Перспективы использования логометрического подхода при построении прецизионных омметров

Заключение

В ходе калибровки и измерений, проведенных при помощи компьютерного моделирования, были изучены неопределенности измерений типов А и В автоматического анализатора цепей, построенного на комбинированном многополюсном рефлектометре. Представленная в данной работе процедура калибровки, а также используемые методы измерения были взяты из ранее опубликованных работ. Главной особенностью процедуры калибровки КМР является то, что она может быть выполнена точно, без известных коэффициентов отражения и передачи.

Для доказательства преимущества КМР был проведен сравнительный анализ неопределенностей измерений обыкновенного МР и КМР. Хотя собственные

параметры обычного МР и МР, включенного в КМР, были одинаковыми, МР был откалиброван с использованием высокоточной подвижной нагрузки, в отличие от КМР, откалиброванного набором нагрузок с неизвестными параметрами отражения, погрешности измерения комбинированной схемы намного меньше по сравнению с неопределенностями обычного МР в широком диапазоне отношения сигнал/шум.

Таким образом, данная работа подтверждает перспективность использования КМР для различных применений.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ R 54 500.1—2 011/Руководство ИСО/МЭК 98-1:2009. Неопределённость измерения. Часть 1. Введение в руководства по неопределённости измерения. - М.: Стандартинформ, 2012. - 24 с.

2. L'vov, A.A. Statistical Approach to Measurements with Microwave Multi-port Reflectometer and Optimization of Its Construction / A.A. L'vov, R.V. Geranin, N. Semezhev, P.A. L'vov // Proceedings of Microwave and Radio Electronics Week (MAREW 2015). 14th Conference on Microwave Techniques (COMITE 2015), Pardubice, Czech Republic, April, 22 - 23, 2015, P. 179-183.

3. Semezhev, N. A Multi-port Wave-Correlator as Promising Receiver For Software Defined Radio Systems /Semezhev N., A.A. L'vov, P.A. L'vov, E.A. Moiseykina // Proceedings of the 26th International Conference (Radioelektronika 2016), Kosice, Slovakia, P. 490-494.

4. Львов А.А. Автоматический измеритель параметров СВЧ двухполюсников на основе многополюсника // Измерительная техника, 1996 г., №2, С.10-12.

5. L'vov, A.A. Statistical estimation of the complex reflection coefficient of microwave loads using a multiport reflectometer / A.A. L'vov, A.A. Morzhakov // Proceed, of International Microwave and Optoelectronics Conf., 1995., SBMO/IEEE MTT-S, Vol. 2, P. 685-689.

6. L'vov, A.A. A New Technique for Microwave Circuit Parameter Measurement / A.A. L'vov, K.V. Semenov // The Automatic RF Techniques Group Conference Digest, ARFTG 47th, San Francisco, U.S.A., 1996, P.188-195.

7. Львов, А.А. Расчёт неопределенностей измерения методом многозондовой измерительной линии / А.А. Солопекина, А.А. Львов, Н. Семежев // АПЭП-2014: материалы XI Междунар. науч.-технич. конф. -Саратов: СГТУ, ООО «Буква», 2014. - Т.1 - С. 356-363

8. Katz, B.M. Synthesis of a Wideband Multiprobe Reflectometer / B.M. Katz, A.A. L'vov, V.P. Mes-chanov, et.al. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 56, No. 2, February, 2008, P. 507-514.

9. Львов, А.А. Бесконтактный измеритель расстояния до плоской поверхности на основе комбинированного многополюсного рефлектометра / А.А. Львов, П.А. Львов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза : ПГУ, 2016. - Т. 1. - С. 69-74.

10. Львов, А.А. Применение РФИД ридеров на базе автоматических анализаторов цепей в системе сортировки и укладки для сборочных линий / А.Ю. Николаенко, А.А. Львов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза : ПГУ, 2016. - Т. 1. -С. 239-242.

УДК 621.3.088.3

Мазнев1 А.А., Гречина2 Ю.В.

1ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

2АО «Электромеханика», Пенза, Россия

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛОГОМЕТРИЧЕСКОГО ПОДХОДА ПРИ ПОСТРОЕНИИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОММЕТРОВ

Обозначены достоинства логометрического подхода при измерении электрического сопротивления с высокой точностью. Предложен способ повышения точности логометрических схем. Проведен анализ преимуществ аналоговой части микроконтроллера ЛОыСЫЗбО и показаны варианты ее использования. Даны рекомендации по применению при выполнении прецизионных измерений сопротивлений

Ключевые слова:

микроконтроллер, измерение, электрическое сопротивление, логометр, схема

Повышение точности измерения электрического сопротивления является важной задачей. Это связано с большим количеством применяемых датчиков использующих зависимость величины электрического сопротивления от различных физических параметров (температура, деформация, освещенность, перемещение и др.).

Это, приводит к необходимости совершенствования измерительных преобразователей осуществляющих преобразование электрического сопротивления в его цифровой эквивалент [1], в плане повышения его тактико-технических характеристик, таких как точность, чувствительность, помехоустойчивость и др.

