CC BY
20
Радиотехника и связь
DOI 10.25987^т2019Л5.1.008 УДК 681.3
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Н.Н. Цыбов
Кыргызский государственный университет строительства, транспорта и архитектуры им. Н. Исанова, г. Бишкек, Кыргызская республика
Аннотация: рассмотрены схемотехнические решения проектирования портативных многофункциональных высокоточных средств электроизмерений с использованием цифровых компонентов аналитической вычислительной техники, программно-аппаратные узлы которой позволяют производить математическую обработку и хранение информации. При проектировании портативных многофункциональных средств электроизмерений применение многоразрядных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) многократного интегрирования и дорогостоящих АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов (новое наименование АЦП сигма-дельта преобразования) нецелесообразно ввиду наличия интегральной нелинейности переходной характеристики операционного усилителя и интегратора, а также ввиду малого их быстродействия. Предлагаются схемотехнические решения, направленные на достижение точностных параметров на примерах проектирования электроизмерительных приборов, разработанных на базе вычислительных модулей без использования дорогостоящих высокоточных АЦП. Для этой цели применены следующие схемотехнические решения: использование нормирующих масштабирующих усилителей сигналов на входах АЦП; введение в устройство прецизионного интегратора с входящим в его состав аналого-цифровым преобразователем; включение входного АЦП в состав входного анализатора, а также АЦП положительной полуволны и АЦП отрицательной полуволны в состав блока анализа полуволн; организация параллельной работы трех АЦП и двух контроллеров амплитуды и длительности полуволн; введение в устройства декадных усилителей
Ключевые слова: многофункциональный, прецизионный, АЦП, интегратор, контроллер амплитуды и длительности полуволн, декадный усилитель, масштабирующий усилитель
Введение
Экспериментальные и исследовательские задачи являются неотъемлемым этапом при разработке любых электронных устройств, при создании, испытаниях и промышленном выпуске которых измерения являются неотъемлемой частью. Поэтому проектирование средств измерений, ориентированных на выполнение этих задач является весьма актуальным. Как правило, для выполнения экспериментальных и исследовательских работ необходимы средства измерений более высокого класса точности, чем для контроля производственного цикла выпускаемых изделий.
Средства измерений электрических цепей
Электроизмерения по своей сути I представляют собой совокупность процессов, ориентированных на проверку соответствия заданным характеристикам всех составляющих электросистемы. Измерительные приборы представля-
ют собой технические устройства контроля характеристик исследуемой физической величины, а также формирования доступных для оператора информационных сигналов [1, 2].
Увеличение функциональности выпускаемой промышленной продукции предъявляет повышенные требования к повышению класса точности приборов и повышению их быстродействия. Одним из методов выполнения этих требований является проектирование измерительных приборов с использованием цифровых компонентов аналитической вычислительной техники, программно-аппаратные узлы которой позволяют производить математическую обработку и хранение информации. Проектирование средств измерений на базе вычислительных модулей в основном ведется с применением промышленно выпускаемых специализированных микросхем. Наибольший интерес представляет для разработчиков серия однокристальных микросхем японской фирмы «New Japan Radio Co.Ltd.» (JRC) - микросхемы NJU9207, NJU9208, NJU 9207B. Эти микросхемы содержат все основные узлы для организации основных видов электроизмерений: анало-
© Цыбов Н.Н., 2019
го-цифровой преобразователь (АЦП); источник опорного напряжения; контроллер; генератор; детектор состояния батареи питания; драйвер LCD.
Измерительные приборы, выполненные на базе вычислительной техники, представляют собой устройства, в состав которых входят узел преобразования реального аналогового сигнала в цифровой код (аналого-цифровой преобразователь АЦП), узел обработки цифрового сигнала и реализации алгоритма измерений и узел индикации, формирующий выходные данные в удобной для контроля форме. Для любого средства измерений основополагающими параметрами являются его точность и быстродействие. Для основной массы измерительных модулей и систем метрологическая точность измерительного узла определяется точностью преобразования аналого-цифрового преобразователя.
На настоящий момент промышленность предоставила разработчикам средств измерений широкий спектр выбора АЦП различного принципа преобразования - однотактные, мно-готактные, интегрирующие, конвейерные, сигма-дельта преобразование. При количестве разрядов АЦП до 14 устройства относят к среднему классу точности, а при разрядности более 14 к высокоточным. По быстродействию АЦП классифицируют как АЦП «среднего быстродействия» при скорости преобразования 5 кГц, при скорости преобразования 0.005-200 МГц -как «скоростные», и при скорости преобразования свыше 200 МГц - «сверхскоростные».
