автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Исследование и разработка микропроцессорного малогабаритного широкодиапазонного измерителя параметров комплексного сопротивления

КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Л 'о 0 ¡1

ЮСЕФАЛИ СИРИЯ

уда 621.3.087.92

ИССЛЕДОВАНИИ И РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ШИРОКОДИАПАЗОННОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ПАРАМВТЮВ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Специальность 05.11.05 - "Приборы и методы измерения электрических и нагннтных величии".

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев 1994

Работой являете* рукопись

Работа выполнена на кафедре информационно-измерительной техники Киевского политехнического института.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Петр Павлович Орнатский

Официальные оппонент: зав.лабораторией института алектро-

диняыиги АН Украины, профессор, доктор технических наук Михаил Николаевич Сурду директор учебного центра ФЕСТО ДИДАКТИК г Киев, доцеиг, кандидат технических наук Сергеев Игорь Юрьевич.

Ведущее предприятие - АК "РОСТОК", г.Киев

Защита состоится " 3 " /у . ^ 1994 г. , в часов, на

заседании Специализированного Совета К 068.14.14 в Киевском политехническом шетшуте (232036, г.Кнеа 56, пр.Победы, 37, корп. 18).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Киевского политехнического нпстмуга.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах , заверенные печатью организации) просим прасьгаатъ по адресу секретарю Специализированного Совета К 068.14.14 по защите диссертации.

Автореферат разослан " -У 1994г.

Ученый секретарь Специализированного Совета К 068.14.14, кандидат технических паук, доцент

АННОТАЦИЯ

Целью диссертационной работа является исследование я разработка измерителя параметров электрических цепей, обладающего высокими метрологическими хараггериегакамн по гочпосгн.бисро-действвю и чувствительности.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

анализ особенностей измерителей ЛЬС параметров прямого догоыетрического преобразования;

разработка нового измерителя ИЬС параметров с итерационным интегрирующим преобразователем (ИИП), отличающимся лучшими метрологическими характеристиками;

анализ погрешностей формирования вспомогательного сигнала при применепии метода кусочно-линейной аппроксимации синусоидального сигнала;

анализ погрешностей измерителя, вызванных неидсальностью элементов аналоговой памяти ИИП;

анализ погрешностей измерителя параметров комплексного со-ротивления, обусловленных неидеальностью операционного усилителя интегратора ИИП;

анализ погрешностей измерителя параметров комплексного со-ротивления, обусловлешшх неидеальностью дифференцильпого усилителя;

анализ погрешностей измерителя параметров комплексного со-ротавлешм, обусловленных неидеальностыо преобразователя ток-напряжение.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ: улучшепне основных метрологических характеристик средств измерения параметров пассивных двухполюсников является одпой из основных задач современной ИИТ. Особое место среди них в последнее время занимают измерители ЛЬС , использующие методы прямого преобразования, так как благодаря возможности современной микропроцессорной техники осповные погрешности таких устройств могут быть скорректированы.

Однако п современных известных работах, посвященных совершенствованию петрологических характеристик измерителей параметров комплексного сопративлення ИХ .недостаточное внимание уделяется использованию в них итерационных интегрирующих преобразователей, обладающих определенными преимуществами и отношении к точности н быстродействшо.

Реферуемая работа посвящена разработке повых структур таких измерителей, анализу их погрешностей и способам их коррекции.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, Теоретические исследования п работе проведены с использованием теории функции комплексного переменного , операционного исчисления , теории линейных импульсных систем, теории электрических цепей, теории точности измерительных устройств и численных методов с применением пакета программ МАТЬАВ на ЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключена: в анализе структуры микропроцессорного измерителя параметров комплексного сопротивления с использованием итерационного интегрирующего преобразователя и однокристальной микро-ЭВМ;

в анализе погрешностей формирования тестового и вспомогательных сигналов с острой и плоской вершинами при использовании метода кусочно-линейной аппроксимации синусоидального сигнала;

в анализе системы дифференциальных неоднородных разностных уравнений второго порядка, описывающих переходные процессы в интегрирующих итерационных преобразователях с учетом реальных характеристик элементов аналоговой памяти и иеидеальносга операционного усилителя интегратора;

в анализе погрешностей измерителя параметров комплесного сопротивления, обусловленных нендеальностао дифференциального усилителя;

в анализе погрешностей измерителя параметров комплесного сопротивления, обусловленных неидеальносгью преобразователя ток-напряжения. АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

анализ особенностей измерителей ЯЬС параметров комплексного сопротивления;

новый измеритель ЯЬС параметров с итерационным интегрирующим преобразователем;

анализ погрешностей измерителя ВДХ) параметров комплексного сопротивления, обусловленных неидеальностью формирования тестового сигнала н вспомогательных сигналов, неидеальносгью элементов аналоговой намята и неидеальносгью операционного усилителя интегратора ИИП.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ полученных в работе результатов: доказана возможность микропроцессорного малогабаритного широкодиапазопного измерителя параметров комплексного соп-

ротавлепня , обладающего повышенной точностью по отношению к серийно выпускаемому прибору Б7-15.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Осповпые результаты теоретического анализа ИИП проведены экспериментально, что подтверждает пригодность предлагаемой структуры микропроцессорного малогабаритного пшрокодиапазоиного измерителя параметров комплексного сопротивления.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения проведенных исследований докладывались па:

научнотехннческой конференции "Памяти академика М.П.Кравчука", г.Киев, 1992 г.;

республиканской научно-технической конференции "Применение вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях", г.Львов, 1992г.