Как показано в [1] для измерения сопротивлений среднего диапазона от 10 Ом до 100 кОм хорошо зарекомендовала себя логометрическая схема измерения в плане достижения требуемой точности и простоты реализации.

Классический логометр состоит из измеряемого сопротивления Кх и образцового датчика тока Ко. За счет такого включения погрешности источника

опорного напряжения одинаково влияют на сигналы Пх и По и практически полностью исключается за счет операции деления.

Способом повышения точности в данном случае может служить выполнение одновременных измерений По и Пх. с помощью двух АЦП. Основным требованием в этом случае является идентичность характеристик АЦП, среди которых важную роль играют их входные импедансы.

Такому условию удовлетворяют микросхемы АБиСМ360, которые имеют в своем составе два АЦП пригодных для выполнения одновременных измерений [2].

Более того схемы АЦП контроллера АБиСМ360 обладают входными буферами уменьшающие влияние им-педансов. Исследования микросхемы АБиСМ360 показали, что встроенные буферы позволяют уменьшить погрешности от несогласования до уровня 0,0001%, при сопротивлениях каждого из плеч ло-гометра от 0 до 1 МОм [2].

При этом погрешности от неидентичности функций преобразований могут быть минимизированы путем сличения шкал схем АЦП. Тогда автоматическая компенсация интегральной нелинейности может быть выполнена за счет реализации совокупных измерений падений напряжений на логометре, когда одни и те же напряжения измеряются разными АЦП.

При этом формула для вычисления измеряемого сопротивления имеет вид [2]

Я = Я

N &)х N1 {Ц)

N & )

N {?1 )Х N1 {?2 ) '

- код основного АЦП полученный при

измерении падения напряжения на измеряемом ре-

т2/

зисторе в момент времени

t1; N2 {^ )

код вспо-

могательного АЦП полученный при измерении падения напряжения на эталонном резисторе в момент

времени tl; {¿2) - код вспомогательного АЦП

полученный при измерении падения напряжения на

измеряемом резисторе в момент времени t2; N1 {/2)

- код основного АЦП полученный при измерении падения напряжения на эталонном резисторе в момент времени t2.

Применение предложенной формулы позволяет скомпенсировать влияние интегральных нелинейно-стей основного и вспомогательного АЦП.

Еще одним немаловажным преимуществом является повышенная частота преобразовательного тракта АЦП. Оба АЦП могут работать с частотой до 3,8 тыс. выборок в секунду. Так же в тракте имеются встроенные фильтры 3 и 4 порядка для прецизионных измерений и встроенные фильтры 2-го порядка для быстрых измерений и отслеживания быстрых изменений входного сигнала.

Для повышения стабильности измерений можно суммарное падение напряжения на обоих резисторах логометра использовать в качестве опорного напряжения для АЦП микроконтроллера как показано на рисунке 1.

Данная реализация выгодна тем, что опорный сигнал в данном случае определяется суммой падений напряжений Пх и По, где сами значения одновременно измеряются двумя АЦП.

Рисунок 1 - Вариант логометрической схемы измерения электрического сопротивления

Как показано в [1], использование встроенного усилителя входного сигнала не позволяет повысить точность, так как при его использовании уровень шумов резко возрастает с увеличением значения коэффициента усиления.

Коммутация сигналов происходит с помощью мультиплексора, который является встроенным в микроконтроллер АБиС360 и имеющим возможность коммутации на один из нескольких дифференциальных каналов АЦП).

В качестве источника опорного напряжения можно использовать встроенный ЦАП, что весьма удобно, так как отпадает необходимость во внешнем источнике.

Тем не менее, использование ЦАП ограничивается уровнем максимального выходного тока, который не должен превышать нескольких десятков миллиампер. Поэтому данный подход реализуем для схем с суммарным значением сопротивлений Ко и Кх не менее нескольких кОм.

Таким образом, в рамках данной статьи предлагается структурная схема (рисунок 2), позволяющая в значительной степени не только повысить точность классического логометрического метода измерения сопротивлений, но и расширить его возможности.

я

Яо

Ограничитель напряжения

Источник тока

ЦАП

X

_0

"Г

с;

т П1

о

э с;

"Г т

(1) "Г

О т

-а

ч:

дополнительный

Р

о о

X

т р

о

л л

е р

А О

ы 6 о

Блок управления

Рисунок 2 - структурная схема измерителя сопротивлений реализуемая на АБиСИЗбО

Данная реализация выгодна еще и тем, что позволяет управлять напряжением насыщения, с целью приведения входных сигналов к максимуму шкалы преобразования. Например, если в цепь вводится сопротивление г* с целью уменьшения помех, или оно возникает за счет сопротивлений, которыми обладают соединительные линии (как паразитное сопротивление), целесообразно увеличить Поп с помощью ЦАП таким образом, чтобы выполнялось условие

где I - ток в цепи.

Основным достоинством подобного подхода является повышение точности без удорожания схемы, за счет отсутствия дорогостоящих и труднодоступных дискретных элементов. Согласно [1, 2] максимальный уровень точности при подобном подходе достижим при выполнении условия, когда Ко/10 <

Кх < 10Ко.

