Немного о метрологии и ошибках аналоговых схем

June 26, 2010 by admin Комментировать »

До сих пор ошибок, неизбежно возникающих в любом измерительном уст­ройстве, мы касались лишь вскользь. Необходимость элементарных знаний в области метрологии для радиолюбителя можно пояснить на примере инст­рукции к мультиметру: пусть там записано, что погрешность измерения на­пряжения составляет 0,5% на пределе 2 вольта. Если вы сходу правильно от­ветите на вопрос, насколько в абсолютных единицах (вольтах или милливольтах) конкретная величина, показываемая прибором (например, «1,000 В») может отличаться от истинной, можете эту часть главы не читать (правильный ответ приведен в конце главы). Другая типовая задача— по­строить градуировочную кривую для какого-то датчика, чтобы прибор пока­зывал физические величины, и она также трудноосуществима без элементар­ных знаний в области метрологии. Кроме того, пытаться проектировать измеритель любой физической величины, не проведя хотя бы поверхностно­го анализа возникающих погрешностей, совершенно бессмысленно — даже при самых мягких требованиях к точности можно основательно «залететь», зря потратив и время, и деньги. Попытаемся очень кратко систематизировать сведения, которые необходимы для такого анализа.

Метрология — наука о том, как правильно проводить измерения. Все нача­лось с того, что возникшая в середине прошлого тысячелетия рациональная наука поставила во главу угла принцип поверки теории экспериментом — а это возможно осуществить только в том случае, если эксперимент воспроиз­водим, то есть может быть повторен любым другим человеком (это положе­ние еще называют принципом «верификации»). Основная же проблема вос­производимости состоит в том, что ни один эксперимент не обходится без ошибок. Поэтому метрология занимает очень важное место в современном мире. Без нее технический прогресс был бы вообще невозможен, потому что никто бы тогда не смог ничего сказать о достоверности полученных в экспе­рименте данных.

Если мы представим себе экспериментальную систему наподобие объекта регулирования, изображенного на рис. 12.2, то кроме входов (входных воз­действий), которые контролируются исследователем, на систему действует еще множество различных факторов, которые можно поделить на несколько различных групп. Так, есть незначимые факторы — те, которые нам извест­ны, но для простоты мы их влиянием пренебрегаем, такие, как отклонения в свойствах реальных физических тел от идеализации типа «абсолютно твердое тело» или «материальная точка» (типичный пример — влияние базового тока в транзисторе на величину эмиттерного, которое мы обычно не учитываем). Есть факторы вполне значимые, но мы не можем ими управлять и часто даже их контролировать: скажем, разброс параметров электронных компонентов. Как бы все упростилось, если бы все транзисторы одного типа были бы со­вершенно одинаковыми! Наконец, во многих случаях могут быть и неизвест­ные нам факторы — содержание науки во многом состоит в том, чтобы такие факторы обнаруживать и влияние их исследовать.

Как же можно учитывать подобные воздействия? Тут на помощь приходит теория вероятностей — точнее, дочерняя прикладная дисциплина под назва­нием математическая статистика. Основное ее предположение состоит в том, что все неучтенные факторы можно рассматривать, как равномерный шум, приводящий к чисто случайному разбросу значений измеряемой величины. Излишне говорить, что довольно часто это предположение не совсем соот­ветствует действительности, но все же в большинстве практических случаев (по крайней мере, в технических приложениях) это есть неплохое приближе­ние к истине, и применение методов математической статистики дает на удивление хорошие результаты. Только не следует забывать, что статистика не может повысить точность измерения, если прибор этого не позволяет, она всего лишь дает нам сведения о том, чего мы достигли в действительности.

Точность и разрешающая способность

Несколько слов о том, насколько вообще целесообразно стремиться к высо­кой абсолютной точности измерений. Измерительные схемы характеризуют­ся тремя основными параметрами: точностью, разрешающей способностью и стабильностью (временным дрейфом). Что такое точность или обратная ей величина— погрешность, понятно интуитивно. Разрешающая же способ­ность (иногда говорят о чувствительности)— это попросту минимальная разница в значениях измеряемого параметра, которую мы еще можем разли­чить. Для аналоговых приборов, (стрелочных, или, например, ртутных термо­метров) это половина самого мелкого деления шкалы, а для цифровых — единица самого младшего разряда. Естественно, повышать точность сверх разрешающей способности бессмысленно. А стабильность (дрейф) — самый сложный для оценки параметр, она характеризует уход показаний с течением времени. Подробнее на вопросах оценки дрейфа мы не будем здесь останав­ливаться.

Я берусь утверждать, что в большинстве практических случаев точное значе­ние абсолютной величины — в определенных пределах, разумеется — не представляет особого интереса. При измерении температуры единственное исключение для бытовых приборов — точка замерзания воды, о чем мы го­ворили ранее. Но обычно нам и неважно, 9 градусов на улице или 11, глав­ное — весна, и можно снимать шубу.

С другой стороны, обычно нет никакого смысла конструировать суперста­бильные и высокоразрЬшающие, но неточные приборы — просто потому, что обеспечение стабильности и точности во многрм взаимосвязаны, причем первое еще и существенно сложнее. А если мы очень сильно увеличим раз­решающую способность по сравнению с точностью, то рискуем попасть в ситуацию, когда десятые градуса просто будут мельтешить на дисплее, что еще хуже, чем если бы их не было вовсе. Но не забывайте, что абсолютная точность зависит от тщательности градуировки и используемого эталона, а разрешающая способность и стабильность — никак.

Заметки на полях

Точность и погрешность — величины взаимодополняющие, что совершенно ясно по смыслу терминов. Поэтому, вообще говоря, произнести что-то вроде «точность в пределах 1%» — некорректно, естественно, тут идет речь о по­грешности, а точность в данном случае выражалась бы числом 99%. Тем не менее, в повествовательной речи такое допустимо, и мы сами не раз прибегали к такому обороту — просто потому, что совершенно ясно, о чем идет речь, и запутаться невозможно. А вот в англоязычных странах почему-то вместо погрешности принят термин именно «ассигасу», что даже без обращения к словарю легко перевести, как точность (вместо отвечающего по смыслу «inaccuracy»). Этот нюанс следует иметь в виду при чтении литера­туры на английском языке.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты