Задачи проектирования модулей контроля и преобразования напряжений постоянного тока

Применение рассмотренной методологии при контроле параметров узлов и блоков РЭА служебных систем КА позволило повысить эффективность контроля на всех этапах изготовления и испытаний.

список литературы

1. Попов В. Н. Нормы и допуски на параметры функциональных узлов. М.: Энергия, 1976. 72 с.

2. Фомин А. В., Борисов В. Ф., Чермошенский В. В. Допуски в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Сов. радио, 1973.

3. Барабащук В. И., Креденцер Б. П., Мирошниченко В. И. Планирование эксперимента в технике. Киев: Техника, 1984.

4. Ковель А. А., Серегин С. А. Применение МПЭ для формирования допусков и сдаточных норм на параметры электронных устройств // Производственно-технический опыт. 1984. № 5.

5. Ковель А. А., Покидько С. В. Определение допустимых границ параметров узлов РЭА при выборочном контроле // Производственно-технический опыт. 1987. № 9—10.

6. Гаскаров Д. В., Шаповалов В. И. Малая выбока. М.: Статистика, 1978.

7. Смирнов Н. В., Дунин-Барковский И. В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М.: Наука, 1969.

8. Мюллер П., Нойман П., Шторм Р. Таблицы по математической статистике. М.: Финансы и статистика, 1982.

9. Чернов А. П. Мысленный эксперимент. М.: Наука, 1979. 200 с.

Рекомендована Поступила в редакцию

НПО ПМ 12.01.08 г.

УДК 681.586: 621.317.799

А. И. Горностаев, С. А. Рыбаков

Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М. Ф. Решетнёва

Железногорск

ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОДУЛЕЙ КОНТРОЛЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Предлагаются варианты построения измерительного тракта модуля контроля и преобразования напряжений. Рассматриваются способы повышения точности измерения с помощью микроЭВМ.

Одной из важнейших задач при проектировании модулей контроля и преобразования напряжений (МКПН), применяемых в бортовой аппаратуре с длительным сроком эксплуатации для контроля постоянных и медленно изменяющихся напряжений, является обеспечение высокой точности измерения в течение всего срока эксплуатации. Наилучшие результаты при решении этой задачи могут быть получены с помощью микроЭВМ. В этом случае повышение точности измерения основано на проведении автокалибровок по образцовому источнику, встроенному в МКПН (с помощью автокалибровок при определенных условиях удается минимизировать погрешность МКПН до уровня погрешности образцового источника).

Принцип проведения автокалибровок по двум точкам на примере контроля однополяр-ного напряжения изложен в работе [1]. Однако при практической реализации МКПН приходится учитывать возможность контроля разнополярных напряжений, а также необходимость разбиения диапазона измерения на несколько участков, что приводит к усложнению структуры МКПН и алгоритма проведения автокалибровок. Структурные изменения при этом могут

быть определены после того, как будут проанализированы требования, относящиеся к основным техническим характеристикам МКПН, а именно к количеству опрашиваемых каналов, входному сопротивлению, входному току, помехоустойчивости, диапазону измерения, чувствительности, разрешающей способности, точности и быстродействию.

Базовыми структурными элементами МКПН являются коммутатор напряжений датчиков, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и элементы сопряжения с микроЭВМ через параллельный интерфейс — буферное устройство и схема управления. Проанализируем, каким образом повышение требований к основным техническим характеристикам приводит к усложнению структуры МКПН, по функциональной схеме, приведенной на рисунке (где КНД — коммутатор напряжений датчиков, ИУ — инструментальный усилитель, IУI — устройство выделения абсолютной величины сигнала, МУ — масштабирующий усилитель, КП — компаратор полярности, КД — компаратор поддиапазона, УФД — устройство фиксации поддиапазона, ИОН — источник опорных напряжений, КОН — коммутатор опорного напряжения; ФКН — формирователь калибровочных напряжений, БУ — буферное устройство, СУ — схема управления, ПИ — параллельный интерфейс микроЭВМ).

Построение входных устройств. При контроле разнополярных напряжений датчиков, поступающих по нескольким (k>1) каналам, возникает необходимость сохранения развязки выходных цепей датчиков друг от друга, поскольку объединение одного из полюсов выходных цепей с общей шиной питания МКПН может привести к взаимному влиянию датчиков. Эта задача может быть решена путем применения в МКПН инструментального усилителя, который характеризуется высоким значением входного сопротивления между дифференциальными входами [2]. Однако это потребует коммутации входных цепей каналов контроля уже не по одному полюсу, а обоих полюсов одновременно (Uxi+, Uxi-). Аналогичным образом должны коммутироваться оба полюса входных цепей канала калибровки (ик+, ик-).

