автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Улучшение характеристик аналого-цифровых логометров для бортовых геофизических систем

.1 V 9 V

ЛЬВОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИ! ИНСТИТУТ

Щ правах рукописи УДК 621. 317. 6

ШЕВЧЕНКО Лев Дмитриевич

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АНАЛОГО-ЦИФРОЕЫХ ЛОГОМЕТРОВ ДЛЯ БОРТОВЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность: 05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и югшггных величин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Львов - 1092

Работа выполнена во Львовском политехническом институте

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ПогриОной ЕА. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Вишенчук Л М. кандидат технических наук, доцент Модла Р. Н

Ведущая организация

Украинский научно-исследовательский геологоразведочный институт ( г. Львов )

Защита состоится "_"_11992 г.

в _ часов на заседании специализированного Совета

Д068.36.04 во Львовском политехническом институте ( 290646, г. Львов —13, ул. Мира, 12 )

С диссертацией- можно ознакомиться в библиотеке Львовского политехнического института

Автореферат разослан "_"_1092 г.

Ученый секретарь Совета кандидат технических наук

Л$щик а Т.

1-е

л

/л I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА- РАБОТЫ

Актуальность. Использование вычислительных блоков в измерительной аппаратуре для геофизических исследований позволяет , существенно сократить объем камеральных работ, проводимых в полевых условиях.

В геофизичесглх электроразведочных системах, работающих на переменных- токах, получение информации о параметрах исследуемой с£еды в большинстве случаев связано с отношением амплитуд двух, близких к синусоидальным, переменных напряжений. Примерами могут служить аппаратура, работающая на основе метода незаземленной петли, в приемных блоках которой осуществлен принцип относительных измерений, а также аппаратура дипольного индукционного профилирования, измеряющая отношение полуосей эллипса поляризации магнитного поля на двух частотах.

Важным информационным параметром при электроразведке является также фазовый сдвиг периодического сигнала относительно опорного. Использование прямоотсчетных знаковых фазометров в бортовых системах за счет высокого уровня помех приводит к значительным погрешностям измерений. Поэтому в данном случае целесообразны помехоустойчивые методы, в которых для нормирования результата по амплитуде используется деление напряжений.

• Основными требованиями, предъявляемыми к бортовой геофивичес-кой аппаратуре, являются повышение точности и линейности преобразования при широком диапазоне изменения сигналов в условиях помех, малые габариты и экономичность энергопотребления. Прп уменьшении габаритов аппаратуры на первый план выдвигается проблема электромагнитной совместимости различных прибвров. В частности, в аналого-цифровых логометрах совмещение электропитание аналоговых и цифровых узлов. Это обусловлено тем, что помехи цифровых элементов могут существенно ухудшить характеристики аналоговых схем, значительно зависимых от точности используемы;; ::с понентов и их соглаасовалкя мегду. собой. Существенное порыкек; уровня помех по шине электропитания в аэроэлектроразвелке связан. с одновременным подключением к бортовой сети электрооборудование самолета и геофизической измерительной аппаратуры,

Разработке и исследовании электронных логометров посвящена ряд работ, однако актуальной является г>здача модернизации известных и разработка ноеых методов и е;г. ^тз,. обеспечивающих аг^-

- г -

дсго-ци&зовое преобразование отношения сигналов при бортовых исследованиях при наличии помех.

Целью работы является разработка экономичных методов преобразования отношения сигналов в цифровой код с заданной точностью в

I

условиях помех и соответствующей аппаратуры для Сортовых исследований.

Научная новизна диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту:

- разработан и исследован принцип устранения равнозначности преобразования в код отношений сигналов больше и меньше единицы, расширяющий диапазон аналого-цифрового логометра на основе экспоненциальной развертки;

- дан принцип повышения точности преобразования в код отношений напряжений обеих полярностей, не требующий инвертирования и коррекции характеристик аналого-цифровых логометров;

- предложен и исследован новый'способ деления напряжений на осно-' ье процессов заряда и разряда конденсаторов, ориентированный на

построение бортовых аналого-цифровых логометров с заданной точностью и повышенными входными сопротивлениями;'

- разработан экономичный алгоритм программирования памяти утройств коррекции нелинейности аналого-цифровых логометров;

- дан принцип повышения помехоустойчивости аналого-цифрового преобразования отношений сигналов, заключающийся в формировании и анализе соответствующей кодовой последовательности.

, Практическая ценность работы и внедрение. Проведенные разработки и исследования позволили реализовать эффективные схемы ана-' лого-цийювьи логометров и на их базе создать помехоустойчивые и экономичные измерители фазовых приращений для бортовых аэроэлект-роразведочных измерительных систем. Применение . разработанных принципов, алгоритмов и предложенных рекомендаций дает возможность- повысить метрологические характеристики преобразователей отношения напряжений в цифровой код с использованием развертки на основе реальных процессов зарядов и разрядов конденсаторов, целесообразность которой в бортовых аналого-цифровых системах обусловлена стабильностью в широком температурном диапазоне, простотой и экономичностью формирования. Алгоритмы программирования памяти, данные в работе, обеспечивает реализацию табличных функциональных распирителей в бортовой аппаратуре для оперативной

коррекции полученной информации о параметрах исследуемой среды.

