических измерениях применяются и кратные единицы: килоом ( кОм = 103 Ом), мегаом (1 МОм = 106 Ом), гигаом (1 ГОм = 109 Ом).

Для конденсаторов основной единицей измерения является фарад (Ф). Ввиду того, что фарад является крупной единицей, применяются в основном дольные единицы:

микрофарад (1 мкФ = 10 -6 Ф), нанофарад (1 нФ = 10 -9 Ф), пикофарад (1 пФ = 10 -12 Ф).

Для катушек индуктивности и дросселей основной единицей измерения является генри (гн). Так как эта единица очень большая, то используют дольные единицы:

миллигенри (1 мГн = 10 -3 Гн), микрогенри (1 мкГн = 10 -6 Гн).

Измерители параметров в цепях с сосредоточенными постоянными по каталоговой классификации обозначаются следующим образом: Е1 — образцовые приборы (установки для поверки), Е2 — измерители полных сопротивлений и проводимости, ЕЗ — измерители индуктивности катушек, Е4 — измерители добротности, Еб — измерители со противления резисторов (омметры), Е7 — универсальные измерители параметров (мосты), Е8 — измерители емкости конденсаторов.

В зависимости от измеряемого параметра, погрешности измерения, частотного диапазона и некоторых других характеристик применяются различные методы измерений, которые можно разделить на низкочастотные и высокочастотные.

К низкочастотным методам измерений относятся метод амперметра- вольтметра (вольтметра—амперметра), мостовой метод и метод дискретного счета.

К высокочастотным методам измерений относятся метод амперметра— вольтметра и резонансный метод.

10.2. Метод амперметра—вольтметра Метод амперметра—вольтметра является одним из наиболее простых, но и менее точных методов измерений и может использоваться в цепях постоянного и переменного тока. Для реализации этого метода в цепях постоянного тока используют амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы, в цепях переменного тока промышленных частот — приборы электромагнитной и электродинамической систем, в цепях, питаемых звуковыми и высокими частотами, — приборы термоэлектрической системы. Во всех случаях использования приборы высокого класса точности дают меньшую погрешность измерения.

Метод амперметра—вольтметра является косвенным, так как основан на использовании закона Ома, но которому измеряемое сопротивление прямо пропорционально падению напряжения на нем и обратно пропорционально силе тока, протекающего по нему.

Измерение сопротивления резисторов выполняется по одной из схем, приведенных на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Схемы измерения сопротивления резисторов при измерении методом А—V (а) и методом V—А (б) Для первой схемы исходное сопротивление Rx определяется по формуле:

(10.1) где Rв – внутреннее сопротивление вольтметра.

Для второй схемы (см. рис. 10.1, б) измеряемое сопротивление Rx определяется по формуле:

(10.2) где RА – внутреннее сопротивление амперметра.

При использовании обеих схем имеет место методическая погрешность, обусловленная собственным потреблением мощности приборами (рис. 10.2).

Из анализа формул, а также из графиков зависимости (см. рис. 10.2) следует, что метод амперметра – вольтметра (A – V) необходимо использовать при измерении малых сопротивлений резисторов Rx Rв, а метод вольтметра- амперметра (V - А) — при измерении больших сопротивлений, когда Rx Rв Погрешность обоих методов достаточно велика (1,5...2%) и напрямую зависит от стабильности напряжения источника питания и от класса точности используемых приборов.

Рис.10.2. График зависимости погрешностей измерений от сопротивления резистора при измерениями методами (A – V и V – A) Измерение емкости конденсаторов также возможно методами V—А и А—V. Для питания схем используется источник напряжения только переменного тока, так как в цепях постоянного тока реактивное сопротивление XL катушки индуктивности будет равно нулю, а реактивное сопротивление Xс конденсатора стремится к бесконечности.

Эти утверждения основываются на известных зависимостях:

(10.3) Измерение емкости конденсаторов выполняется по одной из схем, приведенных на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Схема измерения емкости конденсаторов методом А—V (а) и методом V—А (б) Если пренебречь влиянием сопротивления утечки конденсатора, то (10.4) откуда (10.5) Из формулы следует, что при измерении емкости конденсаторов необходимо знать частоту источника питания схемы.

В зависимости от значения емкостного сопротивления измеряемого конденсатора можно уменьшить влияние внутреннего сопротивления вольтметра на результат измерения, используя первую схему (см. рис. 10.3, а), а для конденсаторов большой емкости — вторую схему (см. рис. 10.3, б).

Измерение индуктивности катушек выполняется методом V—А при соотно шении (активное сопротивление катушки должно быть значительно меньше ее реактивного сопротивления). На рис. 10.4 приведена схема измерения индуктивности катушек.

Рис. 10.4. Схема измерения индуктивности катушек На основании закона Ома (10.6) Откуда (10.7) Измерение индуктивности на низких частотах будет приблизительным, так как не учтено активное сопротивление катушки RL, а на высоких частотах погрешность измерения обусловлена влиянием собственной емкости CL катушки и входной емкости Cв вольтметра, которая, как известно, складывается:

(10.8) В результате образуется параллельный колебательный контур с собственной частотой колебаний:

(10.9) При приближении частоты источника питания схемы к f0 сопротивление контура возрастает, что соответствует увеличению индуктивности катушки L.

Метод V—А (А—V) реализуется с помощью широко распространенных приборов в условиях, соответствующих режиму работы элементов цепи. К недостаткам метода следует отнести его косвенность, трудоемкость измерений, большую погрешность измерений (единицы процентов), ограниченный диапазон измерения параметров. В связи со столь существенными недостатками этот метод не получил широкого распространения.

Лучшие результаты при измерении сопротивления резисторов показывают электронные омметры (Е6), которые выполняются на основе УПТ, охваченного отрицательной обратной связью и имеющего очень большое входное сопротивление (рис.

10.5). Напряжение на выходе усилителя омметра (10.10) где u — коэффициент усиления УПТ без цепи обратной связи;

— коэффициент передачи цепи обратной связи:

(10.11) При большом коэффициенте усиления u произведение и выходное напряжение (10.12) В результате шкала аналогового прибора получается равномерной и практически не зависит от внешних элементов, подключенных к усилителю. Погрешность измерения аналоговых омметров большая — примерно 1...4%.

В тераомметрах резисторы R1 и Rx меняются местами и шкала аналогового индикатора становится обратной (нуль шкалы — справа).

(10.13) Погрешность тераомметров при измерении достигает 10%.

К достоинствам электронных омметров следует отнести прямой отсчет и широкий диапазон измерения сопротивления резисторов.

Рис. 10.5. Принципиальная схема электронного омметра 10.3. Мостовой метод Мостовой метод положен в основу работы измерительных мостов (Е7), которые являются универсальными приборами. С их помощью можно измерять сопротивление резисторов, емкость конденсаторов, индуктивность катушек, добротность и тангенс потерь.

Название «мост» прибор получил потому, что между двумя параллельными ветвями индикаторная диагональ образует как бы мост.

Ветви в которые включены комплексные сопротивления, называют плечами моста. В одну диагональ моста включен генератор Г питающего напряжения, в другую — индикатор И равновесия (баланса) моста.

Схемы четырехплечного моста показаны на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Схемы четырехплечного моста в общем виде (а) и для измерения сопротивления резисторов (б) Измерение сопротивления резисторов выполняют в цепях постоянного и переменного тока. Во все плечи моста включены чисто активные сопротивления.

Условием равновесия моста является равенство произведений сопротивлений двух противоположных плеч:

(10.14) откуда (10.15) Признак равновесия моста — отсутствие показаний на индикаторе.

Если поменять местами индикаторную диагональ и диагональ питания, то равновесие моста не нарушится.

Процесс уравновешивания моста постоянного тока достигается изменением (подбором) отношения R2/R1 переключателя «Множитель» и плавным изменением сопротивления потенциометра R3— регулировки «Отсчет», что позволяет значительно расширить диапазон измерения. Уравновешивание моста считается законченным при пол ностью использованном значении напряжения питания (регулировка «Чувствительность») генератора.

Результат измерения представляет собой произведение от умножения показания регулировки «Отсчет» на показание переключателя «Множитель».

Чувствительность моста зависит от чувствительности используемого индикатора и значения напряжения источника питания. Поэтому в качестве индикатора в аналоговых мостах используется прибор магнитоэлектрической системы с двухсторонней шкалой (с нулем посередине).

Измерение емкости конденсаторов выполняется мостом только переменного тока.

Сопротивление четырехплечного моста в общем виде носит комплексный характер, поэтому условия равновесия моста переменного тока будут определяться двумя условиями: по модулю и по фазе.

Мосты переменного тока чаще всего питаются от внутреннего генератора со звуковой частотой 100 или 1000 Гц (если на лицевой панели моста частота не указана, то это всегда 1000 Гц). Возможно питание от внешнего генератора, для чего предусмотрены гнезда (обычно на задней панели). При питании напряжением звуковой частоты еще мало сказывается влияние паразитных емкостей и индуктивностей на погрешность измерения.

