Содержание общие вопросы метрологического обеспечения измерительных систем 9 Брюханов В. А. 9

Вид материала

Доклад

Содержание Автоматизация измеренийкоэффициента усиления операционного усилителя Доросинский А.Ю.

Подобный материал:

• Вопросы по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» для подготовки, 69.28kb.
• Организационной основой метрологического обеспечения ОАО «Теплоприбор» является Центр, 31.48kb.
• Совершенствование метрологического обеспечения инклинометрии нефтегазовых скважин 25., 254.4kb.
• Решение IX семинара по вопросам метрологического обеспечения топографо-геодезического, 201.85kb.
• Эталонный комплекс для метрологического обеспечения акустических измерений в твердом, 58.45kb.
• Экзаменационные вопросы по дисциплине «Измерительная техника», 40.7kb.
• Методика приемки из наладки в эксплуатацию измерительных каналов информационно-измерительных, 235.63kb.
• Отдел метрологического обеспечения измерений физико-химических величин, 18.17kb.
• Рабочая программа дисциплины мерительные устройства систем управления, 448.87kb.
• Анализ и синтез измерительных преобразователей с частотным выходным сигналом для информационно-измерительных, 675kb.

Автоматизация измерений
коэффициента усиления операционного усилителя

Для измерений параметров операционного усилителя (ОУ) используются достаточно сложные методики, реализация которых требует больших затрат времени. В этой связи представляется актуальной задача автоматизации измерительных процедур при входном контроле интегральных схем. В данной работе сформулированы требования к узлам автоматизированного измерителя коэффициента усиления ОУ.

Метод измерений коэффициента усиления ОУ – отношения приращений значения выходного напряжения или тока операционного усилителя к вызвавшему это приращение значению входного напряжения или тока – основан на измерении значения амплитуды переменного напряжения низкой частоты (10 Гц) в суммирующей точке инвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления при заданном значении амплитуды входного переменного напряжения и последующем вычислении коэффициента усиления ОУ.

Диапазон возможных значений максимального коэффициента усиления для отечественных ОУ в соответствии со справочными данными составляет от 20 дБ (К140УД13) до 120 дБ (К140УД27). В результате экспериментальных исследований ОУ КР544УД2А было установлено, что подаваемое на вход ОУ переменное напряжение должно иметь амплитуду не более 5 В. При большем значении амплитуды входного напряжения в суммирующей точке ОУ наблюдались сильные искажения синусоидальной формы сигнала.

Считая, что амплитуда входного напряжения равна 5 В, в результате расчетов получим, что изменение значений амплитуд напряжений в суммирующей точке для отечественных ОУ составит от 5 мкВ (при ) до 500 мВ (при ) без учета влияния шумов и напряжения смещения ОУ. При большом значении коэффициента усиления измерение амплитуды напряжения в суммирующей точке связано с большими трудностями из-за влияния входных сопротивлений и емкостей измерительного вольтметра на работу исследуемого ОУ. Для усиления полезного сигнала и развязки суммирующей точки и измерительного прибора рекомендуется использовать высококачественный буферный усилитель переменного напряжения на операционном усилителе с малым значением напряжения смещения. Коэффициент усиления буферного усилителя должен быть выбран исходя из того, что максимальное значение напряжения смещения в суммирующей точке не должно вывести буферный усилитель в режим насыщения. Для отечественных ОУ минимальное значение максимального выходного напряжения составляет 10 В, поэтому выберем коэффициент усиления буферного усилителя равным 20. Амплитуда напряжения на выходе буферного усилителя для разных отечественных ОУ будет изменяться от 100 мкВ до 10 В.

Для автоматизированного измерения коэффициента усиления ОУ необходимо привести диапазон выходных напряжений буферного усилителя к диапазону входных напряжений АЦП. К примеру, 12-разрядный АЦП в составе микроконтроллера MSP430F169 имеет диапазон входных напряжений (0 – 1,5) В. Данная задача может быть решена с использованием логарифмического усилителя, сжимающего динамический диапазон напряжения, но более предпочтительно применение усилителя с программируемым коэффициентом усиления. Из широкого круга усилителей с регулируемым коэффициентом усиления можно выбрать AD 628 с изменением коэффициента усиления от 0,01 до 1000.