Разработанные методы и алгоритмы внедрены в схемах аналого-цифровых логометров и помехоусточивых измерителях фазовых приращений для бортовой аэроэлектроразведочной измерительной аппаратуры метода длинного кабеля МДК-80. Указан^ аппаратура применяется при проведении поиско-разведочных рабоЪаа-ПГО "Севзапгеоло-гия" г. Санкт-Петербурга. Экономический эффект от использования составляет 150 тыс. рублей за полевой сезон.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом семинаре-совещании "Индукционная электроразведка - 84" (п. Сдавскэе, Львовской обл. , 1984); Х-й Республиканской школе-семинаре по теоретической электротехнике, электронике и моделированию (Львов-Карпаты, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизированные системы обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры" (п. Славское, Львовской обл., 1990); Всесоюзной научно-технической конференции "Исследование и разработка современных радиоэлектронных элементов и устройств" (Рига, 1990); 44-48 конференциях профессорско-преподавательского состава Львовского политехнического института (Львов, 1987 - 1991).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 работ, из них 10 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (121 наименования) , приложения и содержит 121 страницу основного текста, иллюстрируется 50 рисунками и 2 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРКАШЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы; отмечены цель и задачи исследования; сформулированы научная новизна и положения, выносимые на задау; рассмотрены практическая ценность и внедрение результатов работы; приведены сведения об апробации и публикациях; дано краткое содержание диссертации.

В первой главе на основе существуюалх методов преобразования отношений сигналов в код сформулированы задачи исследования. ?. ней проанализированы имеются сведения о таких распространенных направлениях получения цифрового кода, ссо ^етствукцего частному от деления напряжений, каг: формирование одни о из параметров выходного сигнала, удобного для последующего кодирования; непос-

редетвенное преобразование отношения электрических величин в код; аналого-цифровое преобразование уровней напряжений и дальнейшая процессорная обработка. Анализ состояния этой темы позволил выявить недостатки рассмотренных методов, которые существенно влияют на метрологические характеристики и конструктивные особенности приборов на их основе, выпускаемых отечественной промышленностью и ведущими зарубежными фирмами. Недостатки таких приборов накладывают ограничения на возможности примененияГих для бортовых измерительных систем.

Е этой же главе дан критический анализ принципов измерения фазовых сдвигов при нелинейно искаженных сигналах. Данный анализ указал на эффективность использования синхронного детектирования и дальнейшего выполнения деления напряжений, пропорциональных синусоидальной и кссинусоидалььой составляющим гармонического сигнала. Это подтверждает необходимость проведения исследований по модернизации методов преобразования отношения сигналов в цифровой код.

Во второй главе рассматриваются разработки принципов, устраняющих такие недостатки аналого-цифровых измерителей отношения на основе метода экспоненциальной развертки, как нелинейность преобразования, влияние уровня опорного 'сигнала на диапазон измерения, равнозначность результатов Яри.частных больше и меньше единицы.

Принцип получения кода, пропорционального логарифму абсолютного значения отношения напряжений [ 4 3, заключается в предварительном формировании экспоненциального сигнала с помощью дифференцирования прямоугольных импульсов с периодом Т, которые образуются при коммутации напряжения делителя иу. Результатом сравнения этого сигнала с уровнем делимого Ux является импульсная' последовательность iai>. В этой последовательности длительности импульсов при Ux > 0 или пауз между ними для Ux < 0 будут соответствовать значению -т LniUx/Uyl, где т^г постоянная времени экспоненциального сигнала. С помощью логических операций А В+А В для Uy > 0 или А Bt-A В для Uy < 0, где А и В - логические формы сигналов входного и управляющего Uy, -формируются импульсы с длительностью Э - Т/2.+ т Lnl Ux/Uy!. При условии пропорциональности интервала т/2 единице двоичного числа, данные, соответствующие выражению -т Ln!Ux/Uy!, определяются дополнительным кодом для количества счетных импульсов на отрезке времени Э.

Однако применение рассмотренного принципа для преобразования логарифма-абсолютного значения,отношения сигналов в код ограничи-

г/ге '.п'ги 0 < ! их/Цу! <- 1. В связи с этим на основе экспо-

гг/л,;сП отвертки дан принцип преобразования в код отношений :;аг:;'сольие и меньше единицы, который обеспечивает устранение р^мЬзначности при значениях их/1)у < 1 и их/Цу > 1 Г 3 ].

