CC BY
42
УДК 621.317.727
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АТТЕНЮАТОРОВ
В.Л. Ким, Д.С. Чебуренко, М.Л. Иванов
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Рассмотрена структура аппаратно-программного комплекса, предназначенного для определения метрологических характеристик аттенюаторов, магазинов затухания и делителей напряжения в диапазоне частот 20...100000 Гц. Приведены технические характеристики генератора, индуктивных делителей напряжения и дифференциального указателя, входящих в состав комплекса.
Ключевые слова:
Аппаратно-программный комплекс, аттенюатор, индуктивный делитель напряжения.
Key words:
Hardware and software complex, attenuator, inductive voltage divider.
В системах электро- и радиосвязи одними из широко востребованных компонентов являются аттенюаторы, предназначенные для регулируемого ослабления высокочастотных и сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов.
Создание широкодиапазонных аттенюаторов возможно только при совершенствовании методов и средств их метрологического обеспечения. Повышение качества измерений и увеличение объема поверочных (калибровочных) работ достигается путем использования автоматизированных систем и аппаратно-программных комплексов.
Современные аппаратно-программные комплексы измерения ослабления аттенюаторов (АПКИОА) построены по двухуровневой структуре [1]. Как правило, нижний уровень состоит из одно- и многозначных мер и приборов сравнения, а верхний уровень образует ЭВМ с соответствующим программным обеспечением. Заметим, что АПКИОА могут быть использованы и при определении параметров магазинов затухания, коэффициента передачи делителей напряжения и электронных усилителей
В качестве однозначных мер используются генераторы напряжения. Наиболее приемлемыми многозначными мерами ослабления (отношения) являются индуктивные делители напряжения (ИДН) [1, 2]. В зависимости от требуемой погрешности измерения применяются ИДН с программным или ручным управлением [2]. Последние как более высокоточные в широкой полосе частот и играют роль эталона ослабления в установках высшей точности. Такое решение было принято при создании комплекса, предназначенного для поверки (калибровки) пассивных и активных аттенюаторов в диапазоне частот 0,02.100 кГц.
В состав АПКИОА (рис. 1) входят эталоны ослабления - индуктивные делители напряжения ДИ-3м и ДИ-6м с ручным управлением, генератор синусоидального напряжения
Ким Валерий Львович, д-р
техн. наук, профессор кафедры вычислительной техники Института кибернетики ТПУ. E-mail: [email protected] Область научных интересов: электронные и
микропроцессорные системы, автоматизация измерений, контроля и испытаний. Чебуренко Денис Сергеевич, аспирант кафедры вычислительной техники Института кибернетики ТПУ. Email: [email protected] Область научных интересов: электронные и
микропроцессорные системы, автоматизация измерений, контроля и испытаний.
Иванов Максим Леонидович, аспирант кафедры вычислительной техники Института кибернетики ТПУ. E-mail: [email protected] Область научных интересов: электронные и
микропроцессорные системы, автоматизация измерений, контроля и испытаний.
ГСН-2010м и дифференциальный указатель ДУ-2010м, способные работать как в режиме ручного, так и дистанционного управления. Связь генератора и дифференциального указателя с ЭВМ верхнего уровня осуществляется по интерфейсу иББ.
Рис. 1. Структурная схема АПКИОА
Комплекс позволяет исследовать амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) поверяемых аттенюаторов, определять их входной и выходной импедансы. При определении неравномерности АЧХ выходное напряжение генератора иген поступает на входы эталонного ИДН, поверяемого аттенюатора и опорный вход иоп дифференциального указателя. На измерительные входы иэт и ип последнего поступают соответствующие напряжения с выходов эталона и поверяемого аттенюатора. Разностное напряжение Д и = и — С/эт преобразуется в указателе в напряжение постоянного тока. Это напряжение индицируется на стрелочном приборе и одновременно в цифровом виде передается в ЭВМ для последующей обработки и визуализации.
Погрешность определения метрологических характеристик поверяемых средств измерений зависит от точности эталонных ИДН и разрешающей способности дифференциального указателя.
Широкополосный делитель ДИ-3м построен по многоканальному принципу [2] в виде двух синхронно переключаемых шестидекадных делителей напряжения, работающих в низкочастотном (0,02.20 кГц) и высокочастотном (20.100 кГц) поддиапазонах. Для расширения динамического диапазона до 160 дБ используются понижающие автотрансформаторы с коэффициентом трансформации 0,1 и 0,01, подключаемые к выходам делителей [3]. Такое техническое решение обеспечивает дискретность выходного напряжения 100 нВ (при номинальном входном напряжении 10 В среднеквадратического значения).
При проведении высокоточных измерений в области средних частот 0,4.2 кГц в комплексе используется эталонный делитель ДИ-6м. Последний представляет собой шестидекадный делитель, выполненный по двухступенчатой технологии [4]. Отличительной особенностью этого делителя является выполнение его в виде ИДН с симметрирующей обмоткой [2, 5]. Самопроверка декады осуществляется расчетно-экспериментальным методом опорного потенциала, при этом измерение разностных напряжений секций декад и опорных обмоток производится дифференциальным указателем.