Сущность метода заключается в следующем. Изменяя коэффициент усиления программируемого усилителя с помощью микроконтроллера, получим на его выходе значение амплитуды переменного напряжения равное 100 мВ. На вход АЦП должно поступать постоянное напряжение, поэтому необходимо перед ним установить выпрямитель переменного напряжения. Погрешность преобразования АЦП составит 0,18 %. Схема автоматизированного измерителя коэффициента усиления операционного усилителя приведена на рис. 1.



Рис. 1. Схема измерений коэффициента усиления ОУ
в автоматическом режиме

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность реализации данного подхода.

Автор

Трундов Андрей Васильевич – аспирант кафедры “Радиотехника и радиоэлектронные системы” Пензенского государственного университета.

Россия, 440026, Пенза, Красная, 40

Тел. (841-2) 36-82-17

Доросинский А.Ю.

Проблемы метрологического обеспечения
при производстве АЦП
сигналов вращающегося трансформатора

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) сигналов вращающегося трансформатора (ВТ) широко применяются в составе измерительных систем и систем управления для измерения углового перемещения различных объектов. Подобные преобразователи выпускаются в виде микросхем (в интегральном и гибридном исполнении) и отдельных функционально законченных устройств.

ФГУП “НИИ ЭМП” выпускает гибридные интегральные микросхемы АЦП ВТ (427ПВ2Т). Для данных преобразователей источником входных сигналов является вращающийся трансформатор (ВТ) который является первичным датчиком углового перемещения и преобразует угол поворота вала в два переменных напряжения, амплитуда которых пропорциональна значениям синуса и косинуса входного угла. На основе последовательного включения ВТ и АЦП ВТ можно получить канал преобразований углового перемещения в 16-ти разрядный цифровой код.

ВТ и АЦП ВТ серийно выпускаются промышленностью независимо друг от друга и имеют свои метрологические характеристики, подлежащие нормированию, измерению и контролю. Для АЦП ВТ измеряемые метрологические характеристики регламентированы в [1]. В [2] регламентированы методы измерений погрешности АЦП ВТ. Эти методы основаны на применении в измерениях “эталонных” ВТ, которых, в строгом смысле этих терминов, не было и не существует до сих пор.

Это объясняется тем, что большинство микросхем АЦП ВТ имеют разрешающую способность на уровне шестнадцати разрядов и погрешность ± 2 е.м.р. (единицы младшего разряда), что в угловых единицах составляет ± 40''. Лучшие из существующих двухполюсных одноотсчетных ВТ (например, ВТ-5) имеют погрешность не менее ± 30'' [4, 5], поэтому выбрать ВТ, удовлетворяющий требованиям по точности для контроля погрешности АЦП ВТ невозможно.

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что применяемые ВТ вносят существенный вклад в погрешность АЦП ВТ, поскольку исключение погрешности ВТ из результата измерений не предусматривалось.

В связи с этим возникает необходимость в решении задачи измерений и оценки точности АЦП ВТ таким образом, чтобы в наибольшей степени определить истинные точностные возможности АЦП ВТ без учета других погрешностей, в первую очередь, от ВТ.

Эта задача может быть решена двумя способами:

– исключить погрешность ВТ из погрешности АПЦ ВТ при измерении;

– создать генератор входных сигналов ВТ, погрешность которого была бы существенно меньше погрешности АЦП ВТ.

Для того чтобы решить задачу первым способом необходимо определить действительные значения погрешности ВТ, для чего необходимо собрать схему, состоящую из образцового датчика задания угла (ДЗУ) генератора синусоидального сигнала (ГСС) и вольтметра переменного напряжения (ВПН) для измерений амплитуды выходного напряжения синусной и косинусной обмоток. Структурная схема данной установки представлена на рисунке 1.