ПУБЛИКАЦИИ.Основное содержание работы раскрыто в одной публикации.

СТРУКТУРА И ОБЪВМ ДИССЕРТАЦИИ, работа состоит из в-ведсния , четырех глав и заключения , содержание которых изложена на 176 страницах машинного текста,60 рисунках н 4 таблицах; списка литературы, включающего 36 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, определена совокупность требований, предъявляемых к микропроцессорным малогабаритным широкодиапазонным измерителям параметров комплексных сопротивлений: высокие точность и чувствительность, аппаратурная минимальность и высокое быстродействие.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приведен обзор методов измерительных преобразователей параметров комплексного сопротивления, получивших широкое распространение: методов уравновешивающих измерительных преобразований или мостовых методов, и методов прямых логометрических измерительных преобразований. Рассмотрены особенности их основных структур, нх достоинства н недостатки. Также рассмотрены метода прямого логометрического преобразования, выполнен их сравнительный авалю.

Как известно ЯС-мосты переменного тока получили широкое распространение благодаря множеству их достоипста. Однако этим мостам присущи ряд недостатков , в первую учередь это паразитная проводимость между элементами моста, влияние паразитных емкостей при повышенной частоте, что требует дополнительных мер для их исключения , увеличенное число применяемых образцовых мер , что отражается па объем и стоимости. В мостах о штдуктшшо-связаннымп плечами повышение чувствительности не приводит в увеличению числа образцовых мер , однако вызывает значительное увеличение количества коммутирующих ключей, которые должны обладать малым дифференциальным сопротивлением, что приводит к увеличению аппаратурных затрат.

Мосты с цифровым генератором двухфазных ступенчатых синусоидальных сигналов лишены этих недостатков, однако частотный диапазон этих мостов ограничен, так как частота ступенчатого синусо-идальиого сигнала должна бьгп. в 2* раз меньше частоты тактовых импульсов {где л«(8,10,12,....,16)}- разрядность цифро-аналогового генератора). Такие моста имеют следующие преимущества: возможность использования чисто активных образцовых сопротивлений при измерении активных и реактивных сопротивлений;

шиш погрешность (до 10~*); возможность непосредственной связи с ПЭВМ. Однако их применение ограничивается высокой стоимостью быстродействующих прецизионных цифро-аналоговых преобразователей.

Логометрические измерители параметров комплексного сопротивления на основе аналоговых интегральных микросхем свободны от многих недостатков , присущих ранее упомянутым методам. Они пригодны дня определения параметров комплексного сопротивления любого тала и в широких диапазонах их изменения при широком частотном диапазоне, а также при малых уровнях тестового сигнала и с достаточно высокой точностью. Они оказываются наиболее целесообразными для построения малогабаритных широкодиапазонных , достаточно точных измерительных приборов дня определения параметров комплексного сопротивления в широком частотном диапазоне.

Схема предлогаемого микропроцессорного измерителя параметров комплексного сопротивления показана на рис.1. На этой схеме ГВС-генератор тестового и вспомогательных сигналов .содержащий делитель частоты ДЧ, фазорасщепитедь, мультиплексор МХ1, преобразователь прямоугольного сигнала в трапецеидальный, а за тем в кусочно-линейный синусоидальный сигнал, ППС - преобразователь параметров комплексного сопротивления, содержащий преобразователь ток-напряжения ПТН и дифференциальный усилитель ДУ, мультиплексор МХ2, фильтр верхних частот ФВЧ, фазочувст-вительный детектор, итерационный интегрирующий преобразователь ИИП, преобразователь напряжения в частоту ПНЧ н однокристальную микро-ЭВМ.