Применением подобного подхода можно получить точности порядка 0,005 %, при относительно небольших аппаратурных затратах.

г

ЛИТЕРАТУРА

1. Доросинский А.Ю. Повышение точности логометрических схем измерения электрических сопротивлений / А.Ю. Доросинский, А.Н. Винчаков, О.М. Шарунова // Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажёров: сб. статей. - Пенза, Изд-во ПензГТУ, 2015. - С. 51 - 56.

2. Виньчаков А.Н. Перспективы использования микроконтроллера ADuCM360 для измерения сопротивлений с высокой точностью / А.Н. Виньчаков, А.Ю. Доросинский // Интеллектуальные информационные технологии: труды международной научно-практической молодёжной конференции. - Пенза, Изд-во ПензГТУ, 2016. - С. 54 - 62.

УДК 621.317.3

Князьков А.В., Колдов А.С., Родионова Н.В., Светлов А.В.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ЛИНЕЙНЫЙ АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Приведена структурная схема аппаратной части измерителя параметров пьезокерамических элементов. Показано, что в составе этого измерителя необходимо использовать линейный амплитудный детектор. Предложено в качестве такого детектора использовать микросхему AD8361 фирмы Analog Devices. Приведена функциональная схема детектора и принципиальная схема его включения. Показана возможность повышения линейности преобразования среднеквадратического значения переменного входного напряжения в постоянное выходное напряжение Ключевые слова:

измеритель параметров пьезокерамических элементов, линейный амплитудный детектор

Введение

При построении разнообразных систем сбора измерительной информации и управления в качестве датчиков различных физических величин и элементов прецизионного позиционирования широкое применение находят пьезокерамические элементы (ПКЭ) [1]. В связи с расширением производства и применения ПКЭ приобретает актуальность задача разработки специальных измерительных средств, позволяющих контролировать основные параметры ПКЭ.

Для определения электрических параметров ПКЭ может быть использован метод совокупных измерений с использованием нескольких тестовых синусоидальных сигналов и последующим решением системы уравнений, описывающих выходные сигналы измерительной схемы на частотах, соответствующих характерным точкам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) измерительной схемы [2, 3]. Для измерений амплитуд выходных сигналов измерительной схемы на этих частотах необходим линейный амплитудный детектор, которому и посвящена данная работа.

1. Назначение амплитудного детектора в структуре измерителя параметров ПКЭ

Важнейшими измеряемыми электрическими параметрами ПКЭ являются: частота ^ последовательного резонанса, частота fl параллельного резонанса (антирезонанса) и добротность 0. Кроме того, дополнительная информация о свойствах и характеристиках ПКЭ может быть получена при их представлении четырехэлементной эквивалентной

электрической схемой, приведенной на рисунке 1, где С1, Ь1, К1 - динамические емкость, индуктивность и сопротивление; С2 - параллельная емкость. Соотношения между параметрами эквивалентной электрической схемы и упомянутыми выше измеряемыми частотными параметрами приведены в [2].

L1 Rl C\

C2

Рисунок 1 - Четырехэлементная эквивалентная электрическая схема ПКЭ

Структурная схема аппаратной части измерителя параметров ПКЭ приведена на рисунке 2.

Разработанный авторами измеритель параметров ПКЭ, по сути, представляет собой измерительный комплекс, гибкость и многофункциональность которого обеспечиваются использованием программируемой системы на кристалле PSoC 5 (Programmable System on Chip) фирмы Cypress [4]. PSoC содержит развитую периферию в виде блоков различного назначения: АЦП, операционных усилителей, компараторов, аналоговых и цифровых мультиплексоров и др. Отличительной особенностью является возможность конфигурации периферии PSoC независимо от процессора, что выгодно отличает PSoC от других микроконтроллеров.

DDS генератор

Аттенюатор

Измерительная схема

Z1

'Co

OUT

+V -V

DA1

Амплитудный детектор

Персональный

компьютер ' ft '

Программируемая > система на кристалле PSoC

К источнику питания

Е-

Рисунок 2 - Структурная схема аппаратной части измерителя параметров ПКЭ

Исследуемый ПКЭ (Z1) включается во входной цепи измерительной схемы на основе быстродействующего операционного усилителя ВА1 ОРА656 [5], в цепи отрицательной обратной связи которого включен опорный конденсатор с емкостью Со.

Для формирования синусоидальных тестовых сигналов используется выполненный на базе микросхемы AD9850 [6] генератор прямого цифрового синтеза (DDS) с быстрой программно-управляемой перестройкой частоты. Программно-управляемый аттенюатор осуществляет автоматическое снижение

амплитуды входного воздействия по мере приближения к резонансу ПКЭ, чтобы избежать превышения максимального допустимого значения входного напряжения ОУ измерительной схемы.

Для выделения огибающей выходного напряжения измерительной схемы используется линейный амплитудный детектор, подробно рассмотренный ниже.

Считывание выходного сигнала с детектора, а также управление БЭЗ-генератором и взаимодей-