ЧЕМ И КАК ПРОВОДЯТ РАДИОИЗМЕРЕНИЯ

November 2, 2011 by admin Комментировать »

С. ГАВРИЛОВ, В.А.КУЗНЕЦОВ, Б. Е. РЕДЬКИН, Е. И. СЫЧЕВ

Радиотехнические измерения (радиоизмерения) широко применяются во всех отраслях народного хозяйства и научных исследованиях. По мере развития науки и техники измерения становятся все более разнообразными, а их роль и значение постоянно возрастают. В нашей стране ежедневно производится свыше 20 миллиардов различных измерений. Они стали неотъемлемой составной частью многих трудовых процессов. Обусловлено это тем, что в эпоху научно-технического прогресса средства и методы радиоэлектроники стали все более широко применяться в космонавтике, ядерной физике, вычислительной технике, медицине, во многих отраслях промышленности для управления и контроля технологических процессов. И во всех случаях для выполнения измерений используются разнообразные и многочисленные радиоизмерительные приборы. Кроме того, радиоизмерения позволяют определять значения неэлектрических величин — линейных размеров, температуры, давления, влажности, расхода жидкостей и газов и др. За последние годы радиоизмерения все шире применяются в сельском хозяйстве.

Трудно переоценить значимость радиоизмерений при разработке, производстве и испытаниях различных радиоэлектронных устройств, особенно радиолокационных, телевизионных, радиосвязных, радионавигационных, радиотелеметрических и радиоастрономических устройств. Объясняется это тем, что расчеты дают лишь ориентировочные сведения о характеристиках проектируемых устройств, а реальные режимы и оптимальные параметры определяются в ходе эксперимента. Доля затрат на измерения при производстве радиоэлектронных устройств составляет 25… 30% от общей трудоемкости их изготовления. Производство современной радиоэлектронной аппаратуры невозможно без точных измерений большого числа параметров различной физической природы, имеющих значительные частотный и динамический диапазоны.

Не меньшее значение имеют измерения и при эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры. Подготовка к применению, регламентные работы, локализация отказавших элементов, выяснение причин отклонений от нормального режима работы — все эти операции связаны с измерениями. Трудоемкость измерений при эксплуатации радиоэлектронных устройств достигает 70% от общей трудоемкости по их техническому обслуживанию и ремонту. При этом используются десятки и сотни типов радиоизмерительных приборов, с помощью которых контролируются сотни, а иногда тысячи параметров радиоэлектронных устройств.

Таким образом, радиоизмерения приобрели в народном хозяйстве огромное значение, а производство средств радиоизмерений составляет существенную часть затрат отраслей промышленности, создающих радиоэлектронные устройства. Ежегодно в народное хозяйство поступают сотни тысяч современных радиоизмерительных приборов. Особенностью производства радиоизмерительных приборов является то, что они по своим характеристикам должны в определенной степени опережать создание тех или иных технических устройств. Действительно, трудно создать, например, радиостанцию в новом, не применявшемся до этого, диапазоне частот, если нечем измерить в данном диапазоне ее параметры — мощность колебаний, модуляционные характеристики, длину волны и т. д. В связи с этим можно найти немного видов технических устройств, которые так быстро изменяются, иногда принципиально, и так сильно влияют на развитие науки и техники.

Значителен вклад советских ученых и конструкторов в создание новых поколений радиоизмерительной техники. Благодаря их труду наша страна имеет высокоточные и надежные средства, способные выполнять измерения в любых условиях и с высокой степенью автоматизации. Значительная часть современных средств радиоизмерений по своим показателям находится на уровне лучших мировых образцов или превосходит их по оригинальным техническим решениям. Вместе с тем следует отметить, что во всем мире конструированием и производством средств радиоизмерений занимаются тысячи фирм, имеющих иногда весьма высокий уровень научных и технических возможностей. Ежегодный объем производства средств радиоизмерений в зарубежных странах превысил 10 млрд. долл. и продолжает возрастать.

Современный парк радиоизмерительных приборов и диагностирующей аппаратуры насчитывает сотни видов и типов приборов и в зависимости от точности классифицируется па две группы. В первой группе, которую составляют рабочие средства измерений, различают:

приборы и системы общего применения, наиболее широко распространенные и предназначенные для измерения параметров различных радиоэлектронных и других технических устройств общего назначения;

приборы специального (узкоцелевого) назначения, пригодные для измерения параметров и характеристик конкретных технических устройств или для узкого класса аппаратуры;

автоматизированные измерительные системы (АИС), конструктивно встраиваемые или придаваемые для эксплуатации главным образом радиоэлектронных устройств.