Для защиты от возможной высокой статической разности потенциалов между дифференциальными входами и общей шиной питания потребуется введение высокоомных резисторов привязки Яп к общей шине и схемы ограничения от перегрузки (на рисунке не показаны). При этом, если не учитывать шунтирующего действия высокого входного сопротивления инструментального усилителя, входное сопротивление каналов контроля составит что приводит к появлению методической погрешности в результатах измерения напряжения:

5=Яд/(Явх+Яд),

где Яд — внутреннее сопротивление датчика. За счет включения резисторов привязки Яп между дифференциальными входами установится напряжение их=ид(1-5), где ид — контролируемое напряжение датчика, а на дифференциальных входах относительно общей шины питания установятся разнополярные напряжения и±=±их/2. Это приведет к необходимости использования для коммутации напряжений датчиков разнополярных аналоговых коммутаторов.

Входной ток /вх канала контроля также может исказить результаты измерения вследствие методической погрешности, абсолютное значение которой составит А=/вх^д. Это накладывает ограничения на входные токи затвора полевых транзисторов инструментального усилителя, токи утечки схемы ограничения от перегрузки и другие составляющие, определяемые схемами входных цепей коммутатора напряжений датчиков.

При выборе способа обеспечения требуемой помехоустойчивости учитывается, что в процессе контроля напряжений датчиков во входных цепях инструментального усилителя действуют синфазные и дифференциальные составляющие помехи, вызванные в основном электромагнитными наводками, которые приводят к искажению результатов измерения случайной погрешностью. При этом степень защищенности МКПН от электромагнитных наводок характеризуется коэффициентом подавления синусоидальной помехи Ксп=201§(исп/АЦ), где исп — амплитуда синусоидальной помехи, Аи — погрешность результатов измерения вследствие действия этой помехи как для дифференциальной, так и для синфазной составляющей.

Для защиты от воздействия электромагнитных наводок в кабельной сети обычно предусматривается экранирование проводов датчиков. Способы экранирования и сравнительный анализ их эффективности представлены в [1, 3]. Однако экраны кабельной сети защищают провода датчиков от внешних наводок частично, поэтому для подавления высокочастотных помех во входных коммутируемых цепях инструментального усилителя устанавливаются пассивные ^С-фильтры с постоянной времени Хф=ЯС, позволяющей в течение времени опроса То канала сохранить в одном цикле результаты измерения напряжения с требуемой точностью. Если в каналах присутствуют низкочастотные помехи, которые в одном цикле измерения неотличимы от входных напряжений в течение времени опроса То, то уменьшение искажения результатов измерения достигается с помощью микроЭВМ путем статистической обработки ряда из п циклов измерений [4].

В измерительных системах обычно не все каналы контроля МКПН используются. Если входные цепи таких каналов оставить „в свободном состоянии", то повышенный уровень наведенных в них помех может повлиять на результаты измерения в используемых каналах. Поэтому для исключения взаимовлияния между каналами в кабельной сети предусматривается возможность объединения дифференциальных входов между собой или с общей шиной.

Разбиение диапазона измерения на поддиапазоны. При измерении входного напряжения их в широком диапазоне последний для получения на выходе АЦП необходимого цифрового эквивалента Ух разбивается на два — старший и младший поддиапазоны с использованием устройства автоматического переключения с одного поддиапазона измерения в другой. Разбиение общего диапазона измерения на поддиапазоны производится исходя из требования обеспечения в каждом поддиапазоне чувствительности £и (ступень квантования) и разрешающей способности 1/Гщах (7тах — максимальное количество ступеней квантования).

Согласование максимальных уровней входных напряжений ихтах в разных поддиапазонах с номинальным уровнем напряжения преобразования АЦП иапот, которому соответствует номинальный цифровой эквивалент 7пот, обеспечивается с помощью масштабирующего усилителя. Уровень номинального напряжения иапот выбирается несколько меньшим максимально допустимого уровня преобразования АЦП иатах. При этом учитывается запас на допустимую перегрузку напряжения их в младшем поддиапазоне и на нестабильность параметров передаточной характеристики измерительного тракта, при которой значение иа не пре-

высит максимального в процессе всего срока эксплуатации МКПН. Обычно этот запас составляет не более 20 % от номинального напряжения Uaaom, при этом чувствительность МКПН в поддиапазонах определяется из соотношения S^=Uxmax/Ynom.