Одним из наиболее доступных методов увеличения точности преобразования является создание многоразрядного АЦП многократного интегрирования. АЦП, построенные по этому принципу, ввиду наличия интегральной нелинейности переходной характеристики операционного усилителя и интегратора, имеют существенные недостатки, для устранения которых требуется много тактов преобразования. Такого рода недостатки устранены в АЦП с уравновешиванием или балансом зарядов (новое наименование АЦП сигма-дельта преобразования) [35]. Одной из лучших промышленных моделей сигма-дельта преобразователей является 24-х разрядный АЦП AD7190 фирмы Analog Devices, имеющий среднеквадратичное значение шума 7 нВ при скорости данных от 4,7 Гц до 4,8 кГц. Но применение высокоточных АЦП осложняет их высокая стоимость и большое время преобразования (для 24-х разрядный АЦП AD7190 скорость данных 4,7 Гц...4,8 кГц). Поэтому применение высокоточных АЦП
в портативных приборах не рентабельно. Поэтому одним из способов решения этой проблемы является применение схемотехнических решений, направленных на увеличение быстродействия и точности преобразования. Приборы, выполненные на базе вышеописанных микросхем, вполне пригодны для выполнения стандартных измерений. Но для научно-исследовательской работы и экспериментальной отработки режимов работы проектируемых изделий необходимы вычислительные модули намного большей функциональности, быстродействия и точности измерений. Для этих целей, как правило, используют стационарные прецизионные измерительные средства. Прецизионные измерители в основном не многофункциональны, имеют сравнительно большие габариты и высокую цену. Большой интерес разработчиков электронных приборов привлекают цифровые мультиметры повышенной точности и функциональности нового поколения. Многофункциональность измерительных приборов наиболее актуальна при исследовательских и конструкторских работах. При разработке и экспериментальных исследованиях электронных устройств на рабочем месте инженера может понадобиться от 10 до 20 единиц контрольно-измерительной техники. При этом размеры рабочего места проектировщика ограничены возможностями инженера иметь удобный доступ к органам управления каждого применяемого прибора. В этой ситуации дальнейшее увеличение количества контрольно-измерительной техники на рабочем месте проектировщика не имеет смысла. Эта проблема легко решается при применении многофункциональных средств измерения. При использовании цифровых программных компонентов увеличение функциональности измерительной техники не является сложной задачей. Для создания новых функций, в большинстве случаев, нет необходимости создавать принципиально новые аппаратные средства. Поставленная задача решается разработкой обновленного программного пакета для той же аппаратной части.
Прокомментируем ряд схемотехничеких решений, направленных на достижение точностных параметров на примерах проектирования электроизмерительных приборов, разработанных в университете строительства, транспорта и архитектуры им. Н. Исанова (КГУСТА) на базе вычислительных модулей без использования дорогостоящих высокоточных АЦП.
Мультиметр-характериограф
Мультиметр-характериограф относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для мониторинга и исследования временных и частотных характеристик электрических сигналов [6].
Структурная функциональная схема муль-тиметра-характериографа приведена на рис. 1.
Целью проектирования прибора является создание многофункционального широкополосного устройства, содержащего функции графического отображения амплитудных и временных характеристик с архивированием статистических отчетов отклонений измеряемой величины.
Мультиметр-характериограф (см. рис.1) функционирует следующим образом.
С панели управления 13 задаются пределы временных периодов (от одной секунды до недели), в которых необходимо проанализировать и сформировать статистику. В этом случае, если время подключения прибора к измеряемой
цепи превышает установленные временные пределы, то прибор в течение всего времени подключения будет заново регистрировать исследованные параметры кратно установленному временному пределу. В режиме измерений мультиметр с момента включения определяет диапазон измерений, подключая необходимый делитель напряжения или тока, тем самым предотвращая перегрузку АЦП 8. С помощью анализатора сигналов 14 определяется вид измеряемого сигнала и род измеряемого тока. Измеряемый сигнал с входного делителя 6 масштабируется с помощью узла масштабирующих усилителей 7 и подается на входы АЦП 8 и АЦП 9, предназначенных для обработки информации положительной и отрицательной полуволны. Оцифрованный сигнал с АЦП поступает в анализатор пиков тока и напряжения 10 и далее для окончательной обработки поступает в микропроцессор 11. Измеренная информация хранится в запоминающем устройстве 16 и отображается на мониторе 12.