Вторая группа объединяет образцовые средства измерений и эталоны единиц радиотехнических величин, предназначенные для метрологического обеспечения (аттестации и поверки) рабочих средств измерений.

По своему назначению радиоизмерительные приборы систематизируются по подгруппам: насчитывается около 20 подгрупп и более 100 видов средств радиоизмерений таких, как измерители частоты, мощности, напряжения, параметров СВЧ трактов и др.

Развитие средств радиоизмерений происходило в основном под влиянием следующих факторов:

необходимости обеспечения потребностей практики измерений для научных исследований, создания радиоэлектронных систем, совершенствования производственно-технической базы промышленности и сельского хозяйства, диагностической медицинской техники, снижения трудоемкости измерений, повышения их надежности и достоверности;

достигнутого уровня фундаментальных и прикладных исследований в области физики, электроники и эталонной базы страны;

возможностей элементной базы, вычислительной техники и уровня технологии производства радиоэлектронной аппаратуры.

Подобно радиоэлектронной аппаратуре, в зависимости от функциональных возможностей, характеристик применяемой элементной базы, технологии изготовления и схемно-конструктивных особенностей средства радиоизмерений подразделяются на ряд поколений. Разработка и производство их как у нас, так и зару- бежом занимают определенные периоды.

Так, до 60-х гг. были распространены приборы первого поколения с ручным управлением, реализованные на электровакуумных приборах и объемном монтаже элементов. Им были присущи невысокая надежность, большие габариты и масса, практически полное отсутствие автоматизации при достаточно ограниченных функциональных возможностях.

В 60-е гг. были внедрены в практику измерений приборы второго поколения с ручным управлением, в которых использовались полупроводниковые приборы и смешанная технология печатного и объемного монтажа. Это позволило за последующее десятилетие резко снизить массогабаритпые характеристики средств измерений, повысить надежность и удобство проведения измерений.

Для середины 70-х гг. характерно развитие средств измерений третьего поколения с полуавтоматическим управлением, основанных на микросхемах и микросборках со степенью интеграции до 1000 элементов в корпусе и печатном монтаже. Это был период постепенного перехода к принципиально новым схемно-техниче- ским решениям в области создания автоматически управляемых приборов четвертого поколения на базе использования средств вычислительной техники (микропроцессоров и микро-ЭВМ), внедрения технологии многоуровневых печатных плат и элементной базы четвертого поколения достаточно высокой степени интеграции (до 10 000 элементов в’корпусе). Принципиально новым качеством приборов этого поколения, кроме автоматического управления, явилась совокупная их работа в автоматизированных информационно-измерительных системах с каналом общего пользования (КОП).

В настоящее время используют преимущественно приборы четвертого поколения, одновременно закладывается фундамент создания перспективной радиоизмерительной техники пятого поколения с автоматизацией процессов измерения, управления и обработки измерительной информации на базе широкого использования вычислительной и цифровой дискретной техники, самодиагностики и адаптации к внешним условиям. Высокие функциональные, метрологические и технические характеристики перспективных систем измерения обеспечиваются дальнейшим развитием и внедрением в практику их создания функциональной электроники, новыми технологическими процессами и высокой степенью интеграции элементной базы (до 100 000 элементов в корпусе и более).

Приборы четвертого и пятого поколений, как правило, имеют значительно меньшие габариты, массу и энергопотребление, обладая в то же время более высокими показателями точности, быстродействия и надежности.

За последнее десятилетие существенно изменилась номенклатура используемых радиоизмерительных приборов и структура парка приборов в целом, в несколько раз увеличилось число автоматизированных средств измерений. За этот период количество применяемых типов приборов возросло более чем в 3 раза. Появились принципиально новые приборы — логические и сигнатурные анализаторы, генераторы псевдослучайных последовательностей, синтезаторы частоты, квантовые стандарты частоты, анализаторы ошибок передачи информации, вычислительные частотомеры, измерители параметров трактов и устройств с распределенными постоянными и др. Внедрение средств вычислительной техники и микросхемотехники сделало возможным количественный анализ быстропротекающих процессов и высокочастотных сигналов в реальном масштабе времени, а также многопараметрический анализ с помощью АИС. Точность радиоизмерительных приборов и систем возросла за эти годы в 5—20 и более раз, надежность более чем в 10 раз, массогабаритные характеристики снизились в 3—10 раз в зависимости от конкретных подгрупп приборов.