В качестве индикатора равновесия моста служат электромеханический индикатор выпрямительной системы или электронный вольтметр типа У—Д, в точных мостах — электронный осциллограф (в момент равновесия моста на экране ЭЛТ будет только горизонтальная линия развертки).

Конденсаторы различаются не только значением емкости и рабочим напряжением, но и активными потерями в диэлектрике, которые характеризуются тангенсом угла потерь tg. Эквивалентные схемы конденсатора без потерь (идеального конденсатора), с малыми и большими потерями представлены на рис. 10.7.

Рис. 10.7. Эквивалентные схемы конденсаторов без потерь (а), с малыми ( б ) и с большими потерями ( в ) Отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают множество разнообразных конденсаторов с малыми и большими потерями. Рассмотрим функциональную схему моста для измерения емкости конденсаторов с малыми потерями (рис. 10.8, а).

Рис. 10.8. Функциональные схемы мостов для измерения емкости конденсаторов с малыми (а) и с большими потерями (б) Условие равновесия моста в комплексном виде выражается (10.16) как Раскрыв скобки и приравняв отдельно вещественные и мнимые части, получим:

(10.17) откуда (10.18) (10.19) откуда (10.20) С помощью рассматриваемой схемы моста можно измерять tg. Электрическая цепь левого верхнего плеча моста показана на рис. 10.9, а.

Рис. 10.9. Электрическая цепь левого верхнего плеча моста (а) и векторная диаграмма тока и напряжений в плече (б) В векторной диаграмме (рис. 10.9, б) угол – фазовый сдвиг между током и напряжением в левом плече, угол — угол потерь в диэлектрике:

(10.21) Определим tg8 через известные (образцовые) параметры элементов цепи. Для этого перемножим уравнения, умножив левую и правую части на :

(10.22) Из выражения (4.12) следует, что при = const и С0 = const сопротивление образцовой цепи R0 можно градуировать непосредственно в значениях tg.

Рассмотрим функциональную схему моста для измерения емкости конденсаторов с большими потерями (см. рис. 10.8, б).

Условие равновесия моста в комплексном виде выражается формулой (10.23) откуда (10.24) (10.25) Тангенс угла потерь конденсатора находим по формуле:

(10.26) Условие равновесия моста зависит от частоты, поэтому мостовые схемы измерения предназначены для работы на одной (реже — на двух) фиксированной частоте.

Измерение индуктивности катушек выполняется мостом только переменного тока. Измерение возможно путем сравнения с индуктивностью L 0 образцовой катушки или с емкостью С 0 образцового конденсатора. Образцовые катушки переменной индуктивности изготовить трудно, и надежность их невысока, поэтому на практике используют схемы сравнения с образцовыми конденсаторами. Функциональная схема моста для измерения индуктивности катушки приведена на рис. 10.10.

Рис. 10.10. Функциональная схема моста для измерения индуктивности катушек Условие равновесия моста (10.27) где Rх – сопротивление потерь в измеряемой катушке;

(10.28) откуда (10.29) (10.30) откуда (10.31) С помощью рассматриваемого моста можно измерять также добротность Q катушек. Известно, что (10.32) Получим (10.33) Таким образом, мостовая схема для измерения параметров R, L, C, Q, tg применяется в так называемых универсальных мостах, представляющих собой сочетание мостов постоянного и переменного тока.

Источниками погрешности при измерении параметров элементов цепей мостовым методом являются неточность уравновешивания моста, нестабильность значения напряжения и частоты источника питания моста, погрешность значений образцовых элементов.

К достоинствам мостового метода относятся универсальность мостов при измерении параметров;

к недостотаткам — большая погрешность (до 3%) аналоговых мостов, невозможность измерения параметров на рабочих частотах, трудоемкость измерений. Меньшую погрешность (0,2%) и возможность автоматизации измерений обеспечивают цифровые мосты.

10.4. Метод дискретного счета Цифровые измерители (как и аналоговые) широко используются при определении линейных параметров электрических цепей. Наряду с этим при регулировании и ремонте электронной аппаратуры возникает необходимость измерения параметров пассивных элементов.

Преобразования линейных параметров выполняются одним из двух основных способов: прямым или уравновешивающим. Приборы для преобразования также подразделяются на приборы прямого и уравновешивающего преобразования.

Прибор прямого преобразования сочетает в себе аналоговый преобразователь какого-либо параметра элемента цепи в активное значение и цифрового прибора для его последующего измерения.

Цифровые измерители параметров цепей классифицируются в зависимости от вида промежуточного преобразования — другого способа реализации метода дискретного счета при измерении параметров пассивных элементов цепи. Этот способ состоит в предварительном преобразовании значений этих параметров в частоту (период) гармо нического сигнала. Исследуемый элемент цепи включают в частотно- зависимую цепь, задающую частоту колебаний генератора.

Приборы уравновешивающего преобразования — это цифровые мосты постоянного (для измерения R) и переменного (для измерения L, С, R) тока.

Преобразование этих параметров в напряжение — один из самых простых методов.

Исследуемый элемент включают в измерительную цепь, которая подключается к источнику образцового тока или напряжения.

В практике измерений пассивных элементов получили распространение способы развертывающего преобразования, основанные на формировании определенной развертывающей функции, математическая зависимость которой содержит в себе измеряемый параметр. При этом фиксируются моменты времени, в которые функция достигает предварительно заданных значений. Измеренный временной интервал оказы вается функционально связанным с преобразуемым параметром. Такое преобразование отличается высокой точностью, скоростью, линейностью функции преобразования, удобным для дальнейшего преобразования в цифровой код видом выходного сигнала (частота, период или временной интервал t). Этот способ обычно используется в сочетании с предварительным преобразованием параметров R, L, С в напряжение, и тогда развертывающая функция также представляет собой напряжение.

На рисунке 10.11, а представлена принципиальная схема простейшего преобразователя параметров R,L,С в период сигнала меандр.

Рис. 10.11. Принципиальная схема простейшего преобразователя параметров R, L и С (а) и временные диаграммы его работы в период сигнала меандр (б)  Измерительная цепь (ИЦ) с постоянной времени: x= CxR0 (C0Rx или L0Rx) запитывается выходным напряжением операционного усилителя (на микросхеме — DA), который выполняет функцию сравнивающего устройства (компаратора). Порог срабатывания задается резистивным делителем R1 и R2, обеспечивающим коэффициент передачи цепи положительной обратной связи (ПОС). На рис. 10.11, б представлены временные диаграммы работы описанного преобразователя параметров.

В момент времени t 0 происходит интегрирование напряжения U 0 измерительной цепью. На инвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) подается развертывающая функция. В момент времени t 1 при.достижении этой функцией порогового значения +U00 компаратор срабатывает, изменяя на выходе ОУ знак напряжения U0 на противоположный, что соответствует интервалу времени интегрирования tи1.

На следующем интервале времени t и 2 =t2-t1 происходит формирование развертывающей функции с противоположным знаком. Очевидно, что при равенстве положительного и отрицательного порогов срабатывания (10.34) интервалы времени tи1 и t и 2 равны.

При этом период сигнала меандр на выходе ОУ составляет и измеряется цифровым измерителем интервалов.

Результат измерения периода сигнала Tx пропорционален значению определяемого параметра Rx (Cx или Lx).

Такие цифровые приборы получили распространение при измерении параметров пассивных элементов цепей с погрешностью измерения (0,005...0,1%).

Рассмотрим метод уравновешивающего преобразования измеряемых параметров. Сравнение измеряемой величины с образцовой производится путем уравновешивания мостовой измерительной цепи, в одно из плеч которой включен исследуемый элемент. В смежное плечо моста подключают образцовый элемент, представляющий собой набор квантованных образцовых элементов, соответствующих весовым коэффициентам разрядов используемого цифрового кода. Варьируя параметрами образцового элемента, добиваются нулевого напряжения в измерительной диагонали. Уравновешивание моста может быть как следящим, так и развертывающим.

Такие приборы имеют широкий динамический диапазон и малую погрешность измерения. Вместе с тем из-за использования контактных ключей для формирования с высокой точностью параметров образцового элемента эти приборы имеют низкую скорость измерения.

Функциональная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа для измерения активного сопротивления резистора приведена на рис. 10.12.

Рис. 10.12. Функциональная схема цифрового моста постоянного тока Измеряемый резистор сопротивлением Rx образцовые резисторы R1, R2 и преобразователь кода в сопротивление образуют мост, который подключен к источнику напряжения постоянного тока. Разбаланс моста фиксируется компаратором. Устройство управления анализирует выходной сигнал компаратора и в зависимости от его знака увеличивает или уменьшает цифровой код N, выдаваемый на преобразователь кода.