'хг-чпсно данного принципа формируются сдвинутые относительно друг друга на половину периода две последовательности прямоугольных импульсов, амплитуды которых равны соответственно их и 1)у. С помощш интегрирования этих последовательностей образуются сигналы, изменяющиеся во времени по экспоненциальному закону. В результате сравнения экспоненциальных сигналов получаются импульсы с длительностью Э - Т/2 - т !.п их/Ну. Код,- пропорциональный О , определяется подсчетом количества счетных импульсов на этой длительности. Для получения выходного операнда, пропорционального отношению 1)х/иу, применяется таблица, данные которой вычисляются по формуле У - ехр(Т/2т) охр(-Э/т). Для получения кода, пропорционального отношению сигналов противоположных полярностей, в данном случае возникает необходимость инвертирования одного из этих сигналов, а также разработка аналого-цифрового логометра с повышенными входными сопротивлениями на основе этого принципа требует согласования входных цепей. Однако выполнения инвертирования и согласования цепей связаны с трудностями разработок соответствующих блоков с повышенными метрологическими характеристиками.

Недостатки рассмотренных принципов послужили причиной разработки метода, обеспечивающего формирование кода щя .отношений "ч/1!у < 1, их/иу > 1, их/Цу <. 0, 1!х/иу > О С1, 93. 3 этом .методе используется опорный сигнал, изменяющийся во времеш*>по экспоненциальному закону, который'образуется дифференцированием прямо-.'тольных импульсов {Ы> с периодом следования Т и амплитудой ио. Поочередным сравнением напряжений Их и 1)у с экспоненщюльным сигналом (формируется последовательность {аО. Время одного сравнения каждого из этих напряжений розно Т. Отсюда, з зависимости от полярностей их и иу, длительности импульсов или пауз между ниш последовательности Ш> равны Эх - -т Ьп I их/11о! -на интервале от ;-.пТ до (2п + 1)Т и Эу - -т Ьп ! 11у/ио! на интервале от (2а + 1)Т (2п + 2)Т, где п - 0, 1, 2, 3, ... Логической операцией А В + /. В на соответствующих интервалах образуются импульсы с длительностями - Т/2 + т Ьп ! их/ио! и Ъу =- Т/2 + т 1л ! Цу/Цо1. Значения Кх и Ку, пропорциональные tx и ty, определяются подсчетом счэташ импульсов на каждой из этих длительностей.' Разность

- О -

Кх - Ку соответствует гх - -IV = -г Ьп ! их/иу!. Для формирования кода, пропорционального отношению I их/иу! , при наличии операнда, соответствулдаго т Ьг. ; их/Ь'у!. целесообразны табличные функциональные р^сюрлтс-'ц:. и льмити которых содержатся данные потеацировияил, вичкелошшо I- у;етом т. Тшшм образом, аналого-цифровым логеметром формируемся адрес ячейки, содержащей соответ-■твувщиа результат. с целью мономип объема памяти и оборудования, вычисление д&ишг крошводктся по наименьшему шагу квантования, который принимается равным порогу чувствительности /\и операции сравнения напряжений. Поэтому необходимое количество двоичных разрядов для данных таблицы потенцирования может быть определено как

1 и-п I 1 - ехр( -Т/Йт) ]

II - ----- иг. ---------------------

Ьп 2 /\и 11 ^ ехр(~Т/2т)] где 1'т для первых двух рассмотрении принципов равно наибольшему значении 11у, а дм метода, использующего опорный сигнал, 1!т = ио.

При разработке аналого-цифровых логометров на основе методов экспоненциальной развертки необходимо учитывать возможность равенства нулю входных напримший. Ь частности, в последнем рассмотренном методе требуется введение дополнительной процедуры, которая включает г ее:.-:, слс-рагоры проверки следующих условий: если Ку - 0, то пере:.и..;:;.,л /., соответствующая отношению их/Чу, не может быть определена, а К:: - С*имеет место Ъ -= 0.

• Третья глава со;,ср.*.:. ^оследования преобразователей отношения в код на основе .эгхг.г.¡у..г,:!:.л,иой развертки и методики улучшения их метрологических хара!..'.-ластик. В ней дан анализ погрешности от-квантоЕания, иа основа./»;;! которому при известных пороге чувствительности компаратора ио.-;ояш.ой времени цепи развертки выведены условия выбора количества разрядов счетчика импульсов лого-метра, т.е.

п ----- Ьп----------------------------------------

Ьп 2 Г, т Ьп11 + /\и ехр(Т/2т)/иу + Аи/иу! Для различных Т/2т," 1)у(11о), /Ч) вычислены п, минимальный уровень входного напряжения их и получаемые при этом погрешности от квантования. Результаты свидетельствуют о том, что повышенной точности аналого-цифрового преобразования с использованием экспоненциальной развертки можно достичь при значении Т/2т - 1. Однако при этом сокращается диапазон изменения напряжения делимого. Но-

этому в некоторых случаях приходится принимать решение увеличения : огреиности квантовании.