Рис. 1. Структурная функциональная схема мультиметра-характериографа: 1-4 - входные клеммы; 5- узел шунтов; 6 -узел делителей напряжения; 7- узел масштабирующих усилителей напряжения и тока; 8 - АЦП положительной полуволны; 9 - АЦП отрицательной полуволны; 10 - анализатор пиков напряжения и тока; 11 -микропроцессор; 12 - монитор; 13 - панель управления; 14 - анализатором сигналов; 15 - АЦП; 16 -запоминающее устройство
Значительное увеличение точности в разработанном приборе, в особенности при измерении малых входных величин сигналов, достигнуто за счет нормирования масштабирующими усилителями сигналов на входах АЦП.
Расширение частотного диапазона измеряемых сигналов достигнуто за счет применения трех параллельно работающих АЦП.
Реализация функции графического отображения амплитудных и временных характеристик с архивированием статистических отчетов отклонений измеряемой величины достигнута
за счет введения анализаторов пиков и запоминающего устройства.
Многофункциональный цифровой осциллограф
Многофункциональный цифровой осциллограф относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для контроля периодических и апериодических сигналов различной формы [7]. Структурная функциональная схема многофункционального цифрового осциллографа приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная функциональная схема многофункционального цифрового осциллографа: 1, 2, 3 и 4 - входные клеммы измерений; 5 - блок коммутации пределов измерений; 6 - блок делителей напряжения и калибровки; 7 и 8 - токовые шунты; 9 - входной анализатор полярности; 10 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) входного анализатора полярности;
11 - прецизионный интегратор; 12 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) прецизионного интегратора; 13 - микроконтроллер мультиметра; 14 - микроконтроллер осциллографа; 15 - блок масштабирования, 16 - блок запоминания и отображения, 17 - блок синхронизации и развертки, 18 - блок синхронизации апериодических и одиночных сигналов; 19 - центральный процессор; 20 - монитор; 21, 22, 23, 24 - кнопки ручного управления для измерения сопротивления тока (А), напряжения (V) и частоты для включения автоматического режима измерения предусмотрена кнопка 25
Целью проектирования предлагаемого устройства является увеличение точности, расширение диапазона измерений с расширением функциональных возможностей устройства.
Многофункциональный цифровой осциллограф функционирует следующим образом.
При включении многофункционального цифрового осциллографа в целях предотвращения перегрузки по входу блок 5 коммутации
пределов измерения соединен с нижним плечом блока 6 делителей напряжения и калибровки, соответствующим максимально допустимому входному напряжению 1000 V.
Автоматический режим измерения.
В случае, если на входных клеммах 1 -4 отсутствуют токи и напряжения, то входной анализатор полярности 9 включает режим измерения сопротивлений. В этом режиме в соответствии с величиной измеряемого сопротивления входной анализатор полярности 9 посредством блока 5 коммутации пределов измерения подключается к соответствующему плечу блока 6 делителей напряжения и калибровки. Полученная информация преобразуется в цифровой сигнал АЦП 10 и передается в микроконтроллер 13 мультиметра для последующей обработки. Полученная информация от микроконтроллера 13 мультиметра проходит окончательную обработку в центральном процессоре 10 и выдается на монитор 20.
В случае, если на входных клеммах 1 -4 присутствует только напряжение, то входной анализатор полярности 9 включает режим измерения напряжения и определяет род измеряемого напряжения (постоянный/переменный). В случае обнаружения постоянного напряжения входной анализатор полярности 9 определяет полярность. При этом в соответствии с величиной измеряемого напряжения входной анализатор полярности 9 посредством блока 5 коммутации пределов измерения подключается к соответствующему плечу блока 6 делителей напряжения и калибровки. Полученная информация об измерении постоянного напряжения преобразуется в цифровой сигнал АЦП 10 и передается в микроконтроллер 13 мультиметра для последующей обработки. Полученная информация от микроконтроллера 13 мультиметра проходит окончательную обработку в центральном процессоре 19 и выдается на монитор 20.