Для обеспечения возможности автоматического переключения поддиапазонов в структуре МКПН применяются источник опорного напряжения уровня переключения поддиапазонов иод и компаратор поддиапазонов, изменяющий коэффициент усиления масштабирующего усилителя Ky в зависимости от установившегося поддиапазона (при Ux>Uод устанавливается старший поддиапазон, при их<иод — младший). Поскольку уровень напряжения Ux может как превышать уровень напряжения U^, так и снижаться по отношению к нему, для обеспечения условия Кму = const в процессе измерения в структуру МКПН вводится устройство фиксации поддиапазона. При этом признак поддиапазона фиксируется после возникновения переходных процессов в инструментальном усилителе в момент начала опроса канала. Запуск АЦП осуществляют после завершения переходных процессов в масштабирующем усилителе, возникающих в момент фиксации поддиапазона. Для исключения возможной перегрузки масштабирующего усилителя из-за неопределенности уровня входного напряжения при опросе канала по завершении опроса предыдущего канала осуществляется начальная предустановка признака старшего поддиапазона. Для исключения ложной фиксации поддиапазона под действием помех при измерении напряжений UR в калибровочных точках, близких к уровню напряжения Um, признак поддиапазона устанавливается в соответствии с калибруемым поддиапазоном. Уровень напряжения U^ для удобства настройки калибровочных точек выбирается с учетом его возможной нестабильности несколько выше номинального значения входного напряжения Uxnom, обычно не более 10 %, но не превышая уровень напряжения допустимой перегрузки Uxmax в младшем поддиапазоне.

Для повышения разрешающей способности 1/Ymax обычно выбирают АЦП с увеличенной разрядностью. Если разрядности АЦП недостаточно для получения требуемой разрешающей способности при одновременном контроле положительных и отрицательных напряжений (старший разряд АЦП используется как признак полярности напряжения), возможно разбиение поддиапазона измерения на положительную и отрицательную области, каждая из которых отдельно „отрабатывается" полной шкалой АЦП, что повысит разрешающую способность в два раза. Однако в этом случае в состав МКПН вводятся схема выделения абсолютной величины сигнала [5] и компаратор полярности (на рисунке выделены пунктиром). Необходима высокая точность срабатывания компаратора полярности при измерении малых уровней сигнала, поскольку ошибка в определении знака приводит к скачкообразному увеличению погрешности измерения.

Компенсация погрешности измерения. Для обеспечения требуемой точности измерения в каждом поддиапазоне следует учитывать, что в измерительном тракте возникают две составляющие погрешности: случайная, вызванная электромагнитными наводками, нестабильностью напряжения источника питания и опорного напряжения, погрешностью квантования АЦП и др., и систематическая, вызванная фиксированными смещениями результатов измерения (разброс параметров ЭРИ, их температурная и временная нестабильность и др.).

Случайная составляющая погрешности непрогнозируема и в процессе измерения может изменяться в определенных пределах, поэтому для ее уменьшения принимают схемные и конструктивные решения с учетом электромагнитной совместимости. Так, для подавления радиопомех, создаваемых при коммутации электрических цепей, вместо пассивных RC-фильтров могут использоваться активные устройства подавления радиопомех [6].

Систематическая погрешность не изменяется при многократных измерениях, поэтому она вычисляется с помощью микроЭВМ путем определения констант уравнения передаточной характеристики измерительного тракта по результатам измерения напряжения в калибровочных точках, а результат измерения калибруется. Действительно, в общем случае цифровой

эквивалент Ух входного напряжения их определяется отклонением реальной передаточной характеристики измерительного тракта от идеальной и может быть получен с некоторой погрешностью вследствие начального смещения Есм (аддитивная составляющая), отличия коэффициента передачи Кп от номинального (мультипликативная составляющая) и нелинейности передаточной характеристики (нелинейная составляющая). Если пренебречь последней (линейность измерительного тракта обеспечивается выбором соответствующей элементной базы), то получить результат с минимальной погрешностью возможно, измерив:

— входное напряжение Ух=Кп(их+Есм);

— напряжение в первой калибровочной точке Ук1= Кп(ик1+Есм);

— напряжение во второй калибровочной точке Ук2= Кп(ик2+Есм).

Последние две операции являются калибровочными, позволяющими микроЭВМ автоматически рассчитать:

— коэффициент передачи Кп=(УК1~Ук2)/(ик1~ик2);

— начальное смещение Есм=(ик1 ^-и^ГкОЛУк!-^);

— действительное значение входного напряжения их=[(7х-7к2)ик1-(7х-7к1)ик2]/(7к1-7к2).

Из последней формулы видно, что напряжение их определяется по напряжениям ик1 и ик2, формируемым от образцового источника, влияние начального смещения Есм и коэффициента передачи Кп исключается.

Для проведения автокалибровок в поддиапазонах измерения необходимо использовать точки, соответствующие выбранному поддиапазону, поэтому в структуру МКПН вводятся общий источник опорного напряжения калибровки иок и управляемый формирователь калибровочных напряжений ик, в которых используются образцовые элементы необходимого класса точности. Эффективность автокалибровок будет зависеть от стабильности сетки калибровочных напряжений ик в течение всего срока эксплуатации МКПН, поэтому в источнике опорного напряжения иок используется прецизионный стабилитрон, для которого допускается большой разброс напряжения стабилизации при высокой стабильности по температуре и во времени, а в формирователе калибровочных напряжений используется делитель напряжения из прецизионных резисторов, позволяющий получить несколько значений калибровочных напряжений ик и осуществить необходимую подстройку [1, 5].

