Многофункциональный измерительный комплекс для определения параметров электрических цепей

Светлов А.В., Ушенин Д.А., Ушенина И.В. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Во многих областях человеческой деятельности (научные исследования, промышленные измерения и контроль, медицина, биология, электрохимия) существует множество объектов, представляемых электрической схемой замещения в виде пассивной двухполюсной электрической цепи (ЭЦ), поэтому остается актуальной задача совершенствования способов преобразования параметров ЭЦ в напряжение. Одним из наиболее перспективных способов определения параметров ЭЦ является использование измерительных преобразователей на основе операционных усилителей, на вход которых подается несинусоидальное опорное напряжение [1, 2]. В систему уравнений, описывающих поведение такой измерительной схемы (ИС), подставляются значения дискретных отсчетов выходного напряжения ИС и находятся искомые параметры ЭЦ. При практической реализации этого и других способов преобразования параметров ЭЦ с увеличением числа элементов, входящих в состав цепей, становится все труднее подобрать оптимальные условия преобразования их параметров. Для этого средство измерений параметров ЭЦ должно обладать многофункциональностью и гибкостью. Таким требованиям отвечают аппаратно-программные измерительные комплексы, обеспечивающие автоматизированный подбор наилучших (в рамках выбранного способа построения аппаратной части) условий преобразования параметров ЭЦ в напряжение.

Условия преобразования зависят от количества элементов исследуемой ЭЦ, её топологии, характера сопротивления каждого её элемента, соотношения параметров элементов ЭЦ. Условия преобразования задаются выбором топологии ИС и её энергетического режима (ЭЦ в режиме заданного тока или заданного напряжения), выбором вида опорного воздействия, выбором моментов времени отсчетов выходного напряжения ИС и т.п.

Пользователю должна предоставляться возможность выбора критерия оптимальности условий преобразования, например: приемлемые погрешности преобразования параметров всех элементов ЭЦ; минимальная погрешность преобразования параметра одного из элементов; наиболее широкий диапазон изменения параметра одного из элементов при заданных параметрах других элементов; минимальное время преобразования и др.

К аппаратно-программному измерительному комплексу для определения параметров ЭЦ предъявляются следующие требования:

- определение изменяющихся в широких пределах параметров элементов множества ЭЦ различных конфигураций с числом элементов от одного до трех;

- варьирование условий преобразования с целью их оптимизации по критериям, заданным пользователем;

- математическая обработка результатов измерения: определение искомых значений параметров ЭЦ путем

решения системы уравнений с учетом полученных значений отсчетов выходного напряжения ИС; коррекция составляющих погрешности преобразования, обусловленных учтенными влияющими факторами;

- представление измерительной информации в удобном для пользователя виде;

- сохранение информации об условиях преобразования, признанных оптимальными для различных конфигураций ЭЦ, с целью их последующего воспроизведения.

При автоматизированном подборе наилучших условий преобразования параметров ЭЦ в напряжение программа должна находить все доступные (при используемой аппаратной части) способы определения параметров элементов исследуемой ЭЦ, включая и те, которые позволяют измерить параметры одного или нескольких (не всех) элементов, если пользователем выбран критерий минимальной погрешности преобразования параметра одного из элементов.

Авторами рассматривались два подхода к проблеме автоматизации подбора условий преобразования параметров ЭЦ.

Первый подход заключается в развитии и практической реализации предложенных в [2] алгоритмов, позволяющих с использованием системы индексов, характеризующих топологию исследуемой ЭЦ и характер сопротивления каждого её элемента, получить конкретные условия преобразования параметров данной ЭЦ в рамках выбранного способа построения преобразователя. Развитие этих алгоритмов позволяет включить в рассмотрение различные варианты построения преобразователя, в том числе предусматривающие определение не всех, а только некоторых элементов ЭЦ, но с большей точностью. При этом алгоритмы определения условий преобразования приобретают новые разветвления, что ведет к усложнению программного кода. Для обоснованного выбора способа преобразования нужна полученная в результате предварительных исследований информация об ожидаемых точностных характеристиках при различных условиях преобразования. Требуется разработать правила формализации и использования этой информации, для её хранения необходима соответствующая база данных. Практическая реализация данного подхода получается громоздкой и требует больших затрат времени.

