АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВОЛЬТМЕТР-КАЛИБРАТОР МОДУЛЬНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к калибровке измерительных модулей конфигурируемой модульной системы для комплексной автоматизированной проверки полупроводниковых приборов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны вольтметры-калибраторы, серийно выпускаемые промышленностью Н4-6, B1-28, В2-43, Fluke 5080А и др. достаточно высокой точности. Известные приборы предназначены для калибровки и метрологических испытаний измерительных устройств. Указанные приборы имеют ограничение по своему применению - диапазон воспроизведения/измерения постоянного напряжения не более 1000 Вольт. Другим недостатком применения таких приборов является отсутствие возможности автоматической коммутации при калибровке многоканальных систем или систем с множеством измерительных модулей. Кроме того, это приборы довольно существенных габаритов, затрудняющие встраивание их в измерительную систему с целью обеспечения самокалибровки.
Известен магазин сопротивления-калибратор напряжения который содержит первый и второй операционные усилители, многоразрядный цифровой делитель напряжения, первый коммутатор, сменную меру образцового напряжения и микропроцессорную систему управления, обработки-представления информации, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазонов воспроизводимых сопротивлений и напряжений, в него введены управляемый масштабный мультирезистор, второй коммутатор, внутренний корпус-экран, внешний корпус-экран, первая, вторая и третья группы N зажимов, 2N выходных зажимов, зажим для подключения к внешнему контуру заземления (авторское свидетельство СССР №1797078).
Основным недостатком известного устройства является использование сменной меры образцового напряжения, что увеличивает габариты устройства, а также существенно снижает его универсальность и удобство обслуживания.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей полезной модели является получение следующей совокупности свойств:
высокая точность формирования и измерения напряжения;
диапазон измерения по напряжению до 2000 Вольт;
высокая помехозащищенность;
высокая скорость переключения коммутатора;
универсальность при работе в составе многоканальной измерительной системы.
Поставленная задача решена благодаря тому, что предлагаемый автоматический вольтметр-калибратор модульной измерительной системы, содержит:
шину аналоговых сигналов (3),
переднюю панель (14) модуля,
коммутатор аналоговых сигналов (13), подключенный к передней панели (14) модуля,
термокомпенсированный источник (6) опорного напряжения, буферный усилитель (11),
цифроаналоговый преобразователь (8), подключенный к коммутатору аналоговых сигналов (13) через буферный усилитель (11), и к выходу термокомпенсированного источника опорного напряжения (6), выполненный с возможностью формирования заданного напряжения совместно с буферным усилителем (11) с использованием опорного напряжения,
нормирующий усилитель (12),
аналого-цифровой преобразователь (9), подключенный к коммутатору аналоговых сигналов (13), через нормирующий усилитель (12), и к выходу термокомпенсированного источника опорного напряжения (6),
первое устройство коммутации (5), подключенное к шине аналоговых сигналов (3),
аттенюатор (10), вход которого подключен к первому устройству коммутации (5), а выход к коммутатору аналоговых сигналов (13), выполненный с возможностью понижения напряжения высоковольтного сигнала от шины аналоговых сигналов (3) до уровня, пригодного для оцифровки сигнала посредством аналого-цифрового преобразователя (9),
второе устройство коммутации (7), подключенное к шине аналоговых сигналов (3) и к коммутатору аналоговых сигналов (13),
термокомпенсированный источник (6) опорного напряжения, выходы которого подключены ко входам цифроаналогового преобразователя (8) и аналого-цифрового преобразователя (9),
устройство гальванической развязки (2),
устройство управления (4), выполненное с возможностью получения управляющих сигналов от внешней шины управления (1) через устройство гальванической развязки (2) и управления коммутацией коммутатора аналоговых сигналов (13), первое устройства коммутации (5) и второго устройства коммутации (7).
Вышеупомянутое устройство управления (4), - в одной из частных форм воплощения, - подключено к аналого-цифровому преобразователю (9) и выполнено с возможностью приема данных от аналого-цифрового преобразователя (9) и выдача этих данных во внешнюю шину (1).
Вышеупомянутое устройство управления (4), - в одной из частных форм воплощения, - подключено к цифроаналоговому преобразователю (8).
Вышеупомянутое устройство управления (4), - в одной из частных форм воплощения, - подключено к аттенюатору (10) и выполнено с возможностью задания коэффициента ослабления.
Вышеупомянутое устройство управления (4), - в одной из частных форм воплощения, - подключено к коммутатору аналоговых сигналов (13) и выполнено с возможностью управление коммутацией аналогового коммутатора 13, таким образом, что последний подключает сигнал
от буферного усилителя (11) на вход второго устройства коммутации (7), или
от буферного усилителя (11) на переднюю панель (14) модуля,
от буферного усилителя (11) на вход нормирующего усилителя (12),
от аттенюатора (10) на вход нормирующего усилителя (12),
от второго устройства коммутации (7) на вход нормирующего усилителя (12).