В случае обнаружения переменного напряжения в соответствии с величиной измеряемого напряжения входной анализатор полярности 9 посредством блока 5 коммутации пределов измерения подключается к соответствующему плечу блока 6 делителей напряжения и калибровки. Полученная информация об измерении переменного напряжения обрабатывается прецизионным интегратором 11 и преобразуется в цифровой сигнал АЦП 12, после чего передается в микроконтроллер 13 мульти-метра для последующей обработки. Полученная информация от микроконтроллера 13 муль-
тиметра поступает в микроконтроллер 14 осциллографа, где посредством блока 15 масштабирования, блока 16 запоминания и отображения, блока 17 синхронизации и развертки (в случае периодического сигнала) и блока 18 синхронизации апериодических сигналов и одиночных сигналов (в случае апериодического сигнала и сигналов с большой скважностью), проходит обработку и через центральный процессор 19 выдается на монитор 20 в виде визуальной осциллограммы измеряемого напряжения, с текстовым отображением в нижней части монитора его частоты, периода, амплитудного и действующего значения.
В случае, если на входных клеммах 1 -4 присутствует только ток, то входной анализатор полярности 9 включает режим измерения тока и определяет род измеряемого тока (постоянный/переменный). Процесс обработки сигналов при измерении тока аналогичен процессу измерения напряжения за исключением того, что входной сигнал поступает на входной анализатор полярности 9 через входные клеммы 2-3 и шунты 7-8.
В случае, если на входных клеммах 1 -4 присутствуют одновременно напряжение и ток, то входной анализатор полярности 9 включает одновременно режимы измерения тока и напряжения, при этом определяет род измеряемого тока (постоянный/переменный). Процесс обработки сигналов при измерении напряжения и тока аналогичен процессам отдельного измерения напряжения и тока за исключением того, что центральный процессор 19 выводит на экран монитора 20 осциллограммы тока и напряжения с учетом фазы отставания или опережения, с текстовым отображением в нижней части монитора 20 частоты, периода, амплитудного и действующего значений параметров тока и напряжения.
Ручной режим измерения.
Ручное управление режимами измерения осуществляется с помощью кнопок 21 -24, при этом многофункциональный осциллограф производит измерение выбранных параметров в соответствии с выбранной кнопкой.
Разработанное устройство (см. рис. 2) содержит функции осциллографа, мультиметра, частотомера и измерителя сопротивлений. Выбор диапазона и функции измерения в устройстве происходит в ручном и автоматическом режимах. В приборе предусмотрена возможность одновременного измерения напряжения и тока исследуемого сигнала. Данный осцилло-
граф позволяет исследовать сигналы величиной от 1 микровольта до 1000 вольт. В приборе предусмотрена функция измерений параметров сигналов с большой скважностью, а также апериодических сигналов. Повышение точности измерений в приборе достигнуто за счет введения в устройство прецизионного интегратора с входящим в его состав аналого-цифровым преобразователем. Увеличение надежности прибора достигнуто за счет снижения потребляемой мощности разработанного устройства и уменьшения числа компонентов в схеме.
Z-анализатор
Z-анализатор относится к технике электроизмерений и может быть использован для измерений частотных характеристик реактивных и активных сопротивлений многополюсников с сосредоточенными и распределенными параметрами [8].
Структурная функциональная схема Ъ-анализатора приведена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная функциональная схема Ъ-анализатора: 1 - генератор низких частот (НЧ); 2 - генератор высоких частот (ВЧ); 3 - генератор сверхвысоких частот (СВЧ); 4 - коммутатор генераторов; 5 - входной измерительный узел; 6 -масштабирующий усилитель тока; 7 - масштабирующий усилитель напряжения; 8 - коммутатор сигналов тока и напряжения; 9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 10 - микроконтроллер; 11 - панель управления; 12 - монитор,
Z - измеряемый объект
Целью проектирования Ъ-анализатора является создание устройства исследования частотных характеристик активных и реактивных составляющих комплексного сопротивления исследуемой цепи.
Z-анализатор составляющих комплексного сопротивления функционирует следующим образом.
С панели управления 11 задается необходимый диапазон измерения (НЧ, ВЧ, СВЧ или диапазон от НЧ до СВЧ).