Существенное влияние на динамическую погрешность Ад оказывает инерционность цепей формирования развертки. Для уменьшения Ад до единицы младшего разряда кода, являгсегося результатом аналого-цифрового преобразования, шаг дискретизации 3 можно определить как разность между ожидаемым и наибольшим реальным значениями моментов сравнения сигналов, отсюда в догометое на основе интегрирующих цепей в каналах делимого и делителя

их/и/ тах : 1 1 ехр(-Т/2т)

¿>1 >- т Ьп-----------------------

их/иу тах + 1 - <?хр(-Т/2Т! , а для метода формирования экспоненциальной развертки с помощью дифференцирования периодической последовательности импульсов с амплитудой 11х шаг дискретизации >« т ЬгП 4 ехр(-Т/2т)1.

Разброс параметров реальных значений рсзцсторов и конденсаторов, выпускаемых промышленностью, обусловливает погрешности аналого-цифровых логометров с экспоненциальна,' преобразованием. Для сравнительной оценки точности формэдюЕглим код а, пропорционального отношению сигналов, исследованы пеггпиюити устройств на основе методов получения развертки с помоигк, дифференцирования или интегрировании импульсных после&оввгел! ь-чпей. Результатом является преимущество принципала сенеке ои< $>ации интегрирования, закли'.'г.п» « ои в низком уровне псгрс-шнысп" при отношениях их/иу>1.

Кон • :.г.г-ум метод образцовых мер, разработай экономичный алгоритм 'ч "с ецчния табличного функционального расширителя I 1!' .-зд-илируюв.- го нелинейность преобразования из-за разброса .;•>:. члемгчгеов экспоненциальной развертки аиалого-цифро-

ВСГС. .Г . ..(.-.'II '..

.;;: щ (тражероваяии памяти узла коррекции т входи д-.лимсго и де:!(»-«01>агсват<1ля отношения сигналов ; код полаются ка-пря/х;:;:: И:< I.)'. котор»; дасестны. Согласно этого алгоритма ври пенс;. ур;ин Ьу оначони» их меняют о п.лишьы квантования дс тех пор. по";.. гц»р>с г/нкшганалыюго расы:;.ля не-изменится. Если .тл- и, -г;!,' 1!п.> сигнала долимого т <.—•>, Судет соогв-этетго а:»тъ '■''■' У'-. " - содсрлинкл'^ счег'чкк.ч л.: нормирующего это?

адрес. ю.'!" •»•м .г: единицу млвд/.е.о > .. , • .... то хат квантования ук'»чьг;.о момента ^оогветеп',:/ сгс • младшего разряда.

йит«-м разности между д^умл оя!.<«>..ииуи значениями от-

нсьи-ьк.'! пачр:!,т.епий. Из полученных таким ссЗразом шагов квантования

- ь -

выбирается наименьший, на который делятся нацело ожидал:!:" Результаты деления заносятся в ячейки памяти табличного СУ^.зонального расширителя с соответствующими адресами.

Программирование ячеек функционального расширителя произьо-дится автоматически. Управляющая программа состоит из процедур подготовки данных, программирования и проверки результатов программирования.

К'решению задачи снижения влияния помех на результат преобразования относится принцип, разработанный на основе метода импульсного сравнения сигналов Х(<0 и У(Ь). Этот принцип [15, 103 заключается в предварительном формировании с помощью коммутации X и У последовательности кодовых импульсов 10 ... 10 при X > V или 01 ... 01 при X < У. Данная последовательность запоминается з элементах памяти №., ... Мп-1, №1 соответственно." Запись кодовых импульсов в эти элементы осуществляется синхронно с переключением сигналов Х(Ь) и У(Ц. фи условии X > У необходимо, чтобы логическая функция И1 - М1 /\ Ш /\ ... Мп-1 /\ Мп принимала значение логической единицы, а ге равнялась нулю, где ¥2 => М1 /\ Ш /\ ... Мп-1 /\ Мп. При X < У имеет место П - 0 и Р2 - 1. Знаку разности сравниваемых напряжений соответствует выходной сигнал, принимающий значение логической единицы при X > У или нуля при X < У. Если условия Р1 - 1 и Р2 ~ 0 или П -"О и - 1 не выполняются, то выходной сигнал не меняется; Такая ситуация возможна, когда разность сравниваемых сигналов равна н£лю или в паузе между импульсами присутствует помеха. Случай совпадения кодовых импульсов и помехи на достоверность сравнения сигналов не влияет. Поэтому ошибочное срабатывание наиболее вероятно при X - У - 0. Для этого' условия определим вероятность получения ошибки при формировании выходного сигнала в зависимости от количества анализируемых периодов. Ошибочное срабатывание возможно при тп <- Т/2, где тп -длительность импульса помехи, Т/2 - время подключения одного из сигналов. Это связано с тем, что для тп > Т/2 в паузе между импульсами будет присутствовать помеха Принимаем тп меньше Т/2. Тогда вероятность ошибочного сравнения сигналов можно определить из формулы N

я = 1/С.