Уравновешивание производится до тех пор, пока напряжение в выходной диагонали моста не станет меньше порога чувствительности компаратора. Измеряемое сопротивление выражается формулой (10.35) где пк — коэффициент преобразования (пк = Rпк/N);

Rпк — сопротивление преобразователя кода.

Как следует из формулы, результат измерения, отображаемый цифровым индикатором, не зависит от значения напряжения источника питания моста. Путем изменения отношения сопротивлений резисторов R1, R2 цепи положительной обратной связи расширяют диапазон измерения. Погрешность измерения зависит от стабильности величины сопротивления образцовых резисторов Rl, R2 и от точности преобразователя кода.

Цифровые мосты постоянного тока имеют погрешность измерения ~ 0,01% и применяются для точного измерения сопротивления резисторов.

Для измерения комплексного сопротивления, индуктивности катушек и емкости конденсаторов на фиксированной частоте применяются мосты переменного тока, выполняющие уравновешивание по двум параметрам.

На рис. 10.13 представлена функциональная схема цифрового моста переменного тока, которым измеряют параметры R, L, С. Процесс измерения основан на определении временного интервала, равного постоянной цепи разряда конденсатора емкостью Сx через резистор с сопротивлением R3, причем одна из величин является измеряемой, а другая образцовой. При рассмотрении его работы будем считать, что измеряемой является емкость конденсатора Сx.

Рис. 10.13. Функциональная схема цифрового моста переменного тока При установке тумблера SA в положение 1 конденсатор Сx заряжается до напряжения Е стабилизированного источника питания. В момент измерения тумблер SА переводится в положение 2 и конденсатор разряжается через образцовый резистор R3 по экспоненциальному закону:

(10.36) где e=const;

- постоянная времени цепи разряда = CxR3.

Одновременно специальный управляющий импульс открывает электронный ключ и на счетчик импульсов начинают поступать импульсы от образцового генератора импульсов с частотой f0, для этого используется кварцевый генератор в сочетании со схемой формирования.

Напряжение UR3 подается на один вход компаратора, а на другой вход подается напряжение с образцового делителя R1, R2. Значения сопротивлений этих резисторов выбирают так, чтобы соблюдалось соотношение (10.37) где Тогда напряжение, снимаемое с делителя, будет составлять (10.38) Через интервал времени 0= CxR3, напряжение на конденсаторе уменьшится в е раз, следовательно, станет равным напряжению UR2. В момент равенства двух подведенных напряжений компаратор вырабатывает короткий импульс, запирающий электронный ключ. Счет импульсов прекращается.

Очевидно, что подсчитанное число импульсов в определенном масштабе соответствует постоянной времени 0:

(10.39) откуда (10.40) где n — число подсчитанных импульсов;

f0 — частота следования импульсов.

При заданном значении f0 можно подобрать значение R3 так, чтобы цифровой индикатор был градуирован непосредственно в единицах емкости.

Расширение пределов измерения достигается изменением значения R3.

Измерение Rx отличается от Сx измерения только тем, что образцовый резистор заменяется образцовым конденсатором.

Погрешность таких мостов определяется нестабильностью частоты кварцевого генератора (обычно не хуже ), нестабильностью образцового элемента и ошибкой дискретности (в единице младшего разряда).

Существенным недостатком цифровых мостов является возможность измерения только на рабочей частоте.

10.5. Резонансный метод Резонансный метод является высокочастотным и основан на использовании электрического резонанса в колебательной системе. На низких частотах колебательные системы с достаточно высокой добротностью создать трудно, поэтому невозможна точная фиксация момента настройки контура в резонанс. Кроме того, габариты колебательной системы на низких частотах непомерно увеличиваются.

Резонансный метод положен в основу работы куметров (Q — характеристика добротности катушек индуктивности, контуров, конденсаторов). Функциональная схема куметра представлена на рис. 10.14.

Рис. 10.14. Функциональная схема куметра Прибор состоит из ГВЧ, измерительного контура LС, индикатора резонанса V2 и вольтметра VI, контролирующего величину входного напряжения. Генератор и индикатор V2 слабо связаны с измерительным контуром, чтобы вносимые ими сопротивления не влияли на параметры контура. Для этого генератор и индикатор V соединяются с контуром через емкостные делители напряжения С1, С2. В качестве индикатора резонанса используется электронный вольтметр типа Д—У или электромеханический индикатор выпрямительной системы.

Методика измерения заключается в определении резонансной частоты измерительного контура, состоящего из измеряемого элемента (катушки индуктивности Lx) и образцового элемента (конденсатора С0). Значение Lx (или Сx) вычисляется по формуле Томпсона:

(10.41) При измерении индуктивности катушки ее подключают к зажимам 1—2. При этом измерительный контур образован катушкой Lx с активными потерями RL межвитковой емкостью ее проводов CL и перестраиваемой образцовой емкостью C0. Резонанс в контуре на заданной частоте достигается изменением емкости C0 образцового конденсатора. Момент резонанса контура определяется по индикатору V2. Значение определяется косвенно по расчетной формуле:

(10.42) При постоянстве входного напряжения вольтметр V2 можно градуировать в единицах добротности. Следовательно, этот метод является С помощью приведенной схемы куметра можно определять параметры C, Q, tg и R, подключая измеряемый конденсатор или резистор к зажимам 3—4:

(10.43) При измерении Сx контур составляется из образцовой катушки L0 и измерительного конденсатора Сx.

Измерение добротности Q можно выполнять методом вольтметров или методом расстройки частоты.

Метод вольтметров состоит в следующем. В контур вводится напряжение U известного значения. В момент резонанса измеряется напряжение U2 на контуре.

Поскольку U2 больше U1 в Q раз, то (10.44) при При постоянстве входного напряжения вольтметр V2 можно градуировать в единицах добротности. Следовательно, этот метод является прямым. Диапазон измерения регулируется изменением подводимого к контуру напряжения U1.

Метод расстройки частоты (косвенный) состоит в следующем. Контур настраивают в резонанс на частоту f0 (рис. 10.15), при этом фиксируется максимальное показание индикатора резонанса по V2. Затем контур расстраивают до частот f1 и f2 от резонансной до значения 0,7Qmax, тогда (10.45) Рис. 10.15. Резонансная кривая при измерении добротности методом расстройки частоты К достоинствам куметров относится необходимость проведения измерений на рабочих частотах и измерения большого количества параметров;

к недостаткам — трудоемкость измерений, большая погрешность измерения (1...5%), причинами которой являются нестабильность напряжения и частоты ГВЧ, неточность градуировки шкалы образцового конденсатора С0, погрешность приборов VI и V2, погрешность считывания показаний.

10.6. Измерение параметров полупроводниковых диодов транзисторов, транзисторов и интегральных микросхем.

Современные сложные электронные устройства различного назначения характеризуются высокой надежностью и малыми габаритными размерами благодаря применению в них диодов, транзисторов и интегральных микросхем (ИМС), выполняющих вполне конкретные функции.

Входящие в состав ИМС диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы оказывают влияние на свойства микросхем и при недостаточности информации об их параметрах, особенностях эксплуатации, схемах включения не обеспечивают наилучшие режимы работы электронного устройства в целом. Разброс параметров и характеристик полупроводниковых приборов и ИМС одного и того же типа, чувствительность к перегрузкам, влияние изменения температуры приводят к необходимости перед установкой в электронную схему проводить их испытание.

Полупроводниковые приборы классифицируются по функциональному назначению, мощности и граничной частоте применимости.

Измерение параметров полупроводниковых диодов. Промышленность выпускает плоскостные и точечные полупроводниковые диоды, отличающиеся конструкцией, технологией изготовления и значением характеризующих их параметров.

Измерение параметров диодов принципиально отличается от рассмотренных ранее измерений аналогичных параметров, что объясняется зависимостью свойств полупроводниковых приборов от внешних условий (главным образом, от температуры) и нелинейностью вольт- амперных характеристик полупроводниковых приборов.

В соответствии с первой причиной следует учитывать разогрев р-п - перехода проходящим током во время измерения, что требует обеспечения отвода тепла исследуемого диода (теплоотвод) и ограничения времени измерения.

Вторая причина обязывает выполнять измерения при определенных значениях напряжения и силы тока.

Параметры полупроводниковых диодов определяются свойствами р-п-перехода.

Сила тока, протекающего через диод, зависит от знака и значения приложенного напряжения. Эта зависимость наглядно представляется вольт-амперной характеристикой, где по оси ординат откладывают значение силы тока диода, а по оси абсцисс — приложенное напряжение. Поскольку прямой ток обычно превышает обратный в тысячи раз, то ВАХ диодов строят в разных масштабах: прямой ток откладывают в миллиамперах, обратный — в микроамперах. Масштаб обратного напряжения выбирают более крупным, чем масштаб прямого напряжения.