Рис. 1. Структурная схема измерений погрешности ВТ

За погрешность ВТ принимается отклонение коэффициента трансформации от номинального значения при заданном положении ротора ВТ для синусной и косинусной выходных обмоток. Достаточное количество точек, в которых необходимо контролировать погрешность ВТ определяется исходя из того, что погрешность “эталонного” датчика сигналов для АЦП ВТ согласно [3] должна быть не более 0,3 от погрешности измеряемой величины, а значит, не должна превышать ± 12''. Отсюда количество точек, в которых необходимо определить значение погрешности ВТ, равно:

, (1)

Это составляет семнадцать двоичных разрядов. Большинство современных оптических угломерных устройств (кодирующие диски, делительные головки и т.д.) обеспечивают требуемую разрядность и, соответственно, точность. Основная сложность состоит в измерении реального значения коэффициента трансформации ВТ с требуемой точностью. Оценим максимально допустимую погрешность, которую должен иметь ВТ исходя из требований по точности, предъявляемой к измерению погрешности АЦП ВТ.

Как известно [1], функция преобразования (ФП) или тангенсная зависимость АЦП ВТ определяется следующей зависимостью [6]:

, (2)

где и – коэффициенты трансформации синусного и косинусного каналов, которые равны .

Найдем, чему будет равна погрешность ФП АЦП ВТ при наличии погрешностей коэффициентов трансформации. Для этого воспользуемся методом частных производных. После соответствующих преобразований получим:

, (3)

где и – абсолютные погрешности коэффициентов и .

Учитывая, что , и то, что значения погрешностей могут принимать как положительные, как и отрицательные значения, то выражение (3) можно представить в виде:



В общем, виде формула относительной погрешности ФП АЦП ВТ будет иметь вид:



Из формулы видно, что при максимальном значении , требования к погрешности задания амплитуды каждого из каналов будут наивысшими. Учитывая, что коэффициенты и есть функции синуса и косинуса, то .

Наибольшее значение данный коэффициент будет иметь при значении угла . Для того чтобы определить значение, воспользуемся предельным переходом, после чего получим:



Поэтому максимальная относительная погрешность, которую может иметь ФП АЦП ВТ, конечна и определяется как алгебраическая сумма относительных погрешностей коэффициентов трансформации по синусному и косинусному каналам:



По полученным зависимостям оценим наибольшее допустимое значение погрешности, которой может обладать коэффициент трансформации для каждого из каналов.

Наибольшее значение, погрешность ФП АЦП ВТ имеет при значении угла 45°. В этом случае погрешность определяется как:



Допуская, что определим ее значение с учетом того, что погрешность ФП не должна превышать ± 12'' (максимально допустимая погрешность), будем иметь:



Относительная погрешность коэффициентов в этом случае составляет:



Измерение погрешности коэффициента трансформации ВТ по схеме представленной на рис. 1 основано на измерении амплитуды напряжения одной из выходных обмоток. Затем по известному значению амплитуды с ГСС и измеренному с помощью ВПН определяется коэффициент трансформации ВТ. Номинальный коэффициент определяется с помощью ДЗУ. В этом случае погрешность измерения отклонения коэффициента трансформации ВТ от заданного значения будет определяться как:

,

где – погрешность задания амплитуды сигнала возбуждения; – погрешность задания угла; – погрешность коэффициента трансформации ВТ; – погрешность измерения амплитуды выходного сигнала.

Очевидно, что для оценки погрешности коэффициента трансформации необходимо, чтобы все остальные погрешности были пренебрежимо меньше (менее 0,001%). Как известно, ни вольтметров, ни генераторов с требуемой точностью измерений и задания амплитуды сигналов переменного напряжения не существует.

Отсюда можно сделать вывод, что реализация данного метода невозможна в силу отсутствия стандартных средств измерений обеспечивающих требуемую точность.