Дифференциальный указатель ДУ-2010м представляет собой устройство, обеспечивающее сравнение значений двух напряжений одной частоты, поступающих с поверяемых средств измерений. Указатель позволяет определять разность двух векторов напряжений по мгновенному значению в диапазоне частот 0,02.100 кГц с разрешающей способностью 10 нВ. Такая высокая чувствительность достигается синхронным детектированием разностного напряжения с использованием синфазного напряжения, поступающего с генератора синусоидального напряжения.
Генератор выполнен по двухканальной структуре [6], состоящей из независимых низкочастотного и высокочастотного задающих генераторов с общим выходным усилителем мощности. Высокочастотный задающий генератор представляет собой функциональный генератор, воспроизводящий синусоидальный сигнал 1,25 В среднеквацратического значения в диапазоне частот 20.100 кГц. Низкочастотный генератор построен по классической схеме инвертора и двух интеграторов. При этом в цепях стабилизации амплитуды используются пиковый детектор, усилитель ошибки и регулирующий элемент на основе аналогового перемножителя. Такая структура позволяет обеспечить высокую стабильность выходного напряжения и его малые нелинейные искажения (коэффициент гармоник менее 0,2 %) в диапазоне частот 0,02. 20 кГц.
Управление режимами работ генератора и дифференциального указателя обеспечивается встроенными микроконтроллерами Atmega 128. Связь последних с ЭВМ верхнего уровня осуществляется по интерфейсу иББ.
Программное обеспечение комплекса разработано на С++ и Delphi 7.
Разработанный АПКИОА включен в состав «Установки высшей точности для измерения ослабления электромагнитных колебаний (ЭМК) на фиксированных частотах в диапазоне частот 0-100 МГц (УВТ 52А-87)», хранящейся во Всероссийском научноисследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений. На базе этой установки в настоящее время создается Государственный первичный эталон ослабления электромагнитных колебаний в диапазоне частот до 178 ГГц.
Основные технические характеристики АПКИОА:
Генератор синусоидального напряжения ГСН-2010м:
Диапазон частот, кГц
Выходное напряжение (среднеквадратическое значение), В Коэффициент гармоник, % в диапазоне частот 0,02...20 кГц в диапазоне частот 20.100 кГц
Нестабильность выходного напряжения за 15 минут, %
Индуктивный делитель напряжения ДИ-3м:
Диапазон частот, кГц Диапазон коэффициента передачи Кп Пределы допускаемой основной погрешности: на частоте 1 кГц на частоте 0,02 кГц и 100 кГц Выходной импеданс: активное сопротивление, Ом индуктивность, мкГн Входной импеданс, кОм
Индуктивный делитель напряжения ДИ-6м:
Диапазон частот, кГц Диапазон коэффициента передачи Кп Пределы допускаемой основной погрешности
Выходной импеданс: активное сопротивление, Ом индуктивность, мкГн Входной импеданс, кОм
0,02.100;
10;
не более 0,2; не более 2; не более ± 0,3.
0,02.100;
0.1 с дискретностью 10-6
± (510-6 + 110-7/Кп)
± (110-4 + 310-7/Кг)
5
5
1.50.
0,4.2
0.1 с дискретностью 10-6 ± (а, + 210~8Ь, /Кг) при Кп >10-5,
± (а, + 210~7Ь1 /Кг) при Кп <10-5, где / = 1.6 - номер декады; а1 = 510-7; а2 = а3 = 510-7; а4 = а5 = а6 = 510-6; Ь1 = Ь2 = 0,2;
Ь3 = Ь4 = 0,03; Ь5 = Ь6 = 0,02.
15
15
20.
Дифференциальный указатель ДУ-2010м:
Диапазон частот, кГц
Динамический диапазон, В (среднеквадратическое значение) Разрешающая способность, нВ
Активные входные сопротивления на измерительных входах
на частоте 1 кГц, МОм
Средства отображения информации
монитор ЭВМ, стрелочный прибор.
0,02.100 1G'8 ...10 1G
не менее 50
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Iida H. An Accurate Microwave Attenuation Measurement System Using an Inductive Voltage Divider Based on a Single-Channel If Substitution Method // Measurement Science and Technology. - 2006. -V. 17. - № 7. - P. 1947-1949.
2. Ким В.Л. Методы и средства повышения точности индуктивных делителей напряжения. -Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - 214 с.
3. Ким В.Л. Повышение точности многокаскадных индуктивных делителей напряжения в диапазоне низких частот // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2006.
- № 8. - С. 44-49.
4. Deacon T.A., Hill J.J. Two-stage Inductive Voltage Divider // Proc. IEE. - 1968. - V. 115. - № 6.
- P.888-892.
5. Ким В.Л. Индуктивный делитель напряжения: пат. 39001 Рос. Федерация. МПК7 H01F 21/12. Заявл. 04.02.04; опубл. 10.07.04, Бюл. № 19. - 2 с.
6. Бориков В.Н., Ким В.Л., Меркулов С.В. Генераторы тестовых напряжений // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2010. - № 1. - С. 23-26.
Поступила 21.09.2011 г.