ВАХ полупроводникового диода представлена на рис. 10.16, а, где хорошо видно, что при большом обратном напряжении резко возрастает обратный ток. Это явление сопровождается тепловым необратимым пробоем диода и выходом его из строя. На ВАХ имеются области с различным дифференциальным сопротивлением поэтому необходимая точность определения параметров может быть достигнута при соблюдении некоторых условий измерения. При измерении параметров на прямой ветви ВАХ (рис.

10.16, б) следует задавать постоянный ток Iпр и измерять падение прямого напряжения Uпр. Это условие означает, что внутреннее сопротивление источника питания должно быть много больше сопротивления диода, чтобы изменение напряжения на диоде (VD) не вызывало изменений тока, выходящих за пределы заданной погрешности измерений, т.е.

источник питания должен быть источником тока по отношению к диоду. Условие необхо димо выполнять на всех участках ВАХ (при измерении напряжения), где дифференциальное сопротивление мало.

Стабилизированный источник питания постоянного тока обеспечивает дискретные значения прямого тока в диапазоне изменения прямого напряжения для испытуемого диода. Измерение выполняет высокоомный вольтметр постоянного тока;

контроль дискретных значений тока обеспечивается миллиамперметром магнитоэлектрической системы.

Рис. 10.16. ВАХ диода (а), схема измерения на прямой (б) и обратной (в) ветвях При измерении параметров диода на обратной ветви ВАХ (рис. 10.16, в) необходимо задаваться силой обратного тока Iобр и измерять обратное напряжение Uобр.

При этом источник питания Е, которым задается режим измерения, должен иметь малое внутреннее сопротивление — в противном случае незначительные изменения обратного тока вызовут большую погрешность при измерении обратного напряжения.

Со стабилизированного источника на диод VD подаются заданные значения обратного напряжения, которые контролируются вольтметром магнитоэлектрической системы. Сила обратного тока диода измеряется микроамперметром постоянного тока.

Таким образом, в справочнике на диоды в качестве электрических характеристик указываются координаты точек характеристики на прямой и обратной ветвях.

Прямую ветвь характеризуют следующие параметры: Uпр — прямое падение напряжения на диоде при заданной силе постоянного прямого тока Iпр;

Rдиф— дифференциальное сопротивление.

Обратную ветвь характеризуют следующие параметры: Uобр — постоянное обратное напряжение на диоде при заданной силе постоянного обратного тока, протекающего через диод;

Iобр— сила постоянного обратного тока, протекающего через диод при подаче на него постоянного обратного напряжения Uобр, Uобрmax— наибольшее допустимое обратное напряжение (предельное напряжение).

Эффективность выпрямления определяют расчетом коэффициента выпрямления по результатам измерений:

(10.46) Исследование ВАХ диодов по точкам оказывается трудоемким и не всегда целесообразным. Поэтому на практике требуемые параметры измеряют в определенных точках. Например, Uпр, Iпр, Iобр измеряют с помощью специальных измерителей параметров диодов.

Для оценки частотных свойств диода снимают частотные характеристики (рис.

10.17) Iвыпр(f).

Рис. 10.17. Схема измерения частотной характеристики диода Основным параметром, определяющим частотные свойства диода, является граничная рабочая частота fгр, при которой сила выпрямленного тока уменьшается на 30% относительно номинального значения, измеренного на низкой частоте.

Для определения граничной рабочей частоты исследуемый диод VD включается в схему однополупериодного выпрямителя с активно- емкостной нагрузкой. На вход схемы подается переменное напряжение неизменной амплитуды различной частоты, контролируемое на выходе генератора вольтметром. Резистор R1 обеспечивает согласова ние сопротивления генератора PI сопротивления нагрузки. Сила контролируемого выпрямленного тока измеряется миллиамперметром.

На высоких частотах (более 100 кГц) должны быть приняты меры для уменьшения погрешности, вносимой паразитными индуктивностями.

Значение емкости С конденсатора выбирается таким, чтобы емкостное сопротивление при минимальной частоте подводимого напряжения было значительно меньше сопротивления резистора R1.

Проходная емкость диода ограничивает применение полупроводниковых диодов на высоких частотах.

Емкость p-n-перехода диода измеряют при определенном напряжении смещения, так как она существенно зависит от этого напряжения (рис. 10.18).

Погрешность измерения емкости зависит от точности задания рабочей точки, в которой измеряется емкость, и точности измерения напряжения.

Все рассмотренные измерения выполняют при температуре окружающей среды, если это не оговорено особо.

Рис. 10.18. Зависимость емкости р-n-перехода от напряжения смещения Изменение температуры заметно влияет на все основные параметры диода. С повышением температуры уменьшается прямое и обратное сопротивление, увеличивается проходная емкость диода из-за уменьшения контактной разности потенциалов, что приводит к некоторому ухудшению частотных свойств диода. С повышением температуры особенно резко меняется обратное сопротивление, что является основным фактором, определяющим температурный предел работы диодов, а дальнейшее повышение температуры приводит к необратимому изменению его параметров.

Исследуемый диод помещают в термостат, поддерживая заданную температуру (для германиевых — не выше 70 °С, для кремниевых — не выше 125 °С). На основании анализа полученных результатов определяют максимально и минимально допустимые температуры для диода конкретного типа.

У выпрямительных диодов измеряют все указанные параметры, для которых необходимо знать предельно допустимые эксплуатационные режимы, при которых диод должен работать с заданной надежностью в течение установленного срока.

Предельно допустимые режимы выпрямительных диодов характеризуются максимальной силой прямого тока Iпрmax и обратного напряжения Uобрmax, максимально допустимой мощностью Pmax, рассеиваемой на диоде, диапазоном температур окружающей среды.

Измерение силы прямого тока и обратного напряжения описано ранее, а значение рассеиваемой на диоде мощности определяется как сумма мощностей при протекании прямого и обратного токов:

(10.47) Из-за малости обратного тока значением Pобр обычно пренебрегают и тогда (10.48) У высокочастотных диодов измеряют практически все те же параметры, которые рассматривались ранее. Однако СВЧ-диоды из-за чувствительности к тепловым и электрическим воздействиям должны храниться в экранирующей защитной оболочке, и в процессе измерения параметров диод должен быть защищен от воздействия электро магнитного поля.

У импульсных диодов наряду с параметрами ВАХ измеряют специальные параметры (характеризующие инерционность диодов): время восстановления обратного сопротивления, заряд переключения, максимальное импульсное прямое падение напряжения.

У детекторных диодов измеряют чувствительность по току, сопротивление в рабочей точке, коэффициент стоячей волны, шумовое отношение.

У смесительных диодов измеряемыми параметрами являются потери преобразования, выходное сопротивление, коэффициент стоячей волны, шумовое отношение, нормированный коэффициент шума.

У параметрических и умножительных диодов с управляемой емкостью наряду с емкостью диода, силой обратного тока и предельно допустимым напряжением измеряют добротность диода на заданной частоте и собственную индуктивность диода.

У стабилитронов (стабисторов) измеряют напряжение стабилизации.

Измерение параметров биполярных и униполярных транзисторов. Поведение транзисторов в электронных устройствах определяется их свойствами, которые можно представить различными системами характеристик и параметров.

Расчет транзисторных схем возможен, если известны определенные параметры, наиболее полно характеризующие транзистор как элемент электрической цепи. К таким параметрам предъявляют следующие требования: удобство расчета схем на транзисторах, возможность измерения в широком диапазоне частот с заданной погрешностью, простота методики измерения.

Широко распространена методика представления транзистора в виде четырехполюсника, который описывается несколькими системами уравнений. В настоящее время в практике измерений широко распространена так называемая система h-параметров транзистора. Она реализуется в том случае, если при снятии семейства статических характеристик транзистора рассматривать входное напряжение и силу выходного тока как функции выходного напряжения и силу входного тока.

Применительно к схеме включения биполярного транзистора с общей базой, которую чаще используют для этого семейства характеристик, можно записать:

(10.49) где Iэ— ток эмиттера;

h11— входное сопротивление;

h12 — коэффициент обратной связи;

h21— статический коэффициент передачи тока;

h22 — выходная проводимость.

Учитывая, что h параметры имеют разную размерность, полученную систему часто называют системой смешанных параметров. Измерение смешанных параметров является основным и характеризует свойства конкретного транзистора в одной рабочей точке.

Свойства транзистора во всем диапазоне изменения напряжений и токов, возможных для данного прибора, отображаются семейством статических ВАХ, дающих представление о поведении транзистора при различных сочетаниях токов и напряжений.

На основании построенного семейства характеристик можно определить основные параметры транзистора в любой рабочей точке.

Снятие ВАХ по точкам обеспечивает сравнительно малую погрешность измерений (5...10%), но является весьма трудоемким процессом. Кроме того, длительное нахождение транзистора под током приводит к его нагреву и неизбежному изменению параметров в ходе измерения.

Указанные недостатки отсутствуют у характериографов, позволяющих в короткое время получить ВАХ и оценить транзистор при практически неизменной температуре p-n перехода, что исключает погрешности, обусловленные изменением параметров транзистора.