2М,

где N - количество .анализируемых периодов. Учитывая, что вероят^ ность верного состояния сигнала, соответствующего знаку разности. X - У, р - 1 -. <т,< получим р.>- .0,98 при Ы -

3 этой т главе дан способ лечения напряжений [5 3, которк'1 позволяет повысить входные сопротивления каналов делимого делители аналоги-цифрового логометра и обеспечивает подавление низкочастотных дрейфов нудя согласухжух каскадов, не требуя исполызо- • вания цепей компенсации нулевого .уровн,..

Данный способ заключается в одновременном преобразовании напряжений делюгаго их и делителя иу в сигналы, изменякшдаеся во врч-ненн по экспоненциальному закону, т.о. их(Ь) - их ехр(-Ь/т) н иу'Л) - 11у С1 - ехр(-1/т)]. Загем с поморью дифференцирования 11уШ получаем 1Ь(и - иу ь/ч ехр(-Ъ/т). Причем, постоянные времени цепей дифференцирования и интегрирования равны медду ссбо?. Отосда при сравнении 11х(1) и ЦгСЪ) получаем интервал 3 - т их/1)у.

Низкочастотные дрейфы куля согласующих каскадов, используемых для снижения влияния внутренних сопротивлений источников их и иу на результат сравнения, подавляются дифференцированием, применяемым в данном способе при формировании развертки. Для этого предварительно формируются две последовательности прямоугольных импульсов с периодом Т и амплитудами, равными соответственно их и Цу. Исследование зависимости диапазона деления напряжений с помощью данного способа от величины постоянной времени т цепей развертки показали, что максимальное отношение 1)х/1)у, которое может преобразоваться в пропорциональный интервал времени, не зависиг от т и равно единице. Для обеспечения наибольшей крутизны постоянную времени развертки следует выбирать из условия ? <- 0,39 Т. Интервал Э уст., получаемый для установившегося режима предложенного способа деления напряжений, кроме выражения, пропорционального 11х/Цу, содержит слагаемое приводящее к погрешности преобразования, которое зависит от т и периода следования сравниваемых импульсов, т.е. /\Ь - Т ехр(-Т/2т)/{2[1 + ёхр(-Т/2т)]>. Длл выбора одного из принципов компенсации /М; проведен сравнительный анализ погрешностей, возникающих от неравенства постоянных времени цепей развертки. Согласно этого анализа нваиболее подходящим является принцип компенсации заключающийся в предварительно*: определении момента сравнения 11 между рулем и.Цг(Ь), равного по величине /\1. Отсюда разность Э уст. -и- пропорциональна т 1)х/11у. Однако сшибка за счет разброса параметров элементов развертки, возникающая при формировании интервала, накладывает ограничения в выборе шага дискретизации пр» преобразовании отношения их/иу в код с помощью данного способа Эти ограничения могут быть устранены, использованием алгоритма получения данных табличного узла -

коррекции нелинейности аналого-цифрового преобразования, описанного вше, что дает возможность также компенсировать слагаемо э /\Ь в значении Э уст. фи таком подходе к решению вопроса повышения точности упрощается схема аналого-цифрового логометра. поскольку отпадает необходимость в определении момента 11.

С целью оценки времени получения результата с нормированной погрешностью, исследованы влияния инерционности цепей развертки на точность деления напряжений предложенного способа. Результатом , этих исследований.является то, что для условия наибольшей крутизны преобразования (т - 0,33 Т) при скачке одного из напряжений их или 11у, относительная динамическая погрешность принимает значение бд - 0,015% за время 4Т. Поэтому выбор постоянной времени цепей развертки в данном случае производится согласно' конкретных условий эксплуатации' логометра.

В четвертой главе рассмотрены примеры практической реализации аналого-цифровых логометров для бортовых измерительных систем, основанные-на вышеизложенных методах и алгоритмах. Такие логомет-ры в качестве основных частей содержат: узлы коррекции нелинейности преобразования, . помехоустойчивые компараторы, узлы формирования развертки, счетчики импульсов.

Узлом коррекции нелинейности служит табличный функциональный расширитель на программируемых постоянных запоминающих устройствах. Запись данных в память этого табличного расширителя происходит при калибровке аналого-цифрового логометра программно с помощью микро-ЭВМ. Буферные регистры, шинный формирователь, дешифратор адреса и триггер синхронизации обеспечивают связь управляемого источника образцовых напряжений, -аналого-цифрового логометра, табличного функционального расширителя и программатора с общей шиной микро-ЭЗМ. Все эти узлы и устройства создают блок программирования, работа которого состоит из циклов: запуска аналого-цифрового логометра, вычисления ожидаемых результатов, записи данных в память узла коррекции нелинейности, проверки линейности преобразования в код отношения напряжений [ 19 ].

