Устройство для калибровки регистраторов электромагнитного поля

УДК 53.089.6

С. В. Пильгаев, А. В. Ларченко, О. М. Лебедь, М. В. Филатов, А. С. Никитенко, Ю. В. Федоренко

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ РЕГИСТРАТОРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Аннотация

Представлено устройство для калибровки электромагнитных систем сбора данных. Отличительной особенностью устройства является стабильность и точная синхронизация фазы выходного синусоидального сигнала с использованием универсального координированного времени, предоставляемого приемником GPS/ГЛОНАСС.

Ключевые слова:

низкочастотный генератор сигналов, передаточная характеристика, калибровка, магнитные рамочные антенны.

S.V. Pil'gaev, A.V. Larchenko, O.M. Lebed', M.V. Filatov, A.S. Nikitenko, Yu. V. Fedorenko

ELECTROMAGNETIC ACQUISITION SYSTEMS CALIBRATION DEVICE

Abstract

The device for calibrating the electromagnetic data acquisition systems is presented. A distinctive feature of this device is stability and precise synchronization of phase of the output sine-wave signal with Universal Coordinated Time provided by GPS/GLONASS receiver.

Keywords:

waveform generator, transfer function, calibration, magnetic loop antennas. Введение

В настоящее время в ПГИ используется сеть высокоширотных станций наземной регистрации компонент электромагнитного поля КНЧ-, СНЧ- и ОНЧ-диапазонов. При исследовании эффектов распространения электромагнитных волн в волноводе Земля — ионосфера возникает ряд задач, при решении которых требуется прецизионная привязка цифровых данных к мировому времени. Правильность интерпретации данных измерений всецело зависит от точного знания характеристик и свойств датчиков, входящих в конструкцию регистраторов, и точности определения передаточных характеристик их измерительных каналов. В ходе проведенных исследований [1] было выявлено, что для определения характеристик измерительных каналов геофизического оборудования с требуемой точностью выполнения их расчета по электрическим схемам недостаточно и необходимо проведение прямых измерений [2].

Приемные антенны регистраторов расположены на расстоянии 300500 м от технических зданий с целью уменьшения влияния техногенных помех. В данных условиях для калибровки измерительных каналов регистраторов используются генераторы сигналов с длинными передающими

линиями, что оказывает негативное влияние в виде наводок, затухания, смещения фазы сигнала за счет времени прохождения сигнала до калибровочного устройства (антенны). Нестабильность амплитуды напряжения на выходе генератора учитывается за счет записи калибровочного сигнала на параллельный канал аналого -цифрового преобразователя [3]. Измерения амплитудно-частотных (АЧХ) и фазово-частотных (ФЧХ) характеристик производятся с использованием дискретного набора частот, при этом амплитуды сигнала так же необходимо варьировать от частоты к частоте. Переключения режимов работы генератора (изменения амплитуды и частоты сигнала) в процессе проведения калибровочных измерений производит оператор. Это приводит к трате временных ресурсов и ошибкам, связанным с человеческим фактором.

Перечисленных недостатков при калибровке измерительных каналов систем сбора данных можно было бы избежать при использовании автономного низкочастотного генератора с возможностью автоматического переключения частоты и амплитуды выходного сигнала и привязкой фазы сигнала к мировому времени. При установке генератора непосредственно у антенн можно избежать негативного влияния длинной калибровочной линии.

В ходе поиска подходящего генератора была проанализирована продукция ведущих производителей KeySight (Agilent), B&KPrecision, GWInstek, Tabor, Keysight, Tektronix, SRSYS. Среди представленных генераторов низкочастотных сигналов выявлены следующие недостатки. Для переключения частоты и амплитуды сигнала, в лучшем случае, требуются наличие компьютера, что обусловливает невозможность использования генератора в полевых условиях. Генераторы с внешней синхронизацией используют в качестве опорной частоты внешний генератор с фиксированной частотой, как правило, 10 МГц, что приводит к ошибкам квантования и к отклонению фактической частоты от запрограммированной. Как следствие, при обработке данных измерений для получения достоверных АЧХ и ФЧХ приходится предварительно производить вычисления точных частот калибровочного сигнала. Большинство генераторов не поддерживают внешнее триггирование для запуска процесса цифро-аналогового преобразования. Даже если данный функционал поддерживается, точное время между внешним прерыванием и фактическим стартом генерации сигнала в технической документации генераторов зачастую не приводится или является относительной величиной. Знание данного параметра необходимо для измерения времени задержки аналого-цифровых трактов регистраторов и, соответственно, значений абсолютной ФЧХ измерительных каналов. Высокая чувствительность приемных антенн накладывает ограничение на использование высокопотребляющих приборов или компьютеров в непосредственной близости от них. Питание большинства генераторов осуществляется от сети 220 В, что исключает их применение.