Недостатками получения ВАХ с помощью характериографов (по сравнению со снятием ВАХ по точкам) являются сложность применяемой аппаратуры и сравнительно большая погрешность измерений (15...20%). Однако в подавляющем большинстве случаев эта погрешность допустима.

Наилучшие результаты при измерении параметров транзисторов дают специальные испытатели (Л2 по каталоговой классификации отечественных измерительных приборов), позволяющие быстро и с малой погрешностью измерить основные параметры транзистора:

В h21, h22, Iсэ0 отличие от биполярного транзистора униполярный (полевой) транзистор управляется не током, а напряжением. Его особенностью является высокое входное сопротивление, которое в зависимости от тока транзистора колеблется в пределах 6... 15 Ом.

Основой полевого транзистора является пластина полупроводника р-типа, ограниченная на концах металлическими контактами. С двух противоположных сторон в эту пластину введены примеси -типа, соединенные между собой и образующие один электрод — затвор. Два других электрода образуют металлические контакты — исток и сток.

Если накоротко соединить затвор с истоком, подключив к истоку «+» источника питания, а к стоку «-», то по цепи потечет ток Ic. При увеличении напряжения Uc, приложенного к стоку, увеличивается сила тока Ic. При достижении напряжения определенного значения (напряжения насыщения) ток стока Ic достигает значения Icнас (максимальный ток стока, или ток насыщения) и перестает увеличиваться. Если к затвору подключить «+», а к истоку «-» источника смещения Uз, то насыщение будет происходить при меньшем значении Uc. Частотные свойства полевых транзисторов определяются главным образом межэлектродными емкостями транзистора.

Измерение параметров полевых транзисторов быстро и качественно с допустимой погрешностью выполняют специальными испытателями (группа Л2), позволяющими измерять ток утечки Iут, ток стока Iст, напряжение затвора Uз, входную, выходную и проходную емкости (Свх, Свых, Спрох) и некоторые другие параметры с погрешностью 5...

15%.

Измерение параметров интегральных микросхем. Классификация интегральных микросхем. В зависимости от технологии изготовления ИМС делятся на полупроводниковые и пленочные. Сочетание технологий позволяет реализовать еще одну группу — гибридные.

Полупроводниковые ИМС характеризуются повышенным количеством элементов и защищены от влияния внешней среды. Пленочные ИМС — схемы с пассивными элементами. В гибридных ИМС пленочными являются пассивные элементы и соединения, а активные элементы — бескорпусные диоды и транзисторы, выполненные на отдельных полупроводниковых кристаллах.

Сложность ИМС определяется количеством содержащихся в ней элементов и компонентов — степенью интеграции.

По степени интеграции различают следующие ИМС:

1. маломасштабные (МИС) — 20—40 элементов;

2. среднемасштабные (СИС) — 50—150 элементов;

3. большие (БИС) — 150—900 элементов;

4. сверхбольшие (СБИС) — более 1000 элементов.

Благодаря развитию технологии униполярных МОП - или МДП - транзисторов существенно повышена степень интеграции микросхем.

Относительная простота технологии изготовления, малая потребляемая мощность, невысокая стоимость, а также ряд ценных схемотехнических средств позволяют на основе ИМС создавать устройства различной сложности и степени ответственности — от микропроцессоров до сложнейших приборов, работающих в космосе.

ИМС различаются по двум признакам: по конструкции корпуса и рас положению выводов (с планарными выводами — DIP, PDIP;

со штырьковыми выводами — ) и по функциональному назначению (аналоговые, или линейные — АИМС;

цифровые — ЦИМС).

АИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции, и используются в усилителях сигналов низких и высоких частот, в генераторах, смесителях, детекторах, т.е. в устройствах, где активные элементы работают в линейном режиме.

ЦИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. Активные элементы ЦИМС работают в ключевом режиме. ЦИМС используются в ЭВМ, в устройствах дискретной обработки информации, системах автоматики. Одним из видов ЦИМС являются логические элементы, которые предназначены для выполнения логических операций над переменными и способны принимать только два уровня напряжения — логический «О» и логическую «1». Логическому «0» соответствует низкий уровень напряжения, а логической «1» — высокий.

Несколько простейших логических функций можно реализовать с помощью основных логических элементов:

1. логическое сложение (дизъюнкция, или операция ИЛИ) заключается в том, что функция принимает значение, равное «1», если хотя бы на одном входе присутствует «1»;

2. логическое умножение (конъюнкция, или операция И) заключается в том, что функция принимает значение, равное «1», если на всех входах одновременно присутствует «1»;

3. логическое отрицание (инверсия, или операция НЕ) заключается в получении переменной, противоположной данной.

На рисунке 10.19 приведены условное графическое обозначение (УГО) элементов И, ИЛИ, НЕ и таблицы истинности. В таблице истинности «1» означает наличие сигнала на входах и выходе, а «0» — его отсутствие.

Рис.10.19. Условные графические изображения и таблицы истинности для логических элементов И (а), ИЛИ (б) и НЕ (в) Помимо функциональных элементов одноступенчатой логики существуют элементы двухступенчатой и трехступенчатой логики. Измерение параметров и проверка кондиционности АИМС. Из множества АИМС широко применяются дифференциальные и операционные усилители (ОУ), а также видеоусилители и другие широкополосные усилители. ОУ представляют собой усилитель постоянного тока (УПТ) с двумя входами (прямым и инвертируемым) и одним выходом. Вводя в такой усилитель разнообразные обратные связи, можно получить электронное устройство реализующее различные функции преобразования сигнала. Типичной является подача на оба входа ОУ парафазного (дифференциального) сигнала. Эти два воздействия могут быть различными, вплоть до того, что один из входов (инвертирующий или неинвертирующий) может быть заземлен.

ОУ являются многокаскадными усилителями, в которых первый каскад — дифференциальный;

выходной каскад строится так, чтобы обеспечить достаточно большой динамический диапазон;

промежуточные каскады обеспечивают дополнительное усиление и сдвиг уровня. Сдвиг уровня необходим для того, чтобы при отсутствии сигналов на входах напряжение на выходе равнялось нулю.

Отклонение значения Uвых от нуля при отсутствии сигналов на входах должно быть минимальным (доли милливольта).

Другими важными характеристиками ОУ являются следующие:

1. большое входное сопротивление (в десятки — сотни килоом), обеспечиваемое входным дифференциальным каскадом;

2. малое выходное сопротивление (сотни ом);

3. большой коэффициент усиления по напряжению (десятки — сотни тысяч);

4. малая потребляемая мощность (десятки милливатт);

5. большая полоса пропускания ОУ (десятки тысяч килогерц и более);

6. слабое влияние температуры.

ОУ имеют большое количество параметров, измеряемых специальными испытателями (группа Л2), с помощью которых измеряются качественные параметры линейных ИМС: Uсм — напряжение смещения, Iвх12— входные токи, U - коэффициент усиления по напряжению,Uвых — напряжение на выходе, Iпотр — потребляемый ток.

Измеренные параметры сравнивают со справочными и делают вывод о годности и кондиционности АИМС. Годной и кондиционной считается микросхема, измеренные параметры которой полностью соответствуют справочным;

годной и некондиционной (ограниченно годной) — микросхема, измеренные параметры которой не соответствуют справочным;

негодной — микросхема, параметры которой U или Uвых равны нулю.

Измерение параметров и проверка работоспособности ЦИМС.

Испытания ЦИМС проводятся одним из трех основных методов: статическим, динамическим, тестовым (функциональным).

Статические испытания выполняются на постоянном токе путем измерения статических параметров ЦИМС.

Динамические (импульсные) испытания выполняются в импульсных режимах путем измерения динамических параметров.

Тестовые (функциональные, или стендовые) испытания обеспечивают моделирование рабочих режимов, которое позволяет имитировать реальные рабочие режимы. Работоспособность ЦИМС определяется в рабочих условиях. Тестовые испытания реализуются с помощью промышленных испытателей (группа Л2), характерными особенностями таких испытателей являются проверка логических элементов одно-, двух- и трехступенчатой логики;

необходимость составления для каждой конкретной логической ЦИМС индивидуальной программы испытаний — таблицы истинности, основываясь на законах алгебры логики.

Такой испытатель не позволяет проверять триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы и микропроцессоры.

Для проведения тестовых испытаний необходимо выполнить подготовительную работу, выписав из справочной литературы следующую информацию:

- тип корпуса ИМС с указанием номера 1-го вывода для правильного последующего подключения микросхемы к адаптеру;

- номера выводов, на которые необходимо подать напряжение питания микросхемы;

- значение напряжения питания;

- номер вывода заземления;

- значения напряжений, соответствующих уровням логической «1» и логического «0»

(и );

- номера выводов, соответствующих входам и выходам ИМС;


- структурную схему ЦИМС.