Для снижения влияния помех на результат аналого-цифровое преобразования разработан помехоустойчивый импульсный компаратор С 18 ], в котором переключение сравниваемых сигналов происходит с помощью входных ключей, управляемых прямым и инверсным выходами генератора импульсов. Каналом усиления формируется импульсная последовательность, запоминаемая' в сдвиговых регистрах. Логическим блоком, в . зависимости от значений в ячейках памяти этих ре-

- п -

гнстров, образуются коды 10, 01 или 00, устанавливающие выходной ¡-¿-триггер в соответствующее состояние. Однако с уменьшением порога чувствительности возрастает вероятность ложного срабатывания ртой схемы за счет маскирования шумами кодовых импульсов. Поэтому в усилительном канале установлены два параллельно-последовательных коммутатора, разделенных мевду собой дифференцирующей цепью и управляемых синхронно с переключением сравниваемых сигналов I 6 ]. Порог чувствительности такого компаратора достигает 7 мкВ при диапазоне температур окружающей среды от -10°С до +60°С.

Ь аналого-цифровом логометре, в котором формирование развертки осуществляется интегрированием, уровни напряжений Ux и Uy коммутируются входными ключами, управляемыми двумя импульсными последовательностями, сдвинутьм; относительно друг друга на 180° i 14, 16 J. Длительность импульса, пропорциональная логарифму от-.'■опения Ux/Uv, образуется на выходе компаратора сравнением сигналов, получаемых при прохождении через интегрирующие RC-цепи импульсов с амплитудами, равными соответственно Ux, и Uy. Сигналы, формируемые дешифратором и компаратором, управляют счетом счетчика импульсов и записью результата в регистр, выходы разрядов гаторого объединены с соответствующими выводами адресной шины табличного преобразователя кодов.

Устройство, обеспечивающее преобразование абсолютного значения отношения напряжний в код при произвольных полярностях Ux и L'y, разработано на основе формирования развертки с помощью дифференцирования последовательности импульсов с амплитудой Ux. Дано списание принципа работы такого аналого-цифрового логометра, со-;есжащего блоки управления; формирования развертки, преобразовали логарифма абсолютного значения Ux/Uy в код/ определения зна-отнесения н.узел коррекции нелинейности.

этого логометра диапазон из^нения напряжения де- . \-:маго ограничен условием ! Ux! <- Uv/[1 + ехр(-Т/2т)]. Поэтому с : и.го.-'.пованием экспоненциальной развертки на основе микропроцес-• пз разработан аналого-цифровой логометр, обеспечивающий преоб-: ьвовакне в код частного больше и меньше единицы при произвольных -¡олярностях напряжений делимого и делителя С 13, 17 3. Его схема достоит из олоксв преобразования, вычислительного и определен!!.! гчака относгэния. Дан,алгоритм программы управления аналого-цифрс-

лог остром и вычисления результата Повышение точности такого гяадого-цифрового логометра связано с уменьшением зависимости 1/2?.■ 3 частности, при Т/£т - б, саге квантоЁанйя /\и - 10 мкВ и

\г -

опорком напряжении Uo = 15 В получаем относительную norp-'UioüT^ бк = 0,013%. Однако уменьшение Т/2т приводит к снижению кзди&ожч формирования данных, пропорциональных отношению Ux/Uv. Для рассматриваемых условий наименьшее абсолютное значение одного из входных напряженйй Судет Ubx. min = 0,037 к Отсюда диапазон преобразования Ux/Uy в код составит от + 400 до 0,04. Расширение диапазона обеспечивается установкой переключателя- пределов в канаке опорного сигнала .Использование в схеме логометра вычислительного блока на основе микропроцессора дает возможность переключение осуществлять программно. Применение делителя с коэффициентом К - 1/10 обеспечивает преобразование отношения Ux/Uy в код от + 4000 до 0,004 с относительной погрешностью в диапазонах: 15 В -37 мВ бк - 0,013% и 1,5 В - 37 мВ бк - 0,132.

.Согласно способу деления напряжений, основанному на использовании при формировании развертки естественных процессов зарядов и разрядов конденсаторов, разработаны аналого-цифровые логометры с линейным преобразованием отношения напряжений в ■ цифровой код, которые не снижая быстродействия уменьшают, влияние дрейфов куля входных согласующих' каскадов на точность измерения частного двух уровней сигналов С 7, 10 ]. Требования к стабильности нулевых уровней в широком температурном диапазоне и во времени для этих каскадов могут быть невысокими за счет предварительного преобразования входных напряжений в импульсные сигналы параллельно-последовательными коммутаторами, которые управляются периодической последовательностью прямоугольных импульсов, и использования дифференцирующих цепей с ыалкми значениями реальных активных прово-димосте-й конденсаторов.' Эти цепи одновременно являются также элементами узла формирования развертки. С помощью такого построения обеспечиваются входные сопротивления каналов делимого и делителя до 1С мОм. Повышений точности преобразования этих схем отношения напряжений в код зависит от порога чувствительности применяемого компаратора и метрологических характеристик образцового источника напряжений, используемого при калибровке логометра и программировании узла коррекции нелинейности. Так при пороге чувствительности компаратора в 10 мкВ обеспечивается диапазон изменения напря-кекня. делителя от 15 мВ до 15 В с использованием десятирагрядного двоичного аналого-цифрового преобразования, что дает возможность без применения дополнительного усиления сигнала делимого и переключения пределов измерять отношения от 1 до 0,001 с приведенной погрерюстыо не хуже 0,3%. Быстродействие таких схем аналого-

гз -

цифрсгых логометров зависит от выбора постоянной времени то цепей формирования развертки и частоты F коммутации напряжений Ux и Uy. I'Di! I • ~ кГц и для т - 0,39/F время измерения составляет 2 мс.