Вышеупомянутый коммутатор аналоговых сигналов (13), - в одной из частных форм воплощения, - выполнен на основе быстродействующих герконовых реле.
Вышеупомянутое термокомпенсированный источник (6) опорного напряжения, - в одной из частных форм воплощения, - имеет выход, подключенный к передней панели (14) модуля.
Как будет понятно специалисту в данной области техники, обеспечение высокой точности формирования и измерения напряжения осуществляется главным образом за счет применения термокомпенсированного источника опорного напряжения, обладающего высокой стабильностью и независимостью от температуры.
Диапазон измерения по напряжению до 2000 Вольт обеспечивается с помощью управляемого аттенюатора (10) с задаваемым коэффициентом ослабления и нормирующего усилителя (12). Коэффициент может устанавливаться в пределах от 1 до 1/200. Таким образом обеспечивается возможность калибровки различных измерительных модулей в этом диапазоне. Высокая помехозащищенность обеспечивается применением устройства гальванической развязки (2) между устройством управления (4) и внешней шиной управления (1).
Высокая скорость переключения коммутатора достигается с помощью применения в качестве переключательных элементов быстродействующих герконовых реле.
Универсальность при работе в составе многоканальной измерительной системы обеспечивается за счет формирования шины аналоговых сигналов, подключаемой к общей шине системы (backplane), вывода аналоговых сигналов и напряжения источника опорного напряжения на переднюю панель модуля вольтметра-калибратора.
Каждый измерительный модуль дополнительно к передней панели модуля, на которую выводится испытательное/измерительное воздействие, может выводить свои сигналы в шину аналоговых сигналов, что позволяет проводить процедуру калибровки с использованием предложенного вольтметра-калибратора «изнутри» системы в автоматическом режиме.
Вывод опорного напряжения на переднюю панель обеспечивает дополнительную гибкость в применении вольтметра-калибратора: можно проводить калибровку через шину аналоговых сигналов, или же можно взять эталонное напряжение с передней панели и использовать его для ручной калибровки, исследований или для любых других целей.
Предлагаемое устройство предназначено для применения в составе модульных измерительных систем (МИС) и само может быть выполнено в виде модуля. Устройство позволяет проводить процедуру калибровки и самокалибровки измерительных модулей МИС в автоматическом режиме. Измерительный модуль формирует на шине аналоговых сигналов напряжение, а предлагаемый вольтметр-калибратор может это напряжение измерить. Также возможен режим, когда вольтметр-калибратор формирует напряжение на шине аналоговых сигналов, а измерительный модуль измеряет это напряжение. Таким образом, проводится автоматическая калибровка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУРЫ
На фиг. 1 показана структурная схема автоматического вольтметра-калибратора модульной измерительной системы, где:
1 - внешняя шина управления;
2 - устройство гальванической развязки;
3 - шина аналоговых сигналов;
4 - устройство управления;
5 - первое устройство коммутации;
6 - термокомпенсированный источник опорного напряжения;
7 - второе устройство коммутации;
8 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
10 - аттенюатор;
11 - буферный усилитель;
12 - нормирующий усилитель;
13 - коммутатор аналоговых сигналов;
14 - передняя панель модуля.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Как показано на фиг. 1 предлагаемый автоматический вольтметр-калибратор модульной измерительной системы, содержит:
шину аналоговых сигналов (3),
переднюю панель (14) модуля,
коммутатор аналоговых сигналов (13), подключенный к передней панели (14) модуля,
термокомпенсированный источник (6) опорного напряжения, буферный усилитель (11),
цифроаналоговый преобразователь (8), подключенный к коммутатору аналоговых сигналов (13) через буферный усилитель (11), и к выходу термокомпенсированного источника опорного напряжения (6), выполненный с возможностью формирования заданного напряжения совместно с буферным усилителем (11) с использованием опорного напряжения,
нормирующий усилитель (12),
аналого-цифровой преобразователь (9), подключенный к коммутатору аналоговых сигналов (13), через нормирующий усилитель (12), и к выходу термокомпенсированного источника опорного напряжения (6),
первое устройство коммутации (5), подключенное к шине аналоговых сигналов (3),
аттенюатор (10), вход которого подключен к первому устройству коммутации (5), а выход к коммутатору аналоговых сигналов (13), выполненный с возможностью понижения напряжения высоковольтного сигнала от шины аналоговых сигналов (3) до уровня, пригодного для оцифровки сигнала посредством аналого-цифрового преобразователя (9),
второе устройство коммутации (7), подключенное к шине аналоговых сигналов (3) и к коммутатору аналоговых сигналов (13),
термокомпенсированный источник (6) опорного напряжения, выходы которого подключены ко входам цифроаналогового преобразователя (8) и аналого-цифрового преобразователя (9),
устройство гальванической развязки (2),
устройство управления (4), выполненное с возможностью получения управляющих сигналов от внешней шины управления (1) через устройство гальванической развязки (2) и управления коммутацией коммутатора аналоговых сигналов (13), первое устройства коммутации (5) и второго устройства коммутации (7).