На основании справочных сведений по двум последним пунктам составляют программу испытаний (таблицу истинности с дополнительной графой для записи результатов измерения напряжения).

К каждому выходу ЦИМС последовательно подключают электронный вольтметр, которым измеряется выходное напряжение логического элемента при разных комбинациях сигналов на входе микросхемы (в соответствии с составленной программой испытаний).

Сравнение ожидаемого значения напряжения с измеренным значением позволяет сделать вывод о работоспособности ЦИМС.

Испытатели ЦИМС, работа которых основана на тестовой проверке, позволяют проверить общую работоспособность микросхемы и требуют продолжительного времени при подготовке и собственно испытаний.

Логические анализаторы. Широкое использование в современной электронной аппаратуре логических ИМС привело к созданию особых (специальных) измерительных приборов — логических анализаторов (по квалификационной классификации — ЛА), которые, в отличие от осциллографа, позволяют просматривать одновременно несколько десятков сигналов, т.е. логический анализатор является эквивалентом осциллографа, специально приспособленного для проверки ЦИМС.

В логических анализаторах не требуется измерять напряжение контролируемых сигналов: при работе с логическими ИМС достаточно знать в каком состоянии находится конкретный узел (в состоянии логической «1» или логического «0»).

В отличие от осциллографа, показывающего значение напряжения в зависимости от времени, логический анализатор показывает логическое состояние в зависимости от количества прошедших тактовых импульсов. В результате анализаторы проверяют работу логических узлов в режиме реального времени, воспринимая двоичные сигналы и представляя их в форме, удобной для оператора.

Логические анализаторы применяются при разработке, производстве, эксплуатации и ремонте электронной аппаратуры, при отладке средств математического обеспечения приборов и больших информационно-измерительных систем.

Работа логических анализаторов заключается в том, что изменение логических состояний в контрольных точках, переход из одного логического состояния в другое при воздействии внешних сигналов записываются во внутреннюю память анализатора для последующего воспроизведения на экране индикатора в удобной для оператора форме.

Наличие в анализаторе внутренней памяти позволяет отслеживать периодические и однократные логические процессы. В зависимости oт наличия внутреннего генератора и вида индикации различают анализаторы логических состояний (АЛС) и анализаторы временных диаграмм (АВД).

АЛС используются для записи во внутреннюю память сигнала, внешнего по отношению к прибору. В качестве такого сигнала чаще используются стимулирующие сигналы, изменяющие логические состояния проверяемых микросхем. В АВД предусмотрено наличие внутреннего тактового генератора, который используется для записи логического состояния в данной точке во внутреннюю память прибора. На рис.

10.20 приведены структурные схемы анализаторов двух видов.

Рис. 10.20. Структурные схемы АЛС (а) и АВД (б) С помощью анализатора сведения о логическом состоянии испытуемого узла на рабочей частоте заносятся во внутреннюю память, преобразуясь в удобный для индикации вид, и отображаются на индикаторе в виде квазивременнбй диаграммы (для АВД) либо в виде таблицы истинности (для АЛС).

В первом случае данные заносятся в память синхронно с изменением логического состояния испытуемого узла, а во втором случае — асинхронно. Поэтому АВД часто называют синхронными анализаторами, а АЛС — асинхронными. На рис. 10.21 приведен пример информации, отображаемой на индикаторе.

Рис.10.21. Таблица истинности для АЛС (а) и квазивременная диаграмма для АВД (б) Чтобы не потерять информацию в АВД, следует ввести запись в намять с частотой, в несколько раз превышающей рабочую частоту испытуемого узла. Следовательно, тактовая частота АВД всегда должна быть больше тактовой частоты АЛС. Кроме того, для полного воспроизведения программы изменения логических состояний внутренняя память должна быть заметно больше, чем у АЛС. Например, у наиболее известных моделей АЛС объем памяти составляет 64 бита на канал, а у АВД — 2048 бит на канал.

На начальной стадии проектирования и при отладке аппаратных средств чаще всего используют АВД, которые позволяют оценить относительные задержки между каналами. Благодаря большому объему памяти и специальной схеме детектирования коротких импульсов с помощью АВД можно обнаружить короткие паразитные импульсы, существующие между тактовыми импульсами.

АВД удобен при работе с асинхронными устройствами, например для контроля синхронизации канала общего пользования (КОП).

На завершающей стадии проектирования аппаратной части и при отладке средств математического обеспечения приборов используют АЛС, на индикаторе которого отображается фрагмент программы в двоичном коде. Многие АЛС позволяют отображать информацию не только в двоичном коде, но и в восьмеричном и даже в шестнадцатеричном коде. Ряд АЛС имеют в своем составе дополнительные блоки преобразования информации, что дает возможность видеть на экране индикатора таблицу команд (листинг программы) на языке программирования высокого уровня.

Наряду с рассмотренными анализаторами выпускают специализированные, используемые для решения более узкого круга задач. Например, анализатор ЛА8М позволяет только контролировать прохождение сигнала но КОП. Также имеются анализаторы, позволяющие контролировать прохождение информации по шинам ми кропроцессоров конкретного типа.

Характеристиками логических анализаторов являются многоканальность, быстродействие и способ запуска.

Многоканальность - это количество каналов, ограничиваемое объемом внутренней памяти и габаритами индикатора. Современные анализаторы имеют оч двух до era и более каналов. Использование многоканальных анализаторов удобно при регулировании и ремонте печатных плат с комбинационной и последовательной логикой, к которым относятся регистры, счетчики, сумматоры. Многоканальность анализаторов необходима при проверке плат памяти, разнообразных интерфейсных плат и микропроцессорных устройств, где только адресная шина (ША) занимает 16 и более каналов. Например, для 8 разрядного микропроцессора, имеющего 16-разрядную ША, 8-разрядную шину данных (ШД) и ряд других линий, потребуется не менее чем 32-канальный анализатор.

Быстродействие позволяет избежать потерь информации: испытание устройства будет корректным только в том случае, если оно проводится на рабочей частоте.

Следовательно, чем выше быстродействие анализатора, тем лучше. Быстродействие подавляющего большинства АЛ С составляет (10...20) МГц и выше, что достаточно для современных микропроцессоров. Быстродействие современных АВД достигает 600 МГц с тенденцией дальнейшего роста.

Выбирая АВД по быстродействию, необходимо учитывать тот факт, что все анализаторы имеют возможность генерировать узкие паразитные выбросы, существующие между тактовыми импульсами. Чем выше рабочая частота анализатора, тем более узкие импульсы он способен захватывать. Например, анализатор с частотой МГц способен различать паразитные импульсы длительностью 3...5 нс, а анализатор с частотой 50 МГц — длительностью 5... 10 нс.

Способ запуска — третья характеристика логических анализаторов. Самым простым способом запуска, который использовался в первых анализаторах, является комбинационный запуск (по параллельному коду слова), который позволяет просматривать периодические и непериодические сигналы одновременно по всем каналам. При правильном выборе запускающего слова анализатор дает стабильную картину так как запуск осуществляется всегда в одном и том же месте проходящей информации. Запускающее слово выбирается так, чтобы оно было единственным в длинной последовательности данных. В целях выявления момента запуска в анализаторах любого типа введен компаратор кодов, в котором сравнивается код приходящей ин формации и код, вводимый с передней панели. В момент совпадения кодов вырабатывается сигнал, запускающий анализатор. Ввод кода запускающего слова обеспечивается непосредственно с клавиатуры либо с помощью переключателей. Таблица истинности и временная диаграмма при вводе запускающего слова (комбинационный запуск) приведены на рис. 10.22.

При конструировании цифровых устройств, когда имеет место длинная последовательность логических сигналов, возникает необходимость просмотра окна данных, далеко отстоящего от запускающего слова. Такой просмотр обеспечивается цифровой задержкой, которая позволяет передвигать окна данных на необходимое количество тактовых импульсов. Таблица истинности и временная диаграмма при вводе запускающего слова (запуск с цифровой задержкой) приведены на рис. 10.23.

Рис. 10.22. Таблица истинности с временной диаграммой при вводе запускающего слова (комбинационный запуск) Рис. 10.23. Таблица истинности с временной диаграммой при вводе запускающею слона (запуск с цифровой задержкой) Цифровая задержка позволяет также при одном и том же запускающем слове исследовать программу по частям, определив с абсолютной точностью окно данных, которое необходимо для наблюдения. Значение цифровой задержки у анализаторов разных типов колеблется в пределах 104...106 импульсов. Существует связь между длиной запускающего слова и значением цифровой задержки: чем длиннее запускающее слово, тем короче цифровая задержка. Это объясняется тем, что в длинной последовательности данных всегда можно выбрать запускающее слово, отстоящее недалеко от необходимого окна данных.