Наиболее широко распространенными в сфере производства и эксплуатации являются измерительные генераторы, частотоизме- рительные приборы, приборы для измерения напряжения, наблюдения, измерения и исследования формы сигналов и спектра, средства измерения параметров элементов и СВЧ трактов. В настоящее время диапазон перекрываемых частот в радиоизмери-

тельной технике простирается от постоянного тока до сотен гигагерц, пределы измеряемых мощностей от 10~21 до 108 Вт, пределы измерений полных сопротивлений от короткого замыкания до холостого хода при активном сопротивлении от Ю-6 до 1018 Ом, затухания сигналов от долей децибела до 100 дБ и более.

Прогресс в области совершенствования метрологических и технико-эксплуатационных характеристик средств измерений поясняется графиками, приведенными на рис. 1.

Автоматизация современных радиоизмерительных приборов позволила реализовать ряд важных дополнительных функций: самопроверку работоспособности, самокалибровку, автоматический выбор пределов измерений, уменьшение систематической и случайной составляющих погрешностей измерений (в частности, в ряде случаев учитывается дополнительная погрешность измерений при изменении температуры и влажности) и др. В некоторых типах приборов наряду с цифровой индикацией среднего значения измеренной физической величины может индицироваться и погрешность измерения, что особенно важно при проведении точных измерений. Стало широко практиковаться совмещение двух и более различных приборов в единую автоматизированную систему иногда со сменными блоками, существенно расширяющими возможности выполнения измерений. Например, с осциллографом совмещается цифровой мультиметр, что позволяет не только наблюдать исследуемый процесс, но и определять его характерные параметры (длительность, крутизна фронта импульса и др.) по показаниям мультиметра.

Проиллюстрируем реализацию указанных дополнительных функций на примере современного измерителя модуляции СКЗ-45 (рис. 2). Заменяя семейство ранее выпускаемых измерителей модуляции CK3-39, СКЗ-40, СКЗ-41, новый прибор дополнительно позволяет измерять:

Рис 2. Измеритель модуляции вычислительный СКЗ-45

параметры фазовой модуляции, а также уровень входного сигнала, частоту и коэффициент гармоник сигнала модулирующей функции;

параметры модуляции в относительных единицах, например в децибелах.

Наличие самокалибровки с диагностикой и автоматической индикацией состояния прибора позволило повысить надежность и объективность проводимых измерений. В схемотехническом плане прибор состоит из трактов аналоговой и цифровой обработки сигнала. Тракт аналоговой обработки сигнала выполнен в традиционном виде; для автоматизации настройки на частоту несущего сигнала в приборе применен управляемый стробоскопический преобразователь с малым уровнем шумов. Тракт цифровой обработки сигнала содержит блоки обработки и управления, аналого- цифровой преобразователь, преобразователь код — код и панель ручного управления.

Управляет прибором и обрабатывает информацию встроенная микро-ЭВМ С5-21, в функции которой входит:

опрос клавиатуры панели ручного управления прибором;

управление прибором (режимами работы и алгоритмами обработки сигнала) в соответствии с функциями, заданными через клавиатуру панели управления или по каналу общего пользования;

выполнение логических и вычислительных операций, связанных с подготовкой прибора к применению и реализацией алгоритмов обработки информации.

Аналого-цифровой преобразователь кроме преобразования измеряемого напряжения в код связывает микро-ЭВМ с аналоговой частью поибооа.

Для повышения точности измерений СКЗ-45 операция калибровки может выполняться по прецизионному сигналу внешнего источника, например образцовой установки.

При обработке результатов измерений микро-ЭВМ по команде с панели управления или по КОП может выполнять операцию усреднения восьми результатов измерений, Представлять их в логарифмической форме, выдавать их без учета поправки при калибровке. Последняя операция удобна для контроля качества аналоговой обработки сигнала.