Рассмотрим второй вариант, который заключается в создании имитатора сигналов вращающегося трансформатора, который бы воспроизводил сигналы ВТ с требуемой точностью.

Подобный имитатор можно реализовать в виде двух делителей напряжения и генератора переменного сигнала. В этом случае требования к погрешности задания амплитуды невысоки (порядка 10%) и большинство известных генераторов переменного напряжения обеспечивают подобную точность. Это объясняется тем, что согласно функции преобразования (2) погрешность амплитудного значения напряжения никак не влияет на работу АЦП ВТ. Задавая необходимые коэффициенты деления на делителях, соответствующие значениям и , можно получить любое отношение амплитуд выходных сигналов соответствующее определенному значению угла . Фазовая погрешность двух синусоидальных сигналов также не будет влиять на точность, если обеспечить фазовый сдвиг не более 20°, что достаточно легко реализовать, применив одинаковые типы делителей.

Для обеспечения требуемой точности данные делители должны иметь нелинейность функции преобразования не более 0,0058%, что показывает расчет и количество устанавливаемых значений не менее . Указанным требованиям удовлетворяют индукционные делители ИДН-6, однако их тип не зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений, а потому они не могут быть использованы в качестве эталона при контроле метрологических характеристик АЦП ВТ. Другие аналоги подобных делителей отсутствуют.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что на данный момент провести измерение характеристик микросхем АЦП ВТ с требуемой точностью при использовании стандартных технических средств не представляется возможным.

Для решения этой проблемы предлагается, ввести делители ИДН-6 в Государственный реестр средств измерений. Но введение делителей как самостоятельных устройств также является невыполнимой задачей, поскольку нет средств, способных с требуемой точностью оценить нелинейность функции преобразования делителя по всему диапазону.

Поэтому, учитывая специфику применения ИДН-6 для данного случая, предлагается оценивать лишь идентичность (одинаковость) коэффициентов деления двух делителей. Это является необходимым и достаточным параметром, поскольку для оценки статических погрешностей АЦП ВТ в качестве эталонного формирователя сигналов ВТ применяются оба делителя одновременно и согласно принципу работы АЦП ВТ его выходной сигнал является функцией отношения коэффициентов деления (2).

Идентичность коэффициентов двух делителей можно проверить, оценивая равенство коэффициентов деления с применением методов, основанных на измерении дифференциальной нелинейности, которые подробно описаны в [7]. Оценка линейности функций преобразования делителей требует отдельной проработки и не рассматривается в рамках данного доклада.

В этом случае появится возможность зарегистрировать тип ИДН-6 в Государственном реестре средств измерений в качестве образцового имитатора сигналов ВТ.

Таким образом, появится единственная образцовая мера входных воздействий для АЦП ВТ, способная обеспечить требуемую точность измерений его статических характеристик. Но это потребует создания необходимых методик, регламентирующих методы оценки функциональных параметров АЦП ВТ с помощью данного имитатора.

Литература

1. ГОСТ РВ 52015-2003. Преобразователи угла цифровые.

2. РМ 22.21.16-85. Преобразователи угол-параметр-код. Методы контроля точностных параметров и характеристик.

3. ГОСТ Р 8.563-96. ГСИ. Методики выполнения измерений

4. Баканов М.В., Лыска В.А., Алексеев В.В. Информационные микромашины для следящих и счетно-решающих систем. – М.: Сов. радио, 1977.

5. Справочник по электрическим машинам В 2-х т. / Под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. – М.: Энергоатомиздат, 1989.

6. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочное пособие / В.Г. Домрачев, В.Р. Матвеевский, Ю.С. Смирнов. – М.: Энергоатомиздат, 1987.

7. Данилов А.А. Методы и средства оценивания нелинейности функции преобразования измерительных преобразователей. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001. – 113 с.

Автор

Доросинский Антон Юрьевич – ведущий инженер ФГУП “НИИЭМП”

Россия, 440000, Пенза, ул. Каракозова, 44

Тел. (412) 64-81-69

E-mail: niiemp@penza.com.ru