Наряду с цифровой задержкой в анализаторах реализован режим отрицательной задержки, которая позволяет при пропускании информации через внутреннюю память, с поступлением запускающего слова остановить запись. При этом в памяти сохранится информация, предшествующая моменту запуска. Этот режим можно использовать при отыскании многих неисправностей, когда имеется сбой в одном и том же месте программы. Если в качестве запускающего слова использовать код сбоя, то появляется возможность проанализировать условия, которые этому сбою предшествовали.


При работе с микропроцессорными системами, в которых программа содержит циклы, запускающее слово может повторяться несколько раз. Во многих анализаторах введена возможность задержки запускающего слова на определенное количество слов. В случае необходимости просмотра - информации внутри цикла после программного п-то цикла используется ;

задержка запускающего слова. При этом запускающее слово выбирается внутри цикла и вводится задержка на п слов. Окно данных будет указывать информацию внутри цикла после прохождения п циклов программы.

На рис. 10.24 в условной форме приведены все рассмотренные режимы работы анализатора.

Обобщенная структурная схема анализаторов АЛС и АВД приведена на рис.

10.25. Тактовые импульсы могут быть внутренними и внешними. В зависимости от типа анализатора некоторые узлы структурной схемы могут отсутствовать.

Показанные на схеме узлы имеют следующее назначение:

- компараторы сортируют информацию на логический «0» и логическую «1»;

- память записывает информацию с помощью внешнего (АЛС) или внутреннего (АВД) тактового импульса;

- компаратор кодов сравнивает поступающую информацию с информацией, вводимой с передней панели. При приходе запускающего слова вырабатывается сигнал на устройство запуска;

- устройство запуска разрешает запись приходящей информации в память;

- счетчик цифровой задержки задерживает разрешение записи в память на заданное число тактовых импульсов;

- счетчик задержки запуска задерживает разрешение записи в память на заданное число запускающих слов;

- схема преобразования информации преобразует информацию, записанную в память, в удобную для восприятия форму;

- индикатор высвечивает информацию в виде таблицы истинности или временной диаграммы.

Рис. 10.24. Режимы работы анализатора: а — начало, после момента запуска;

б — конец, до момента запуска;

в — сдвиг, до и после момента запуска;

г — после задержки па п тактовых импульсов;

д — после прихода трех запускающих слов;

е — после прихода двух запускающих слов и задержки на п тактовых импульсов Рис. 10.25. Обобщенная структурная схема анализаторов АЛС и АВД Литература: [1], c. 107-125;

[2], с. 179-197.

Тема 11. Влияние измерительных приборов на точность измерений Любое измерение всегда ограничено по точности из-за несовершенства методов и средств измерения, влияния средств измерения на объект и т. д., поэтому всякий результат наблюдения является смещенным. Для оценки погрешности пользуются понятием абсолютной погрешности () – разности между реальной и номинальными характеристиками или значениями.

Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, называется поправкой:

(11.1) =.

Сама по себе абсолютная погрешность не может служить показателем точности измерения, так как одно и тоже значение, например, = 0,05 мм, при х = 100 мм соответствует достаточно высокой точности, а при х = 1 мм – низкой, поэтому для характеристики результатов измерения вводят понятие относительной погрешности =, (11.2) x где х0 - номинальное значение измеряемой величины.

Относительная погрешность выражается в относительных единицах или процентах. Для нормирования погрешности средств измерения используется приведенная погрешность пр = (11.3), xк где хк – предел измерения прибора.

Ее основное отличие от относительной погрешности состоит в том, что относится не к текущей переменной величине х, а к постоянной величине – номинальному значению.

Систематическая погрешность с характеризует степень близости полученного значения измеряемой величины к тому значению, которое может быть получено с максимально возможной точностью. Это проявляется в том, что всякий полученный результат наблюдения оказывается смещенным относительно точного результата.

Задача по исследованию и определению систематической погрешности является одной из самых сложных, поскольку не всегда ее можно обнаружить и исключить. В случае обнаружения систематической погрешности возможно ее вычисление и внесение поправки в результат наблюдения. Другой способ учета систематической погрешности – устранение ее схемотехнически или выбор другого метода измерения.

Рассмотрим пример исключения с при проведении эксперимента, например, взвешивание на рычажных весах, т.е. определение массы тела mт. Одной из причин появления с является разная длина плеч весов (l1 l2). Если поместить mт на левую чашку весов (рис. 11.1), то можно записать:

(11.4) mтl1g = m1 l2 g, где g – ускорение свободного падения;

m1 – масса гири.

Затем тело помещают на правую чашку весов (рис. 11.2) и уравновешивают гирей, которая имеет массу m2. Массы m1 и m2 не равны из-за разности длин плеч весов и, следовательно, наличия с. Итогом второго взвешивания становится следующее уравнение:

(11.5) m2l1g = mтl2 g.

l l1 l l mT mT m m Рис. 11.1. Исходное измерение Рис. 11.2. Измерение с противопоставлением для устранения систематической для устранения систематической погрешности погрешности Получим:

mТ m1 (11.6) =, m 2 mT откуда (11.7) mT = m1 m 2.

В формуле отсутствуют длины плеч весов, которые создают систематическую погрешность.

После анализа схемы измерения и вычисления систематических погрешностей имеется ряд значений сj, j = 1k. Каждая из сj имеет свою природу возникновения, а также свои значение и знак. Результирующая систематическая погрешность вычисляется по формуле:

k рез = cj, (11.8) j = где k – количество вычисленных неисключенных погрешностей.

Затем вычисляют поправку рез = рез. (11.9) Если рез = const, т. е. не зависит от времени, то ее можно внести в среднее значение:

(11.10) x = x + рез.

В случае, когда рез является функцией времени, поправку вводят в каждый результат наблюдения:

xi = xi + рез, (11.11) а затем определяют xi. (11.12) x = n Внеся поправку в результат наблюдения, получают несмещенное значение измеряемой величины, которое является неокончательным, поскольку еще не учтены погрешности приборов и модельные составляющие погрешности измерения (погрешности сопротивления, емкости, индуктивности, температуры, источников питания и т. д.), т. е.

все то, что относится к неисключенным остаткам систематической погрешности.

Неисключенные остатки (НО) систематической погрешности () – это та ее часть, которая остается после оценки и устранения этой погрешности (рис. 11.3).

x x + ~ x x x x + рез Рис. 11.3. Смещенный интервал неисключенных остатков Исследование неисключенных остатков предполагает выполнение следующей работы:

анализ источников возникновения;

оценка i (i = 1, 2,..., k) по каждому источнику возникновения;

оценка результирующей составляющей неисключенных остатков систематической погрешности.

Особенность исследования неисключенных остатков, представляющих собой составляющую систематической погрешности, заключается в том, что значения i недетерминированы, т. е. представляют собой случайную величину, которую можно охарактеризовать средним квадратическим отклонением (СКО).

Тогда рез соответствует свое результирующее СКО i( i ) = i :

k bi2 i2, рез = (11.13) i = где bi – функция влияния i на конечный результат.

Если влияние компонентов на конечный результат неизвестно, то вводится гипотеза об одинаковом влиянии каждого компонента (bi = 1).

В том случае, когда закон изменения каждого компонента неизвестен и нет возможности определить хотя бы его вид, вводится гипотеза о том, что отдельные компоненты неисключенных остатков распределены равномерно. Реализация этой i i, гипотезы позволяет для каждого выбрать границы для рез – рез:

m bi2 i2, рез = k (11.14) i = где k – поправочный коэффициент, зависящий от числа компонентов и доверительной вероятности.

Зависимость k от числа компонентов слабая. Значение коэффициента k при доверительной вероятности Р приведены в табл. 11.1.

Табл. 11.1.

Значения коэффициента k в зависимости от числа слагаемых и доверительной вероятности Число Значение погрешности k при доверительной вероятности Р слагаемых n 0,9 0,95 0,99 0, 2 0,97 1,10 1,27 1, 3 0,96 1,12 1,37 1, 4 0,96 1,12 1,41 1, 5 0,96 1,12 1,42 1, 6 0,96 1,12 1,42 1, … … … … … 0,95 1,13 1,49 1, Результат измерения при доверительной вероятности Р записывается в следующем виде:

x = ~ ± рез.

x (11.15) Литература: [3], c. 36-48.

Тема 12. Автоматизация измерений 12.1. Общие положения Усложнение современных объектов исследований, рост числа и диапазонов измеряемых параметров, повышение требований к точности измерений и их быстродействию диктуют новые подходы к организации измерений и контроля параметров, поскольку предъявляемые требования невозможно удовлетворить традиционными методами. Контроль каждого параметра индивидуальным измерительным прибором весьма затруднителен: оператор физически не может отследить показания множества контролирующих приборов и даже небольшого числа приборов, если процессы протекают слишком быстро. Несмотря ни на что измерительная информация, поступающая от средств измерений, должна быть собрана, обработана и в доступной форме представлена оператору для дальнейшего анализа. Решение этих задач возможно только путем автоматизации электротехнических измерений. К тому же автоматизация измерений позволяет разгрузить оператора.