Второй подход проще в реализации, он изначально предполагает создание баз данных, в которых должна храниться информация о всех вариантах схем ЭЦ, параметры которых могут быть определены с применением имеющихся аппаратной и программной частей комплекса, а также об оптимальных (по различным критериям) условиям преобразования параметров ЭЦ. При этом использование баз данных не предполагает четкого следования заранее разработанному алгоритму и предоставляет пользователю возможность реализовать все доступные варианты преобразования параметров ЭЦ с указанием предпочтительности одного из них в соответствии с выбранным критерием. Детальное исследование предложенных вариантов преобразования с оценкой ожидаемых точностных характеристик осуществляется путем схемотехнического моделирования ИС с помощью соответствующего модуля программного обеспечения комплекса. Ниже рассмотрены особенности практической реализации данного подхода к решаемой проблеме.

Многофункциональный измерительный комплекс для определения параметров электрических цепей включает в себя аппаратную часть, подключаемую к СОМ-порту персонального компьютера, и программное обеспечение.

Программное обеспечение измерительного комплекса

Гибкость и многофункциональность комплекса достигаются, главным образом, за счет программного обеспечения [3], состав которого поясняется рисунком 1.

Рисунок 1. Состав программного обеспечения комплекса Программное обеспечение включает в себя:

- модуль интерфейса для взаимодействия с пользователем;

- модуль математической обработки результатов измерения;

- модуль схемотехнического моделирования измерительной схемы;

- модуль взаимодействия с аппаратной частью.

Все модули контролируются блоком управления, который может обращаться к базам данных. Первая группа баз данных содержит исходные данные об ЭЦ: информацию о топологии ЭЦ, характере сопротивления каждого её элемента, а также априорную информацию (если таковая имеется) о возможных диапазонах изменения параметра каждого элемента ЭЦ. Вторая группа баз данных содержит библиотеки пользовательских решений, т.е. информацию об оптимальных (по различным критериям) условиях преобразования параметров ЭЦ.

Аппаратная часть измерительного комплекса

Основное требование к аппаратной части комплекса - поддержка универсальности и гибкости программного обеспечения.

Аппаратная часть (рисунок 2) содержит:

- измерительную схему (ИС), преобразующую сопротивление исследуемой ЭЦ в напряжение [4];

- управляющий микроконтроллер, координирующий процесс измерения, принимающий команды от персонального компьютера (ПК) и отправляющий в него результаты измерения;

- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), подающий на ИС опорное напряжение заданной формы (обычно прямоугольной или пилообразной);

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП), получающий отсчеты выходного напряжения ИС.

Рисунок. 2. Структурная схема аппаратной части измерительного комплекса

Аппаратную часть комплекса можно условно разделить на две компоненты: типовую для измерительных приборов и проблемно-ориентированную. Проблемно-ориентированной является измерительная схема, поскольку её построение обусловлено спецификой решаемой задачи. Типовая компонента, включающая в себя АЦП, ЦАП и микроконтроллер, обеспечивает такие функции, как формирование опорного напряжения, аналого-цифровое преобразование, взаимодействие с ПК, управление измерительной схемой. Аналогичные задачи приходится решать во многих областях измерительной техники, следовательно, существует множество вариантов их решения в виде самостоятельных устройств. К ним относятся платы и устройства аналогового и цифрового ввода-вывода, а также микроконтроллеры со встроенными ЦАП и АЦП. Они имеют заранее известный, заявленный производителем набор функций и характеристик. Поэтому в качестве преимуществ их использования можно указать не только очевидное сокращение времени разработки аппаратной части в целом, но и отсутствие необходимости настройки и исследований типовой части аппаратного обеспечения комплекса с целью выявления ее характеристик. Однако при сопряжении готового устройства с измерительной схемой всё равно потребуется ряд исследований, направленных на выявление различных эффектов и ограничений, накладываемых принятыми схемотехническими решениями на номенклатуру исследуемых объектов.

Для практической реализации аппаратной части был выбран микроконвертор ADuC841 от Analog Devices [5], включающий микроконтроллер архитектуры 8052 и аналоговую периферию, в том числе 12-разрядный АЦП последовательного приближения с мультиплексором на 8 каналов и два 12-разрядных ЦАП. Главными его преимуществами по сравнению с платами и устройствами ввода-вывода, предлагаемыми отечественными и зарубежными производителями, является значительный выигрыш в цене и размерах устройства. С другой стороны, ряд устройств ввода-вывода имеют более высокое быстродействие и разрядность АЦП и ЦАП, чем микроконвертор, т.е., с их помощью можно было бы исследовать объекты со схемами замещения, имеющими меньшие постоянные времени переходных процессов, и с большей точностью. Тем не менее, при невысокой стоимости возможности микроконвертора оказываются достаточными для решения множества практических задач определения параметров ЭЦ, а также для исследования алгоритмических способов расширения диапазонов измерения параметров ЭЦ.