В режиме измерения всего диапазона от НЧ до СВЧ по сигналу микроконтроллера 10 с
генератора НЧ 1 через коммутатор 4 подаются напряжения рабочих частот на вход входного измерительного узла 5, к которому подключен измеряемый объект Ъ. При этом величина рабочей частоты в соответствии с дискретностью опроса генератора НЧ 1 меняется от минимального до максимального своего значения. Генератор НЧ 1 генерирует синхронно два напряжения. С первого выхода генератора НЧ 1 поступает синусоидальное напряжение, а со второго выхода поступает прямоугольное напряжение. При этом фронт прямоугольного напряжения совпадает с моментом перехода
синусоидального напряжения через ноль. Сигналы с генератора НЧ 1 через коммутатор 4 поступают на вход измерительного узла 5. Сигнал, прошедший через измеряемый объект, преобразовывается входным измерительным узлом 5 в сигнал, пропорциональный току, протекающему через измерительный объект, и в сигнал, пропорциональный напряжению на нем. Сигналы, пропорциональные току и напряжению, через коммутатор сигналов тока и напряжения 8 преобразуются в цифровые сигналы с помощью АЦП 9 и подаются для окончательной обработки на микроконтроллер 10. По завершению обработки сигналов рабочих частот диапазона генератора НЧ 1 по команде с микроконтроллера 10 аналогичным образом происходит обработка сигналов рабочих частот генератора ВЧ 2 и генератора СВЧ 3.
Полученные результаты обработки сигналов от генераторов НЧ 1, ВЧ 2 и СВЧ 3 проходят окончательную обработку в микроконтроллере 10 и отображаются на мониторе 12. При этом 2-анализатор составляющих комплексного сопротивления отображает кривые активного, реактивного и полного комплексного сопротивления измеряемого объекта. С панели управления можно выделить любую часть из-
меренного диапазона составляющих комплексного сопротивления.
Имеющиеся в этой области промышленно выпускаемые измерители, как правило, функционируют в узком диапазоне частот или на конкретных для каждого прибора частотах. Возможность функционирования в широком диапазоне частот в данном приборе достигнута благодаря функционированию трех программно-управляемых генераторов: низкочастотного, высокочастотного и сверхвысокочастотного.
Значительное увеличение точности измерений в устройстве достигнуто благодаря функционированию совместно с АЦП масштабирующих усилителя напряжения и тока.
Многофункциональный мультиметр
Многофункциональный мультиметр (см. рис. 4) относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован для контроля периодических и апериодических сигналов различной формы (патент КР №213).
Структурная функциональная схема многофункционального мультиметра приведена на рис. 4.
Рис. 4. Структурная функциональная схема многофункционального мультиметра: 1, 2 и 3 - входные клеммы измерений;
4 - блок делителей напряжения и калибровки; 5 и 6 - токовые шунты; 7 - блок коммутации пределов измерения; 8, 9 и 10 - первый, второй и третий декадные усилители; 11 - входной анализатор; 12 - входной АЦП; 13 - блок анализа полуволн; 14 и 15 - АЦП положительной и отрицательной полуволн; 16 - контроллер амплитуды; 17 - контроллер длительности полуволн; 18 - центральный процессор; 19 - монитор; 20 - панель управления
Целью проектирования предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей прибора, увеличение точности и его быстродействия.
Многофункциональный мультиметр функционирует следующим образом.
При включении мультиметр настраивается на максимально допустимое входное напряжение 1000 V посредством соединения блока 7 коммутации пределов измерения с нижним плечом блока 4 делителей напряжения и калибровки в целях предотвращения перегрузки по входу. Режим периода измерения (время, в течение которого будет обрабатываться информация и определятся усредненные значения измеряемого сигнала) автоматически устанавливается 0.1 сек. Для выбора и изменения периода измерения необходимо с панели управления 3 в ручном режиме ввести необходимое значение периода измерения из ряда 10, 1, 0.5, 0.1, 0.5 10-1, 10-2, 0.5 10-3, 10-3, 0.5 10-4, 10-4, 0.5 10-5, 10-6 сек.
В случае, если на входных клеммах 1 -3 отсутствуют токи и напряжения, то входной анализатор 11 включает режим измерения сопротивлений. В этом режиме в соответствии с величиной измеряемого сопротивления входной анализатор 11 посредством блока 7 коммутации пределов измерения подключается к соответствующему плечу блока 4 делителей напряжения и калибровки. Полученная информация преобразуется в цифровой сигнал входным АЦП 12 и передается в центральный процессор 18 и далее выдается на монитор 19. В случае, если на входных клеммах 1-3 присутствует только напряжение, то входной анализатор 11 включает режим измерения напряжения и определяет род измеряемого напряжения (постоянный/переменный). В случае обнаружения постоянного напряжения входной анализатор 11 определяет полярность.