Первой ступенью автоматизации измерений считаются автономные непрограммируемые цифровые приборы (АНП), которые работают по жесткой программе и используются для измерений определенных параметров и характеристик. В них автоматически выполняется некоторая часть измерительных операций: определение полярности сигнала, выбор предела измерения, собственно измерение.

12.2. Информационно-измерительные системы Вторая ступень автоматизации — создание гибких измерительных систем (ГИС) на основе цифровой техники. В ГИС программным (soft) способом перестраивают систему, способную измерять различные параметры и менять режим измерений без изменения аппаратной (hard) части системы. Такие системы — измерительно-информационные системы (ИИС) — представляюот собой совокупность средств измерения нескольких физических величин и вспомогательных устройств. Задача ИИС заключается в получении измерительной информации об исследуемом объекте в динамике (в условиях функционирования или хранения).

ИИС предназначены для целевого оптимального проведения измерений и обеспечивают достоверной информацией смежные системы высшего уровня. В их задачу входит получение измерительной информации об исследуемом объекте, преобразование входной информации в выходную, передача и представление полученной информации оператору (компьютеру), отображение, запоминание и формирование управляющих воздействий.

Унификация функциональных узлов (блоков, модулей), из которых состоит ИИС, позволяет образовать агрегатные комплексы Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).

По назначению ИИС разделяются на несколько групп:

1. системы сбора измерительной информации по исследуемому объекту — измерительные системы;

2. системы автоматического контроля за работой узлов, технологических процессов, агрегатов;

3. системы диагностики и выявления неисправностей изделий;

4. системы телеметрии, обеспечивающие сбор измерительной информации с удаленных объектов.

По структуре ГИС разделяются на интерфейсные, микропроцессорные и компьютерно-измерительные.

Современные ИИС строятся по агрегатному принципу, что позволяет значительно сократить время разработки системы и ввода ее в действие. В процессе эксплуатации система легко перенастраивается при изменении требований к ней. При агрегатном построении ИИС упрощается замена функциональных узлов на более совершенные.

По способу обмена сигналами взаимодействия, обеспечивающими согласованное преобразование информации всеми функциональными узлами системы, по способу управления и по структуре построения ИИС разделяются на децентрализованные и централизованные.

Децентрализованные ИИС имеют постоянный состав функциональных узлов и режим их работы. Возможности таких систем ограничены, но они отличаются простотой, малыми габаритными размерами и низкой стоимостью. В настоящее время децентрализованные ИИС практически не применяются.

Централизованные ИИС содержат центральное устройство управления (контроллер), задающее режим работы функциональных узлов путем изменения их состава, количества и связей между ними, в результате чего изменяются функциональные возможности системы.

Централизованные ИИС весьма разнообразны и по структуре подразделяются на радиальные, магистральные, радиально-цепочечные и радиально-магистральные. На рисунке 12.1, а представлена схема ИИС радиальной структуры.

Через контроллер осуществляется обмен сигналами взаимодействия между функциональными узлами (ФУ), что позволяет программировать их путем подачи соответствующих сигналов от контроллера и изменять порядок обработки информации. В ИИС радиальной структуры каждый ФУ подключается к контроллеру с помощью индивидуальных шин. Недостатком радиальной структуры являются трудности в нара щивании функциональных узлов из-за усложнения контроллера. Поэтому более широкое применение нашли ИИС магистральной структуры, схема которой приведена на рис. 12.1, б.

Наличие однопроводпой или многопроводной шины (магистрали) является общей чертой всех ФУ. По магистрали передаются сигналы взаимодействия, причем каждый такой сигнал адресуется к конкретному ФУ. В магистральной структуре легко наращивать количество ФУ в системе, что позволяет использовать ее для решения задач по ав томатизации различных экспериментальных исследований.

Использование современных цифровых средств привело к изменению структуры ИИС, позволяющем максимально перенести обработку измерительной информации к месту ее формирования. Такое решение получило название конвейерной обработки измерительной информации в ИИС.

Рис. 12.1. Схемы ИИС радиальной (а) и магистральной (б) структуры ИИС включает в себя комплекс первичных преобразователей, устройства сбора и обработки информации, устройства вторичной обработки информации, средгтва управления и контроля, средства связи с другими системами, накопители информации.

Работа ИИС основана на использовании систем нескольких видов: с заранее заданным алгоритмом работы (жесткая система), программируемые (гибкая система), адаптивные, виртуальные, интеллектуальные.

Любая ИИС с вычислительными комплексами включает в себя математическое, программное и информационное обеспечение, а также метрологическое обеспечение, обслуживающее всю измерительную систему Определяющими в эксплуатации ИИС являются эргономические показатели дисплея и управляющих элементов — интерфейсов пользователя. Интерфейс пользователя — это устройство сопряжения, осуществляющее взаимодействие персонального компьютера (ПК) со средствами измерений и другими внешними техническими системами.

12.3. Измерительно-вычислительные комплексы Важнейшей разновидностью ГИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), представляющие собой автоматизированные средства измерений и обработки измерительной информации. ИВК используются для измерения параметров сложных объектов.

Отличительными особенностями ИВК являются наличие свободно программируемой ЭВМ (для обработки результатов измерений и управления собственно процессом измерений, а также для управления воздействием на объект исследования), нормирование метрологических характеристик, программное управление измерительными средствами, блочно-модульная структура.

ИВК применяются для реализации прямых, косвенных, совместных и совокупных методов измерений физических величин;

для представления результатов измерений оператору в необходимом (удобном) виде;

для управления процессом измерений и воздействия на объект измерений.

12.4. Виртуальные приборы Виртуальные приборы относятся к пятому поколению информационно измерительных систем и строятся на базе ПК с использованием современного программного и математического обеспечения.

ПК оснащен аппаратными средствами ввода-вывода сигналов и соответствующего программного обеспечения, которое определяет конфигурацию и функции системы. ПК работает в режиме реального времени и способен выполнять все функции специализированного оборудования, сохраняя гибкость и перенастраиваемость интерфейса.

Специальная плата сбора данных (ПСД), устанавливаемая в слот ISA или PCI (или внешнее устройство), и внешние интерфейсы образуют виртуальный измерительный прибор.

Виртуальные приборы на базе ПСД, устанавливаемые в системный блок ПК, уже широко используются в устройствах сбора и обработки информации, в контрольно диагностических и измерительных системах для промышленных и лабораторных приложений.

Виртуальный прибор можно успешно использовать для решения целого ряда измерительных задач на одном ПК. Для этого достаточно лишь подобрать программное обеспечение и платы сбора данных в соответствии с техническими требованиями экс перимента. Необходимую часть виртуальных приборов составляет программа — интерфейс человека с ПК и с самим прибором. Эта программа поддерживает следующие концепции программного обеспечения: программный интерфейс, внешне очень похожий на операционную систему Windows и использующий се возможности;

программа, создающая лицевую управляющую панель стационарного автономного прибора.

Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки, и фирма предлагает реализацию виртуальных приборов обоих видов.

Рассмотрим прибор с интерфейсом, похожим на Windows. Такой подход допустйм, если компьютер должен измерять параметры внешних аналоговых сигналов, а оператор неплохо разбирается в подключении к ПК различных нестандартных измерительных устройств. В этом случае необходимо иметь несколько плат, включаемых соот ветствующим образом.

Программное обеспечение, поставляемое вместе с ПСД, состоит из стандартных программ, драйверов и примеров программирования. Такой набор программ позволяет решать широкий круг прикладных задач по исследованию сигналов и сбору данных с различных датчиков и внешних устройств. Версии для Windows обладают удобным интерфейсом и благодаря интеграции друг с другом и с другими приложениями Windows значительно облегчают получение результатов измерения и их документальное оформление в виде отчетов, графиков, диаграмм. Если этих стандартных программ недостаточно для решения конкретной задачи, то пользователь, умеющий хорошо прог раммировать, создает более приспособленную для своей задачи программу. Здесь просто необходимы драйверы для управления платами и примеры программирования.

Существуют готовые виртуальные приборы, например осциллограф (рис. 12.2) и спектроанализатор (рис. 12.3) с возможностью сбора данных.

Рис. 12.2. Виртуальный осциллограф Программа «Осциллограф» позволяет видеть сигнал, измеряемый с помощью АЦП, в реальном времени и производить спектральный анализ собранных данных. В верхней части окна программы сосредоточены основные элементы управления ее работой и отображением данных. Большинство элементов управления снабжены всплывающими подсказками. Программа обеспечивает выбор частоты дискретизации, размера блока измеряемых данных и числа каналов, синхронизацию устройств без аппаратной синхронизации, поддержку режима аппаратной синхронизации, поддержку некоторых специфических функций устройств (кадровый сбор, включение внешней частоты дискретизации), сохранение файлов с данными «как есть» и в форматах ASCII и WAV, воспроизведение сохраненных данных из файлов с данными «как есть» и в формате WAV.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.