Для варианта использования в МКПН схемы выделения абсолютной величины сигнала калибровку поддиапазонов в положительной и отрицательной областях производят с одинаковыми по уровню, но противоположными по знаку напряжениями ик, поэтому в формирователе калибровочных напряжений предусматривают изменение полярности выходных цепей ик+ и ик- путем перекрестной коммутации прецизионных резисторов. Однако прецизионные резисторы имеют худшую по сравнению с прецизионными стабилитронами стабильность параметров во времени. Так, для резисторов типа С2-29В класса точности ±0,05 % нестабильность, гарантируемая ТУ, при суммарном времени включения менее 2000 ч составляет ±0,05 %, а при превышении этого времени может возрасти до ±0,5 %. Поэтому для сохранения стабильности напряжений ик делитель напряжения из прецизионных резисторов подключается к источнику напряжения иок только на время автокалибровки, для чего в структуру МКПН дополнительно вводят коммутатор опорного напряжения.

Управление процессом измерения. Процесс измерения напряжения их и ик предполагает циклический режим работы микроЭВМ, ограниченный допустимой длительностью цикла измерения Тци, в течение которой опрашиваются в МКПН все к каналов контроля и канал калибровки. Временная диаграмма опроса каналов полностью задается микроЭВМ в соответствии с алгоритмами, заложенными в ее программном обеспечении. Обмен информацией МКПН с микроЭВМ осуществляется через параллельный интерфейс. Запись информации (в зависимости от которой выбирается номер опрашиваемого канала, устанавливается уровень калибровочного напряжения, фиксируется поддиапазон и запускается АЦП) осуществ-

ляется в регистры схемы управления. Чтение информации с АЦП, компаратора полярности и устройства фиксации поддиапазона осуществляется через буферное устройство.

Длительность Тци характеризует быстродействие МКПН и зависит от количества опрашиваемых каналов (£+1) и времени опроса одного канала То, т.е. Тци=(к+1)То. При заданном количестве каналов контроля к быстродействие МКПН может регулироваться изменением значения То. При этом необходимо учитывать и другие показатели, определяющие быстродействие МКПН, а именно время установления напряжения в инструментальном усилителе ¿иу при скачкообразном изменении напряжения на входе .КС-фильтров, время установления напряжения в масштабирующем усилителе ^ при изменении его коэффициента усиления, время преобразования ^ АЦП и время фиксации данных tф на выходе АЦП. Расчетное значение То=

Для автокалибровки результатов измерения напряжения их необходимо иметь результаты измерения ик во всех калибровочных точках, поэтому МКПН дополнительно характеризуется периодичностью тестирования калибровочных точек. Длительность цикла тестирования Тцт калибровочных точек зависит от количества т поддиапазонов измерения, т.е. Тцт=2тТци. Результаты тестирования калибровочных точек используются также для оценки исправности МКПН, для чего в микроЭВМ обеспечивается допусковый контроль рассчитываемых констант измерительного тракта Кп и Есм в каждом поддиапазоне измерения. Если их значения выходят за пределы допуска, то в микроЭВМ формируется сообщение о неисправности МКПН, если значения остаются в пределах нормы, то микроЭВМ переводится в режим вычисления действительных значений измеренных напряжений их.

Высокая точность измерения напряжения достигается в МКПН за счет специального программного обеспечения микроЭВМ. Проведение автокалибровок позволяет поддерживать требуемую точность измерения в течение всего срока эксплуатации, при этом к самому измерительному тракту не предъявляется высоких требований по точности. Статистической обработкой результатов измерения достигается повышенная помехоустойчивость.

список литературы

1. ЕвлановЮ. Н. Современные цифровые вольтметры: Уч. пос. для СПТУ. М.: Высш. шк., 1987.

2. Староверов К. Операционные и инструментальные усилители на производственной линии Burr-Brown // Новости электроники. 2006. № 4.

3. Спектор С. А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений: Уч. пос. для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1987.

4. Измерение электрических и неэлектрических величин: Уч. пос. для вузов / Н. Н. Евтихеев, Я. А. Купер-шмидт, В. Ф. Папуловский, В. Н. Скугоров. М.: Энергоатомиздат, 1990.

5. Алексенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981.

6. Князев А. Д., Кечиев Л. Н., Петров Б. В. Конструирование радиоэлектронной и электронно -вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989.

Рекомендована Поступила в редакцию

НПО ПМ 12.01.08 г.