Проблемно-ориентированная компонента аппаратной части комплекса - ИС содержит во входной цепи и цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя (ОУ) исследуемый объект и опорный элемент (рисунок 3). Выбор места их включения определяется заданным энергетическим режимом ЭЦ - режимом заданного тока или напряжения [4]. При проектировании ИС за основу были взяты многократно проверенные, хорошо себя зарекомендовавшие схемные решения [1, 2] . Однако элементная база, на которой они в свое

время были реализованы, устарела, поэтому основной задачей разработки ИС был выбор подходящих элементов, прежде всего, ОУ. Характеристики ОУ в совокупности с быстродействием и точностью ЦАП и АЦП определяют характеристики аппаратной части в целом. В частности, максимально допустимый выходной ток ОУ накладывает ограничения на диапазон полных сопротивлений ЭЦ, а максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ и быстродействие ЦАП и АЦП - на диапазон постоянных времени ЭЦ. Тем самым накладываются ограничения на диапазоны возможного изменения параметров каждого из элементов ЭЦ и диапазоны соотношения активных и реактивных сопротивлений RC- и RL-цепей. Исходя их приведенных выше соображений был выбран рекомендованный в качестве драйвера для АЦП микроконвертора ADuC841 операционный усилитель AD823 фирмы Analog Devices [5].

К COM-порту компьютера ^

Рис. 3. Функциональная схема аппаратной части измерительного комплекса

Возможность варьирования места включения опорного элемента, характера его сопротивления и номинала реализуется за счет включения в ИС наборов опорных емкостей и сопротивлений, коммутируемых герконовы-ми реле (группы ключей Кл.1 и Кл.2 на рисунке 3).

При использовании указанной элементной базы комплекс обеспечивает измерение с относительной погрешностью не более (1 - 2) % параметров элементов двух- и трехэлементных ЭЦ в следующих диапазонах:

сопротивлений - от 100 Ом до 100 кОм, емкостей - от 100 пФ до 100 нФ, индуктивностей - от 1 мГн до 1 Гн. Постоянные времени ЭЦ или их ветвей (плеч) могут изменяться в диапазоне от 100 мкс до 10 мс. Предусмотрена возможность улучшения точностных характеристик измерительного комплекса и расширения диапазонов измерения в сторону меньших значений параметров элементов при меньшей постоянной времени (до 10 мкс). Для этого ИС с набором опорных элементов и реле выполнена на отдельной плате, что позволяет её использовать с другими, имеющими более высокую стоимость, конфигурациями типовой компоненты аппаратной части, включающей в себя АЦП и ЦАП с более высоким быстродействием и большим числом разрядов. Для уменьшения минимально возможного полного сопротивления ЭЦ необходимо заменить ОУ на плате ИС на усилитель с большей нагрузочной способностью или применить ИС другой конфигурации - на базе источника тока, управляемого напряжением [4]. При этом возможно измерение индуктивностей в диапазоне от 10 мкГн до 10 мГн и активных сопротивлений в диапазоне от 0,1 до 100 Ом.

Кроме задач измерения параметров ЭЦ рассмотренный измерительный комплекс предназначен для отработки алгоритмических, программных и аппаратных решений, позволяющих осуществлять выбор оптимальных условий проведения измерительного эксперимента при разработке средств измерений параметров конкретных объектов, представляемых схемами замещения в виде двухполюсных ЭЦ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей / Под ред. А.И. Мартяшина. -М.: Энергоатомиздат, 1990. - 216 с.

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

3. Ушенина И.В. Программное обеспечение универсального аппаратно-программного комплекса для измерения параметров пассивных многоэлементных двухполюсников // Надежность и качество. Труды международ. симпоз. В 2-х томах. Том 1. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - С. 389 - 391.

4. Светлов А.В., Ушенин Д.А., Ушенина И.В. Преобразователи сопротивления электрических цепей в напряжение для многофункционального измерительного комплекса // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - Вып. 30. - С. 69 - 74.

5. http://www.analog.com