Цифроаналоговый преобразователь (8) осуществляет формирование заданного напряжения совместно с буферным усилителем (11).
Формирование происходит с использованием опорного напряжения от термокомпенсированного источника опорного напряжения (6).
Сформированное напряжение поступает на коммутатор аналоговых сигналов (13).
Коммутатор аналоговых сигналов (13) имеет следующие режимы работы:
1. подключение сигнала от буферного усилителя (11) на вход второго устройства коммутации (7);
2. подключение сигнала от буферного усилителя (11) на переднюю панель модуля (14);
3. подключение сигнала от буферного усилителя (11) на вход нормирующего усилителя (12);
4. подключение сигнала от аттенюатора 10 на вход нормирующего усилителя (12);
5. подключение сигнала от второго устройства коммутации 7 на вход нормирующего усилителя (12);
6. нормирующий усилитель (12) служит для изменения уровня напряжения таким образом, чтобы они укладывались между предельными значениями шкалы напряжений АЦП (обычно АЦП проводит измерение в определенном диапазоне, например, 0-2,5 В).
АЦП (9) осуществляет оцифровку сигнала, поступающего от нормирующего усилителя (12).
Термокомпенсированный источник (6) опорного напряжения формирует прецизионное опорное напряжение для ЦАПа (8) и АЦП (9), также опорное напряжение выводится на переднюю панель модуля (14).
Устройство гальванической развязки (2) обеспечивает развязку информационного обмена в части команд и данных между устройством управления (4) и внешней шиной (1).
Устройство управления 4 представляет собой многофункциональное устройство, выполняющее следующие функции:
1. прием команд от внешней шины 1 и управление внутренними устройствами вольтметра-калибратора в соответствии с командами;
2. управление работой АЦП (9), прием данных от АЦП и выдача этих данных во внешнюю шину (1);
3. управление работой ЦАП (8);
4. управление работой аттенюатора 10 в части задания коэффициента аттенюации;
5. управление коммутацией аналогового коммутатора (13), первого устройства коммутации (5) и второго устройства коммутации (7).
Аттенюатор (10) осуществляет ослабление высоковольтного сигнала от шины аналоговых сигналов (3) до уровня, который необходим для оцифровки сигнала с помощью АЦП (9), работающего совместно с нормирующим усилителем (12).
Как известно, проблема обеспечения метрологической точности модульной измерительной системы может быть решена с помощью процедуры периодической самокалибровки. Эта процедура в части калибровки формирования напряжения измерительным модулем состоит в следующем:
1. измерительная система дает команду измерительному модулю сформировать напряжение на шине аналоговых сигналов (3);
2. измерительная система дает команду вольтметру-калибратору провести измерение напряжения с шины аналоговых сигналов (3);
3. устройство управления (4) дает команду коммутатору аналоговых сигналов (13) и второму устройству коммутации (7) подключить сигнал с шины аналоговых сигналов (3) на вход нормирующего усилителя (12);
4. устройство управления дает команду АЦП (9) провести аналогово-цифровое преобразование сигнала;
5. устройство управления считывает результат с АЦП и передает через устройство гальванической развязки (2) и внешнюю шину (1) измерительной системе;
6. на основании полученной информации измерительная система вычисляет калибровочный коэффициент;
7. при необходимости данная процедура повторяется для другого уровня напряжения.
Процедура периодической самокалибровки в части измерения напряжения измерительным модулем состоит в следующем:
1. измерительная система дает команду вольтметру-калибратору провести формирование напряжения на шине аналоговых сигналов (3);
2. устройство управления (4) дает команду коммутатору аналоговых сигналов (13) и второму устройству коммутации (7) подключить сигнал с буферного усилителя (11) на шину аналоговых сигналов (3);
3. устройство управления дает команду ЦАП (8) сформировать сигнал на входе буферного усилителя (11);
4. на шине аналоговых сигналов (3) формируется калибрующее напряжение;
5. измерительная система дает команду измерительному модулю измерить напряжение на шине аналоговых сигналов (3);
6. измерительная система считывает результат измерения модуля и на основании полученной информации вычисляет калибровочный коэффициент;
7. при необходимости данная процедура повторяется для другого уровня напряжения.