_':ля азрсэлектроразведочной аппаратуры метода длинного кабеля ( МЛК-8С ) разработан помехоустойчивый измеритель фазовых приращений на основе аналого-цифрового логометра L 11 ]. Схема этого измерителя состоит из генератора импульсов, формирователя квадратурных управляющих сигналов, ключей, интеграторов, узла модуля и схемы отношения. Выходными сигналами формирователя являются две управляющие импульсные последовательности с периодом Т, сдвинутые между собой на Т/4. Узел модуля представляет из себя аналоговое ■ вычислительное устройство, выполняющее математическую операцию Un VUx Ux + Uy Uy [ 8 ]. Таким образом, выходной код этого измерителя фазовых приращений соответствует D = Ux/Um, что пропорционально синусу угла фазового сдвига между входным и опорным сигналами. В качестве схемы отношения был применен аналего-цифровой логометр с экспоненциальной разверткой, формируемой дифференцирующей цепью в канале делителя. Однако повышение точности такого измерителя фазовых приращений ограничивается погрешностью блока модуля. Поэтому разработан помехоустойчивый фазометр на основе аналого-цифрового логометра \источником опорного напряжения, изменяющегося во времени по экспоненциальному закону. Его схема состоит кз генератора импульсов, формирователя квадратурных управляющих импульсов, ключей, интеграторов и вычислительного бло-гл. При разработке вычислительного блока применяется табличный преобразователь кодов, ячейки, памяти которого содержат данные, соответствующие выражению D - Ux/\/Ux Ux + Uy Uy, Использование в измерителе 12-разрядного аналого-цифрового логометра с экспоненциальным преобразованиемобеспечивает измерений синуса угла фазо-•. ого приращения сигнала с погрешностью 0,1%. Дальнейшее повышение точности связано с применением переключателя пределов.

Недостатками формирования 'кодов, -пропорциональных тригонометрической функции фазового сдЕига между сигналами являются не-.'.шнейгость характеристики и. возможность получения равнозначных результатов, поскольку, например, sin ф = siпГ(180 - ф). Проблема получения кодов, пропорциональных непосредственно фазовым приращениям сигналов, с помощью такого фазометра может быть решена па этапе программирования'табличного функционального расширителя введением в процедуру подготовки - данных, управляющей программы стандартного вычисления обратной тригонометрической функции. Для

непосредственного измерения (базовых приращений на основе аналого-цифроЕых логометров разработан алгоритм программы вычислительного блока и выведена формула относительной погрешности.

Е заключении кратко сформулированы результаты исследований и даны сведения об их использовании в разработках бортовой аппара туры.

I приложении.приведены таблицы, иллюстрирующие зависимости метрологических характеристик аналого-цифровых логометров от па-■раметров элементов экспоненциальной развертки, а также дан текст управляющей программы для программирования памяти устройств коррекции нелинейности преобразования отношения сигналов в код.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе экспоненциальной . развертки разработан оригинальный принцип деления сигналов, расширяющий диапазон формирования кода за счет исключения источника опорного напряжения. С целью обеспечения линейности аналого-цифровых логометров с экспоненциальным преобразованием рассмотрена возможность применения таблиц потенцирования данных.

Для метода экспоненциальной развертки определены условия получения равнозначных результатов при аналого-цифровом преобразовании отношений напряжений больше и меньше единицы и дан принцип устранения этого недостатка.

3. Разработан метод повышения точности формирования кода; пропорционального отношению напряжений произвольных полярностей, не требующий предварительного определения и инвертирования полярностей сигналов.

4. На основании анализа погрешностей работы аналого-цифровых логометров от квантования и инерционности элементов экспоненциальной развертки даны условия выбора количества разрядов счетчика импульсов таких логометров в зависимости от периода следования и постоянной времени сигнала развертки, -обеспечивающие снижение ди намической. погрешности.

5. Дан алгоритм программирования табличных функциональнь-расширителей, обеспечивающий экономию памяти и простоту реалш;;л-ции блоков коррекции нелинейности преобразования аналого-цифрогк. логометров.

6. Разработан принцип повышения помехоустойчивости аналого-цифровых говобразований отношений напряжений, увеличивающий надежность1 формирования кода.

7. Предложен и исследован новый способ преобразования отношения напряжений в цифровой код, уменьшающий низкочастотный дрейф нуля согласующих каскадов с повышенными входными сопротивлениями.