Примером реализации возможностей микропроцессора при встраивании его в радиоизмерительные приборы является электронно-счетный частотомер 43-66 (рис. 3), построенный на основе программируемых средств вычислительной техники. Диапазон измеряемых частот 10 Гц… 100 МГц (прямой счет) и до 40 ГГц с преобразователем частоты. Основной управляющий элемент, определяющий алгоритм работы прибора, — микропроцессор, выполненный на БИС К580ИК80. Функции, выполняемые этим микропроцессором: управление прибором, сбор информации о результате измерений, автоподстройка частоты гетеродина преобразователя, учет коэффициента преобразования и повышение чувствительности преобразователя, выход на КОП, обработка результатов измерений и др. Необходимая математическая обработка информации осуществляется по командам с пульта управления, который связан с микропроцессором (задается режим работы, время счета, диапазон и другие условия измерений). Пульт управления может работать в режиме прерывания и имеет приоритет при выходе на микропроцессор перед другими устройствами прибора. Замена аппаратных средств программными и введение микропроцессора позволили упростить конструкцию частотомера, обработку результатов измерений, снизить энергопотребление, повысить

Рис. 3. Частотомер электронно-счетный 43-66

Рис. 4. Вольтметр-калибратор В1-18А

надежность, сократить время измерений, особенно при измерении на высоких частотах.

Примером совмещения функций двух приборов в одном и реализации наивысшей точности с использованием коррекции погрешностей на основе микропроцессора является вольтметр-калибратор В1-18А (рис. 4). В режимах ручного, дистанционного, автоматического и программного управления прибор позволяет воспроизводить и измерять напряжения и силу постоянного тока, измерять постоянное сопротивление и приращения напряжений постоянного тока.> В приборе имеются режимы автокалибровки, статистической обработки результатов измерений (операции вычитания, умножения, процентного преобразования, регистрации экстремальных и средних значений по серии измерений), диагностики неисправностей и регистрации метрологического состояния прибора.

Работой прибора управляет встроенная микро-ЭВМ, которая также построена на основе микропроцессорной БИС К580ИК80. Она позволяет по определенному алгоритму коммутировать входы узлов прибора, обрабатывать входную и выходную информацию аналогового блока для последующего хранения, вычисления и индикации. Микро-ЭВМ управляет также считыванием показаний прибора, преобразуя их в более приемлемую форму. Благодаря такой возможности показания прибора, например, в режиме измерения приращения напряжений могут быть масштабированы в процентах или абсолютных единицах.

Для уменьшения временной и температурной нестабильности прибора предусмотрена его калибровка, которая может выполняться как оператором, так и микро-ЭВМ (самокалибровка) через установленные интервалы времени (через 2 ч после включения, через 8 ч непрерывной работы или при изменении температуры на 2°С).

Средства вычислительной техники находят широкое применение не только в приборах, измеряющих физические величины, но и в приборах, формирующих различные виды электрических сиг-

Рис 5 Генератор импульсов Г5-79

налов, в частности в генераторах импульсов, например, Г5-79 (рис. 5^, где микропроцессор выполняет, как правило, следующие функции: организацию диалога оператора с прибором, сопряжение прибора и диагностику неисправностей, обеспечение сервисных (стандартных) программ, т. е. обеспечивает более гибкое управление прибором и его функциональными узлами, сокращает время подготовки прибора к работе.

Диалог оператора с прибором включает ввод с помощью клавиатуры параметров и режимов работы прибора, а также отображение на индикаторе вводимой в прибор информации. Микропроцессор позволяет контролировать процедуру ввода параметров и формирования последовательности импульсов, что обеспечивает исключение возможных ошибочных действий оператора при выборе режимов работы и вводе параметров, смысловой контроль вводимого параметра, сравнение его с граничными значениями, проверку допустимых соотношений нескольких вводимых параметров.

Усложнение радиоэлектронных и других технических устройств, где широко применяют радиоизмерения, привело к необходимости создания радиоизмерительных систем, способных в автоматизированном режиме проводить измерения с помощью нескольких различных приборов, управляемых извне. Коллективный характер одновременного применения нескольких приборов потребовал обеспечения различного вида совместимости (конструктивной, информационной, метрологической и др.) приборов между собой, создания стандартных КОП, через которые приборы, объединенные в единый «ансамбль», могут обмениваться информацией и управляться извне «дирижером» — контроллером или микро-ЭВМ.

В настоящее время стандартный интерфейс (включающий стандартный КОП) строится на основе международного стандарта МЭК-625.1, имеющего отечественный аналог — ГОСТ 26.003— 80. Этот интерфейс определяет совокупность электрических, конструктивных и программных операций и средств для соединения объекта измерений, радиоизмерительных приборов с управляющим контроллером или мини-ЭВМ с целью образования АИС. Конечно, в этих случаях можно применять и другие стандартные интерфейсы, но тогда в каждый предназначенный для агрегатирования в АИС прибор требуется встраивать несколько интерфейсных плат, каждая из которых предназначена для работы только с одним из стандартных КОП, или же создавать адаптер- ные устройства, позволяющие согласовывать работу прибора с тем или иным КОП.