При этом в соответствии с величиной измеряемого напряжения входной анализатор 11 посредством блока 7 коммутации пределов измерения подключается к соответствующему плечу блока 4 делителей напряжения и калибровки. В случае малых значений измеряемого сигнала, с целью увеличения точности измерения входного АЦП 12, первый декадный усилитель 8 масштабирует входной сигнал, усиливая его в 10, 100 или 1000 раз. Полученная информация об измерении постоянного напряжения преобразуется в цифровой сигнал входным АЦП 12 и передается в центральный процессор
18 для последующей обработки. Полученная информация выдается на монитор 19.
В случае обнаружения переменного напряжения в соответствии с величиной измеряемого напряжения входной анализатор 11 посредством блока 7 коммутации пределов измерения подключается к соответствующему плечу блока 4 делителей напряжения и калибровки, масштабирует входной сигнал первым декадным усилителем 8 и полученную информацию передает для дальнейшей обработки в блок 13 анализа полуволн.
С целью повышения быстродействия измерений блок 13 анализа полуволн одновременно производит аналого-цифровое преобразование положительной и отрицательной полуволн с помощью АЦП 14 положительной полуволны и АЦП 15 отрицательной полуволны. Далее полученная информация обрабатывается контроллером 16 амплитуды и контроллером 17 длительности полуволн, после чего центральный процессор 18 определяет максимальные амплитудные значения отрицательной и положительной полуволн как пиковые значения с текстовым отображением информации в нижней части монитора 19. Обработав информацию контроллера 16 амплитуды, центральный процессор 18 определяет действующие и средние значения измеряемого напряжения всего сигнала и каждой полуволны в отдельности с текстовым отображением в нижней части монитора 19. Обработав информацию контроллера 17 длительности полуволн, центральный процессор 18 определяет длительность каждой полуволны измеряемого напряжения с текстовым отображением информации в нижней части монитора 19. В случае периодического сигнала определяется его частота и период с текстовым отображением информации в нижней части монитора 19. При этом на мониторе 19 выводится осциллограмма формы измеряемого сигнала. В случае апериодического сигнала центральный процессор 18 определяет для всего сигнала и каждой полуволны в отдельности пиковое значение напряжения, среднее значение напряжения, действующее значение напряжения, длительность импульса и его осциллограмму.
В случае, если на входных клеммах 1 -3 присутствует ток, то входной анализатор 11 включает режим измерения тока и определяет род измеряемого тока (постоянный/переменный). Процесс обработки сигналов при измерении тока аналогичен процессу измерения напряжения за исключением того, что
входной сигнал поступает на входной анализатор 11 через входные клеммы 2-3 и далее через шунты 5 и 6. При этом масштабирование сигналов тока производится посредством второго декадного усилителя 9 для диапазона токов до 0.5А и третьего декадного усилителя 10 для диапазона токов до 30А.
В случае, если на входных клеммах 1 -3 присутствуют одновременно напряжение и ток, то входной анализатор 11 включает одновременно режимы измерения тока и напряжения, при этом определяет род измеряемого тока (постоянный/переменный). Процесс обработки сигналов при измерении напряжения и тока аналогичен процессам отдельного измерения напряжения и тока за исключением того, что центральный процессор 18 выводит на экран монитора осциллограммы тока и напряжения с учетом фазы отставания или опережения, с текстовым отображением в нижней части монитора информации всего сигнала и для каждой полуволны частоты, периода, амплитудного, среднего, действующего значений параметров тока и напряжения, угол опережения/отставания тока от напряжения, еоъф, активной мощности, реактивной мощности, полной мощности, а также параметры длительностей всего сигнала и каждой полуволны.
Многофункциональный мультиметр (см. рис. 4) в автоматическом режиме определяет пределы и функции измерения. При измерениях напряжений и токов периодического сигнала на мониторе отображается его частота, период и амплитуда. При этом фиксируются пиковые отклонения измеряемых сигналов. Контроль параметров ведется для периодического сигнала с анализом отрицательной и положительной полуволн в отдельности. При одновременном измерении и напряжения, и тока форма сигналов анализируется с учетом фазы отставания или опережения тока от напряжения, с выдачей текстовой информации для сигнала в целом и для каждой полуволны частоты, периода, амплитуды, среднего и действующего значений параметров тока и напряжения, угол опережения/отставания тока от напряжения, еоъф, активной мощности, реактивной мощности, полной мощности, а также временных параметров.