С. С использованием предложенных методов деления напряжений^ алгоритма коррекции нелинейности и проведенных, исследований разработаны и изготовлены аналого-цифровые логометры и на их основе помехоустойчивые измерители фазовых приращений. Эти разработки экспериментально проверены в бортовом комплекте аэроэлектроразве-дочной аппаратуры метода длинного кабеля ЭДК-80. Фактический экономический эффект от внедрения результатов работы - 150 тыс. рублей за полевой сезон.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. A.c. 467360 ( СССР ). Устройство для деления напряжений /Шевченко Л. Д./. - Опубл. в ЕЙ.,-1975, N14.

2. А. с. 577538 ( СССР ). Устройство для деления напряжений /Шевченко Л. Д. /. - Опубл. в Б. И., 1977, N 39.

3. A.c. 714418 (-СССР ). Устройство для определения логарифма отношения двух напряжений /Ыэвченко Л:Д./. - Опубл. в RH, 1980, Н 5.

л. А. с. 849234 ( СССР ). Устройство для деления напряжений /Шевченко Л. Д./. - Опубл. в Б. И., 1981, N 27.

5. А. с. 943751 ( СССР ). Способ деления напряжений /Шевченко Л. Д /. - Опубл. в Б. И., 1982, N 26.

6. A.c. 949528 ( СССР ). Преобразователь переменного напряжения в постоянное /Башарулов Е Е , Шевченко Л. Д. /. - Опубл. в Б. И. , 1932, N 29.

A.c. 1012277 ( СССР ). Делительное устройство /Шевченко Л. Д./. - Опубл. В-Б. И.. 1983, N 14.

G. A.C. 1015396 ( СССР ). Устройство для извлечения квадратного корня из суммы квадратов двух напряжений /Бакарулов Е Е, Проць ?. В. , Иэвченко.Л. Д. /. - Опубл. в Б. И. , 1983, N 16.

A.c. 1068950 ( СССР). Логарифмический преобразователь /Корепанов В. Е. , Шевченко Л. Д. /. - Опубл. в Б. И. , 1984, N 3.

1С. A.c. 1128380 ( СССР ). Кодирующее устройство /Шевченко Л. Д. /. - Опубл. в ЕЙ.', 1984, N 45.

11. ¡алашников К И., Проць Р. Е , Ыэвченко Л. Д., Полишко Е Б. и др. Гдмплекс аэроэлектроразведочной аппаратуры МДК - 80. - В кн.: Индукционные исследования верхней части'земной коры: Тез. докл.

Всесоюзного научно-технического семинара "Индукционная электроразведка - 84", М. , 1985, с. 137 - 138.

12. Погрибной К А. , Шевченко Л. Д. Обеспечение линейности аналого-цифровых логометров с экспоненциальной разверткой. - В кн.; Исследование и разработка современных радиоэлектронных элементов и устройств: Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции,. Рига, 1990, с. 7.

13. Шевченко Л. Д. Устройство для деления напряжений. - В сб.: '"Отбор и передача информации", "Наукова думка", К., 1978, вып. 53. с. 96 - 98.

14. Шевченко Л. Д. Время-импульсный измеритель отношения с экспоненциальным преобразованием. - В сб.: • "Отбор и передача информации, "Наукова думка", К., 1982, вып. 65, с. 74 - 78.

15. Шевченко Л. Д. О построении преобразователя напряжений в число-импульсный код. - В сб.: "Отбор и передача информации", "Наукова думка", К., 1981, вып. 64, с. 114 - 116.

16. Шевченко Л Д. Повышение линейности преобразования напряжения в цифровой код // Вестн. Львов, политех, ин-та. - 1989. -

N 236: Теория и проектирование полупроводниковых и радиоэлектронных устройств. - с. 119 - 12".

17. Шевченко Л. Д. Исследование процессов в аналого-цифровом арифметическом устройстве / Разработка методов моделирования и анализа радиоэлектронных компонентов, устройств и сигналов / - . Львовский политехнический институт. - Львов, 1989, с. 64 - 69. -Деп. в Укр. НИИ НТИ N 237. -<ИК90 от 19.02.90.

18. Шевченко Л Д. Повышение надежности АЦП.. - В кн.: Автоматизированные системы обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры: Тез. докл. Всесоюзной научно-технической конференции. Москва - Львов, 1990, с. 71 - 72.

19. Шевченко Л Д. АЦП с программируемой линейностью преобразования. // Вестн. Львов, политех, ин-та. - 1990. .- N 245: Теория

и проектирование полупроводниковых и радиоэлектронных устройств. -■с. 1С6 - 110.

Подл, к печати ъ.ю.яг формат 60x84'/!

Бумага типограф. К! 2. Офо. печ. Усл.поч. г */ Усл. крао.-отт. 1 - Учотно-изд.-л

_Тираж 1оо вкл. 8ак. >29- .Беоплатнп

_■ ЛПИ 290645 Львов-?3. Бандарц, *

Участок оперативной печати опытного аавода ЛЕ Лььов, ул. Городецкая, 28о