Нетрудно представить, насколько возрастают возможности проведения измерений параметров сложного радиоэлектронного устройства с помощью всего нескольких приборов, обладающих интерфейсными функциями, контроллера или мини-ЭВМ, соединенных с помощью КОП. По существу сам потребитель может собрать из приборов-модулей комплекс АИС, решающих необходимые измерительные задачи.

Современные радиоэлектронные устройства быстро видоизменяются. Применение БИС и СБИС, микропроцессоров становится основой новых поколений радиоэлектронных устройств. В объеме каждой БИС и СБИС концентрируются функциональные возможности крупных блоков и узлов. Поэтому физический доступ к отдельным контрольным точкам, разъемам этих блоков и узлов стал невозможен, более того, стали невозможными измерения «внутри» БИС с помощью осциллографов, частотомеров и т. д. Измерения и контроль в подобных радиоэлектронных устройствах становятся все более интегральными, поблочными, а измерения токов, напряжений, частот сигналов все чаще заменяются определением правильности структуры (последовательностей) цифровых сигналов, следующих через контрольные точки, наблюдения за прохождением потоков данных, например, на адресных, информационных и управляющих шинах микропроцессоров в реальном масштабе времени. В связи с указанным появились новые подгруппы радиоизмерительных приборов — различные виды логических анализаторов. Большинство из них являются многоканальными, производящими анализ и сравнение программы потока цифровых данных проверяемого устройства с программой заведомо годного устройства, заложенной в анализатор или другое устройство. Анализаторы временных диаграмм позволяют наблюдать временные соотношения между логическими сигналами, проходящими по различным каналам устройства. Разработаны анализаторы логических состояний КОП, позволяющие проверять интерфейсные платы отдельных приборов-модулей перед объединением их в АИС, а также контролировать сигналы управления, проходящие в АИС. Можно предположить, что в ближайшем будущем различные виды логических анализаторов несколько по- теспят традиционные виды радиоизмерительных приборов.

Большую роль в поддержании единства измерений, проводимых с помощью многочисленных однотипных приборов, в различное время, различными людьми, в различных условиях, играют эталоны и образцовые средства измерний, которые находятся в метрологических органах (государственные эталоны — в метрологических институтах Госстандарта). Всего в СССР действуют 32 государственных эталона и поверочных установок высшей точности для радиотехнических величин (эталоны мощности электромагнитных колебаний в волноводных и коаксиальных трактах, эталоны напряженности электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля, эталоны напряжения и силы тока высокой частоты и др.).

Важнейшим эталоном радиотехнического профиля является эталон времени и частоты, в состав которого входят водородные и цезиевые стандарты. Относительная погрешность воспроизведения единицы частоты действующего государственного эталона составляет 5-Ю-14. Для обеспечения правильной передачи размеров единиц физических величин от эталонов образцовым средствам измерений и далее рабочим средствам измерений устанавливается порядок, регламентированный так называемой государственной поверочной схемой, «привязанной» к государственному эталону. Существуют локальные, ведомственные поверочные схемы, в которых исходным средством измерений является вторичный эталон, периодически сличаемый с государственным. Непрерывное повышение точности радиоизмерений вызывает необходимость в разработке и утверждении соответствующих более высокоточных государственных эталонов и образцовых средств радиоизмерений.

К тенденциям дальнейшего развития радиоизмерительной техники следует отнести:

преобладание «коллективных» методов измерений параметров сложных систем на основе как универсальных АИС, так и многофункциональных приборов, приобретающих те или иные свойства (вольтметра, частотомера, осциллографа, измерительного генератора и т. д.) по выбору оператора или в соответствии с программой внешнего управляющего контроллера (мини-ЭВМ);

развитие новых средств радиоизмерений, например, для волоконно-оптических средств связи;

создание принципиально новых классов средств измерений и диагностической аппаратуры (анализаторов сигналов в реальном масштабе времени, логических анализаторов, многофункциональных анализаторов параметров элементов и цепей и др.);

совершенствование существующей элементной базы и технологии производства приборов, увеличение точности, уменьшение массогабаритиых характеристик, повышение надежности;

освоение новых диапазонов частот электромагнитного спектра. Все эти тенденции развития средств радиоизмерений вызваны требованиями научно-технического прогресса, охватившего все области народного хозяйства, необходимостью сокращения времени и трудозатрат на измерения, повышения достоверности измерений.

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