При контроле апериодического сигнала на мониторе отображается форма импульса, длительность, его действующие, средние и пиковые значения.
Разработанный мультиметр является многофункциональным, так как выполняет функции вольтметра, амперметра, омметра, часто-тометра, анализатора полуволн и ваттметра активной, реактивной и полной мощностей.
Включение входного АЦП в состав входного анализатора, а также АЦП положительной полуволны и АЦП отрицательной полуволны в состав блока анализа полуволн позволило увеличить быстродействие мультиметра за счет параллельной работы трех АЦП и двух контроллеров амплитуды и длительности полуволн.
Наличие трех декадных усилителей позволило увеличить точность измерений за счет того, что декадные усилители подают на вход АЦП оптимальную величину измеряемого сигнала в соответствии с весовыми единицами входного АЦП.
Трехфазный мультиметр
Трехфазный мультиметр относится к средствам оперативного контроля качества электроэнергии, ее мониторинга и учета (патент КР № 214).
Структурная функциональная схема трехфазного мультиметра приведена на рис. 5.
Целью проектирования предлагаемого устройства является создание малогабаритного прибора оперативного контроля качества электроэнергии, обладающего точностными параметрами, соответствующими характеристикам стационарных приборов.
Функционирование мультиметра можно прокомментировать следующим образом.
Питание схем управления устройством осуществляется от измеряемой сети. Мульти-метр сохраняет работоспособность при функционировании одной из трех фаз.
При анализе параметров измеряемой сети величины напряжений и тока нормируются в блоках масштабирующих усилителей, а также в блоках делителей напряжения и тока. Нормирование величин сигналов тока и напряжения дает возможность АЦП производить оцифровку измеряемых сигналов, которые от АЦП подаются для последующей обработки на контроллеры анализа амплитуд и длительности. Окончательную обработку измеряемых сигналов производит центральный процессор в соответствии с требованиями к параметрам электроэнергии по ГОСТ Р 54149 - 2010.
Рис. 5. Структурная функциональная схема трехфазного мультиметра: 1 - измеряемая сеть; 2, 3, 4, и 5 - фазы и нейтраль измеряемой сети; 6, 7 и 8 - три внешних трансформатора тока («измерительные клещи»); 9 - входная клеммная колодка; 10- 12 - трансформаторы тока; 13 - узел электропитания и подзарядки, работающий при питании от измерительной сети как от трех фаз, так и от одной любой фазы; 14 - аккумулятор; 15 - блок делителей сигналов напряжения, имеющий делители 16-18; 19 - блок делителей сигналов тока, имеющий делители 20-22; 23 - масштабирующий усилитель напряжения, имеющий каналы 24-26 усиления; 27 - масштабирующий усилитель тока, имеющий каналы 28-30 усиления; 31 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 32 - процессор анализа амплитуд; 33 - процессор анализа длительности и частоты; 34 - центральный процессор; 35 - энергонезависимая память; 36 - регистр памяти; 37 - оперативно запоминающее устройство (ОЗУ); 38 - блок интернет связи; 39 - блок 21 дистанционного ввода; 40 - панель управления; 41 - монитор
Информация о параметрах измеряемой сети по интернет каналу передается в пункт сбора и хранения информации о параметрах сети в конкретном регионе.
При необходимости по интернет каналу или с панели управления возможно изменять коды отклонения параметров электроэнергии.
Информация о местоположении устройства хранится в энергонезависимой памяти.
Разработанный трехфазный мультиметр выполняет все виды измерений в соответствии с ГОСТ Р 54149 - 2010. В приборе предусмотрена возможность контроля параметров исследуемых электрических цепей без их отключения.
Повышение точности в разработанном мультиметре достигнуто за счет новых функций делителей сигналов тока и напряжения, также масштабирующих усилителей, усили-
вающих малые величины сигналов до величины, оптимальной для их анализа, с помощью аналогово-цифрового преобразователя.
