Аппаратно-программный измерительный комплекс для определения параметров многоэлементных двухполюсников. Аппаратное обеспечение

Ушенин Д.А.

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Основным назначением аппаратно-программного измерительного комплекса является исследование и оптимизация способов преобразования параметров объектов, представимых в виде пассивных многоэлементных двухполюсных электрических цепей (ДЭЦ) в напряжение [1,2]. При данной постановке задачи на первый план выходят такие характеристики комплекса, как универсальность (т.е. пригодность комплекса для исследования ДЭЦ самых различных конфигураций) и высокая точность измерения параметров исследуемых объектов, чтобы при сравнении нескольких способов преобразования учитывать, в основном, свойственные им методические погрешности. В данной статье рассматривается предложенная автором реализация аппаратной части и функционирование ее основных узлов на примере одного измерительного цикла.

На рисунке 1 представлена структурная схема аппаратной части измерительного комплекса, подключаемой к компьютеру через COM-порт. Схема управления и обмена данными (СУОД) состоит из микроконтроллеров МК1 и МК2, преобразователя уровней (RS-232 - ТТЛ) и ОЗУ для хранения измерительной информации. Данные, управляющие коммутациями в используемой измерительной схеме, через преобразователь уровня ПУ и микроконтроллер МК1 поступают к блоку измерительных схем; данные для формирования опорного напряжения через микроконтроллер МК2 - к источнику опорного напряжения.

ИОН

ОЗУ1 ЦАП

i L i I

управление и синхронизация

Рис. 1. Структурная схема аппаратной части измерительного комплекса.

Блок измерительных схем (ИС) состоит из набора опорных элементов (девять резисторов и девять конденсаторов) и двух ИС. Одна из них является источником тока, управляемым напряжением формирователя опорного сигнала, и используется для исследования ДЭЦ, обладающих малыми сопротивлениями [2]. Вторая ИС на базе операционного усилителя содержит во входной цепи и цепи отрицательной обратной связи исследуемую ДЭЦ и опорный элемент. Выбор их места включения определяется заданным энергетическим режимом - режимом заданного тока или напряжения. При проектировании блока измерительных схем использовались многократно проверенные, хорошо себя зарекомендовавшие схемные решения [1 -3] и современная элементная база (операционные усилители OPA655, OPA843, аналоговые ключи ADG711).

Схема синхронизации (СС), управляющая процессом измерения (запись/чтение данных в ОЗУ, формирование опорного напряжения, чтение данных из АЦП) состоит из генератора частотой 10 МГц, делителя частоты и мультиплексора для выбора нужной тактовой частоты. На рисунке 2 показаны циклы измерения параметров ДЭЦ при использовании тактовых частот О и f2, причем f2 = 0/2.

После записи в ОЗУ1 отсчетов как минимум одного периода опорного напряжения начинается измерительный цикл. Отсчеты начинают считываться из ОЗУ1 и поступать на ЦАП (матрицу R-2R прецизионных резисторов) с максимально возможной тактовой частотой, зависящей от выбранного периода опорного напряжения. Отметим, что период опорного напряжения выбирается из строго определенного набора значений, кратных периодам сигналов синхронизации.

11 12 = 11/2

В качестве АЦП выбран ADS850 фирмы Texas Instruments. Это 14-битный АЦП последовательного приближения [4] с частотой дискретизации 10MSPS (10*106 отсчетов в сек), выдающий результат оцифровки входного аналогового сигнала с задержкой в семь тактов. После записи измерительной информации в ОЗУ2 измерительный цикл завершается и данные через МК2 отправляются на обработку

в ЭВМ.

Моделирование и экспериментальное исследование работы аппаратной части, проведенные по методике [5], показывает, что погрешность преобразования параметров исследуемых объектов не превышает 1%. Предложенные автором схемотехнические решения позволяют варьировать условия измерения в соответствии с особенностями весьма широкого круга объектов. Комбинация рассмотренной аппаратной части и программного обеспечения измерительного комплекса позволяют считать его универсальным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Светлов А.В. Принципы построения преобразователей параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей. - Пенза: Изд-во ПГУ, 1999. - 144с.

2. Корокошко (Ушенина) И.В., Светлов А.В., Ушенин Д.А. Измерительная схема аппаратнопрограммного комплекса для определения параметров электрических цепей // Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Измерения-2 0 0 4): Труды международной научно-техн. конф. - Пенза: Информ.-изд. центр Пенз. гос. ун-та, 2004. - С. 49 - 51.

3. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем

контроля и измерения. - М.: Энергия, 1976. - 392с.

4. Райс В. Как работают аналого-цифровые преобразователи и что можно узнать из спецификации на

АЦП // Компоненты и технологии, 2005. - №3.

5. Светлов А.В., Ушенин Д.А., Ушенина И.В. Оценка погрешности преобразования сопротивления электрических цепей в напряжение // Метрологическое обеспечение измерительных систем: Сб. докл. между-народ. научно-техн. конф. - Пенза, 2005. - С.257 - 259.