Поскольку генераторы, представленные на рынке, не соответствуют заявленным требованиям, было решено разработать и создать мобильный стабильный низкочастотный генератор с привязкой фазы сигнала к мировому времени.

Описание устройства для калибровки

Генератор предназначен для формирования низкочастотных сигналов с заданной амплитудой, начальной фазой, частотой и формой. Основные эксплуатационные характеристики генератора определяются

микроконтроллером LPC1788 с современным ядром Cortex-M3.

Выходное напряжение генератора вырабатывается встроенным в микроконтроллер 10-разрядным цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) с архитектурой Resistor String. Для распараллеливания процессов ввода-вывода и формирования сигнала используется режим прямого доступа к памяти (DMA, Direct Memory Access), что исключает влияние латентности операций ядра на процесс формирования сигнала. За счет использования двойного буфера ЦАП время передачи слова по шине данных не влияет на равномерность распределения шкалы времени переключений ЦАП. Кольцевой буфер отсчетов ЦАП содержит 4096 слов, что позволяет получить достаточно гладкую форму сигнала на выходе ЦАП. В выборе формы сигнала пользователь не ограничен. Возможна как загрузка формы выходного сигнала при помощи WEB интерфейса, так и выбор из стандартных форм в виде синусоидального, ограниченного линейно изменяющегося или треугольного сигнала. Величина выходного напряжения ЦАП изменяется в пределах 0-3,3 В с шагом примерно 0,03. Для стабилизации уровней ЦАП, и, как следствие, амплитуды выходного сигнала, в схеме использован высокостабильный источник опорного напряжения.

Для согласования выходных сопротивления и напряжения ЦАП с нагрузкой и формирования требуемой амплитуды напряжения генератор оснащен выходным каскадом, выполненным на двух операционных усилителях (ОУ) AD8397. Особенностями этой микросхемы являются широкий динамический диапазон и низкий уровень нелинейных искажений при больших значениях выходного тока, что обусловило ее применение в генераторе. Первый ОУ включен по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления, равным 3. К его выходу подключен второй ОУ, включенный по схеме инвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления. Таким образом, при напряжении питания ОУ 24 В (± 12 В) и максимальном напряжении на выходе ЦАП 3,3 В, напряжение между выходами неинвертирующего и инвертирующего усилителей составляет 19,8 В.

Для минимизации влияния изменений температуры на характеристики устройства пассивные компоненты аналоговой части генератора подобраны с минимальным коэффициентом температурного сопротивления. Все элементы системы работают в индустриальном диапазоне температур.

Источник опорной частоты

В качестве источника опорной частоты тактового сигнала калибровочного устройства выбран специализированный GPS/GLONASS приемник u-blox lea-m8t, оснащенный высокостабильным генератором с термокомпенсацией. Приемник предназначен для систем, где требуется использование точного времени. Его особенностью является возможность программной установки частоты источника тактового сигнала.

Взаимодействие модулей контроллера с GPS/GLONASS приемником схематично изображено на рис. 1. Тактовый сигнал с выхода приемника используется для работы микроконтроллера LPC1788. Ядро микроконтроллера работает на частоте, в 20 раз большей опорной тактовой частоты. Минимальная и максимальная частота работы ядра микроконтроллера ограничена его характеристиками, в соответствии с которыми опорная частота выбирается в диапазоне от 1 Мгц до 6 МГц. Периферийный модуль встроенного цифро-аналогового преобразователя работает на половинной частоте (PBCLK) ядра микроконтроллера.