гьс

О M ЭВМ

Piß PH fil

m

M

H

PIS

pli

Рис. i

Показано , что в предлогаемом микропроцессорном измерителе параметров комплексного сопротивления (МИПКС) целесообразно использование одпокристалыюй микро-ЭВМ (ОМЭВМ) и апалого-цифрового преобразователя на основе преобразователя напряжения в частоту ПНЧ,410 способствует минимизации числа управляющих сигналов н связи АЦП с кикропроцессоромдак как выход ПНЧ непосредственно подключается к входу счетчика микропроцессора. В предлагаемом МИПКС переключение пределов измерения реализуется путем изменения коэффициента усиления итерационного интегрирующего преобразователя. Для снижения уровня погрешностей от высших гармоник в МИПКС для формирования синусоидального испытательного сигнала использована более сложная кусочно-линейная аппроксимация.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВВ проведен анализ способов формирования синусоидального сигнала и вспомогательных сигналов. Проведен сравнительный анализ структур итерационных интегрирующих преобразователей с учетом реальных значений остаточных параметров ключей аналоговой памяти посредством модулирования па ЭВМ 6 помощью пакета программ "МАТЪАВ". При анализе методов формирования вспомогательных сигналов было показано, что цифровые метода позволяют формировать прецизионные управляющие и тестовый сигналы с требуемым спектральным составом. Показано, что наиболее целесообразным среди цифровых методов является метод кусочно-линейной аппроксимации с плоской вершиной, в котором трапецеидальный входной сигнал преобразуется в синусоидальный с помощью диодного формирователя. При данном методе аппроксимации частотный спектр выходного сигнала при числе аппроксимирующих хорд равны трем содержит незначительные по уровню

ю

(иепыпе 0.5%) гармоиичсскне составляющие, пачиная с 13 гармоники, что упрощает их дальн:йшее подавление . Приведенный анализ подтверждает, иго среди известных итерационных интегрирующих преобразователей наиболее целесообразным является итерационный интегрирующий преобразователь с динамической аналоговой памятью ,так как обладает высокой точностью и быстродействием с учетом реальных зпаченнй остаточных и паразитных параметров элементов динамической аналоговой памяти. Схема итерационного интегрирующего преобразователя ИИП изображена па рис.2. Коэффициент усиления ИИП па данной схеме изменяется в пределах от 10 до 60 ДБ.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВВ на основе анализа основного уравнения измерителя выявлены погрешности основных узлов измерителя, которые затем проанализированы. Приведенный анализ показывает, что наиболее целесообразно использовать низкоомпое сопротивление в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение для того,чтобы уменьшить влияние паразитных емкостей, влияние которых приводит к снижению точности измерения низкодобротных объектов. Показано, что применение дифференциального усилителя на основе инвертирующих усилителей позволяет скомпенсировать погрешности, возникающие из-за влияния шунтирующего действия дифференциального входного сопротивления дифференциального усилителя, а также исключить влияние паразитной емкости шунтирующей 2Ж, что уменьшает погрешность измерения высскоомных объектов.

Проведенное математическое моделирование итерационного интегрирующего преобразователя о помощью пакета программ "МАТЪАВ" показывает, что переключение пределов измерения путем

и

кФЧД

Рис.2

к ГВС

к пнч

нзмепения коэффициента передачи пггерацпоппого интегрирующего преобразователя вызывает в десятки раз меньшую погрешность измерений по сравпепшо с применением для згой цели регулируемого усилителя перемятого тока так, как это быяо сделано в Б 7-15 илн изменением коэффициента передачи преобразователя ток-панря-жсппе, как это было сделано в приборе топа НР4261. Показано, что суммарная погрешность можег быть снижена до 0.05%.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлено описание и результаты ис-пьггаппя разработапного автором макета птерацпоппого шггегрпрующего преобразователя с регулируемым козффнциетггом передачи па основе выполненного во второй п третьей главах анализа погрешностей ИИП. Показано, что макет итерационного интегрирующего преобразователя с регулируемым коэффициентом усиления по своим техническим характеристикам соответствует выполненному анализу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ На основе сравнительного анализа различлых структур измерп-телей параметров ПЬС комплексного сопротивления показаны преимущества предложенного автором МИПКС благодаря использованию в нем одпокристальной микро-ЭВМ и итерационного интегрирующего преобразователя.

Проведенный анализ формирования вспомогательных сигналов позволяет утверждать, что остаточная погрешность используемого формирователя не превышает нескольких долей процент.

Выполненный анализ остаточных погрешностей измерителя от не-идеалыюсти аналоговой памяти ИИП, позволяет отдать предпочтение схеме с динамическим запоминающим устройством таг, как она обладает значительно меньшими ппструыептальньшн погрешнее-ямн (при равных остальных условиях).

Выполненный анализ характеристик точности и быстродействия ИИП с учетом иеидеальности операционного усилителя интегратора, позволяет сделать вывод о необходимости для сохранения основных характеристик ИИП изменять резистор обратной связи и одновременно изменять емкость в петле обратной связи интегратора С, так, чтобы сохранилось их соотношение = Т ,где Т-псриод тестового сигнала.

Анализ погрешностей входных преобразователей измерителя параметров позволяет сделать выводы о целесообразности построения дифференциального усилителя на основе инвертирующих усилителей при малых входных сопротивлениях преобразователя ток-напряжение.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Д.П.Орнатский, Юсеф Али. "Анализ погрешностей аналого-дискретиых рекурсивпых структур в пакете программ МАТЬАВ - В кн.: Научно-техническая конференция "Памяти академика М.П.Кравчука". Республ. научл. конф.: Тез. докл. -Киев, 1992 г.

2.Авторское свидетельство № 1732361 "Частотно-импульсное вычислительное устройство"

3.Авторское свидетельство № 1764064 "Функциональный преобразователь"