Рис. 1. Взаимодействие микроконтроллера и GPS/GLONASS приемника

Программирование приемника осуществляется через интерфейс UART. В описываемом устройстве частота сигнала всегда выбирается кратной 1 Гц ввиду простоты реализации и отсутствии необходимости проведения калибровки на частотах, меньших 1 Гц. Для каждой выбранной пользователем частоты сигнала на выходе ЦАП рассчитывается частота опорного тактового сигнала и программно устанавливается в приемнике. Для получения сигнала требуемой частоты на выходе ЦАП используются два делителя: значение регистра DACCNTVAL (dv) и число отсчетов в секунду (cv). Сглаженность формы сигнала зависит от количества переключений уровней сигнала ЦАП. Учитывая данные условия, частота опорного тактового сигнала рассчитывается так, чтобы частота работы ядра микроконтроллера была максимальной, и результат от деления частоты работы ЦАП на оба делителя являлся целым числом. Для обеспечения непрерывной работы микроконтроллера во время переключения значения тактовой частоты на выходе GPS/GLONASS приемника используется внутренний IRC 12 МГц резонатор.

Для синхронизации выходного сигнала генератора с началом секунды мирового времени запуск процесса цифро-аналогового преобразования производится по переднему фронту строба по линии PPS. Задержки

распространения сигналов, вносимые кабелем антенны GPS-приемника, компенсируются непосредственно в приемнике. Смещение переднего фронта PPS сигнала от истинного времени из-за ошибок квантования приемника извлекается из сообщения TIM-TP по линии UART. Сдвиг фазы выходного сигнала относительно PPS импульса оценен посредством двулучевого осциллографа и составляет 1,25 мкс. Данная величина включает в себя время обработки прерывания от PPS импульса и время установки цифро-аналогового преобразователя. Таким образом, пользователю предоставляется возможность учесть разницу времени между моментом запуска процесса цифро-аналогового преобразования и секундной метки мирового времени.

В ходе многократных испытаний устройства калибровки погрешность определения задержки измерительных каналов составила 100 нс. Максимальная амплитуда сигнала на выходе 19,8 В (температурный коэффициент 2 ppm/°C2 ppm/°C.

Заключение

Авторами было разработано и создано устройство для проведения измерений АЧХ И ФЧХ измерительных каналов регистраторов компонент ЭМ-поля. Разработанное устройство представляет собой генератор сигналов с привязкой волновой формы сигнала к сигналу GPS/GLONASS-приемника. Отличительными особенностями прибора являются низкая себестоимость, простота исполнения, относительно малое энергопотребление и мобильность. Использование данного генератора для калибровки измерительных каналов СНЧ-ОНЧ-регистратора обс. Ловозеро позволило рассчитать абсолютную задержку, вносимую процессом аналого-цифрового преобразования и учесть ее при интерпретации результатов измерений в эксперименте по модификации ионосферы модулированным коротковолновым сигналом нагревного стендом «EISCAT/heating» 2016 г.

Благодарности. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ мол_а №16-35-00293.

Литература

1. Первые результаты одновременной регистрации ОНЧ-излучений в двух близко расположенных пунктах в авроральных широтах / Ю. Маннинен и др. // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 1. С. 36-42.

2. Методы оценки и представления передаточных функций геофизических датчиков / А. В. Ларченко и др. // Труды Кольского научного центра РАН. 2016. № 4-2 (38). С. 73-83.

3. Трехкомпонентный СНЧ/ОНЧ-приемник с прецизионной привязкой к мировому времени / С. В. Пильгаев и др. // Труды Кольского научного центра РАН. 2015. Т. 6 (32), вып. 1. С. 113-119.

4. Реакция авроральной нижней ионосферы на солнечные вспышки в марте 2012 года по данным наблюдений в СНЧ-диапазоне / О. М. Лебедь и др. // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. Т. 55, № 6. С. 797-807.

Сведения об авторах

Пильгаев Сергей Васильевич

н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: pilgaev@pgia.ru

Ларченко Алексей Викторович

м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: alexey.larchenko@gmail.com

Лебедь Ольга Михайловна

к. ф.-м. н., н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: olgamihsh@yandex.ru

Филатов Михаил Валерьевич

м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: mishgun@yandex.ru

Никитенко Александр Сергеевич

м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: alex.nikitenko91@gmail.com

Федоренко Юрий Валентинович

к. ф.-м. н., зав. сектором, Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: yury.fedorenko@gmail.com