Заключение
Проектирование измерительных приборов с использование цифровых компонентов аналитической вычислительной техники, программно-аппаратные узлы которой позволяют производить математическую обработку и хранение информации, предоставляет возможность увеличения метрологических характеристик проектируемых средств измерения без функционального усложнения.
Как правило, при увеличении точности измерений в приборе применялся АЦП большей разрядности. Наличие программно-аппаратной части в устройстве измерений всегда предполагает наличие достаточно широкого спектра математических вычислений. Поэтому для расширения функциональных возможностей в ряде случаев необходимо не меняя аппаратную часть заменить программный пакет.
Наличие вычислительных узлов в измерительном устройстве позволило значительно снизить массогабаритные параметры прибора.
Наличие программно-аппаратных составляющих в измерительном устройстве значительно упростило построение модулей формирования и хранения результатов статистического анализа.
Литература
1. Схиртладзе А.Г., Радкевич Я.М. Метрология, стандартизация и технические измерения. Старый Оскол: ТНТ, 2010. 420 с.
2. Скачко Н.Ю., Скачко Ю.В. Мобильные средства 1Т в частотно--цифровых средствах линейных измерений // Труды Российского научно-технического общества радио-
техники, электроники и связи им. А.С. Попова. 2011. № XIII-2. С. 220-223.
3. Штрапенин Г. Сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи Texas Instruments // Компоненты и технологии. 2007. № 1.
4. Литвиненко В.П., Тогушов А.С., Левкин Н.П. Сигма-дельта АЦП // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 9. С. 129-131.
5. Жмудь В.А. О применении АЦП с сигма-дельта модуляцией в режиме коммутации // Автоматика и программная инженерия. 2016. № 3 (17). С. 16-24.
6. Патент № 2086 Кыргызская Республика, МПК G01R 15/12, G01R 19/25. Мультиметр-характериограф/ Н.Н. Цыбов; Бишкек. №20170143.1; заявл. 21.12.17; опубл. 30.08.18, интеллектуалдык менчик расмий бюл. №8/ 2018. 1 с. https://drive.google.com/fde/d/roSKB1Th9YhYzN8z9ytKWz GfnwZx_xIsZ/view
7. Патент № 212 Кыргызская Республика, МПК G01R 13/02. Многофункциональный цифровой осциллограф / Ж. Шаршеналиев, Н.Н. Цыбов; Бишкек. № 20160004.2; заявл. 17.02.16; опубл. 30.09.16, интеллектуалдык менчик расмий бюл. № 10/2016. 2 с. http://patent.kg/doc/im/2016/10.pdf
8. Патент № 2087 Кыргызская Республика, МПК G01R 27/02. Z-анализатор составляющих комплексного сопротивления / Н.Н. Цыбов; Бишкек. № 20170132.1; заявл. 06.12.17; опубл. 30.08.18, интеллектуалдык менчик расмий бюл. № 8/2018. 1 с. https://drive.google.com/file/d/1USKB1Th9YhYzN8z9ytKWz GfnwZx_xIsZ/view
9. Патент № 213 Кыргызская Республика, МПК G01R 15/12, G01R 19/25. Многофункциональный мультиметр / Н.Н. Цыбов, Ж. Шаршеналиев; Бишкек. № 20160009.2; заявл. 24.03.16; опубл. 30.09.16, интеллектуалдык менчик расмий бюл. №10/2016. 2 с. http://patent.kg/doc/im/2016/10.pdf
10. Патент № 214 Кыргызская Республика, МПК G01R 19/25. Трехфазный мультиметр / Н.Н. Цыбов, Ж. Шаршеналиев; Бишкек. №20160008.2; заявл. 24.03.16; опубл. 30.09.1, интеллектуалдык менчик расмий бюл. №10/2016. 2 с. http://patent.kg/doc/im/2016/10.pdf
11. Характеристика основных факторов риска нарушений здоровья населения, проживающего на территориях активного природопользования в Арктике / В.П. Ча-щин, А.Б. Гудков, О.Н. Попова, И.О. Одланд, А.А. Ков-шов // Экология человека. 2014. № 1. С. 3-12.
Поступила 10.11.2018; принята к публикации 24.01.2019 Информация об авторе
Цыбов Николай Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Информационные системы и технологии», Кыргызский государственный университет строительства, транспорта и архитектуры им. Н. Исанова (720020, Кыргызская Республика, г. Бишкек, ул. Мадыбаева, 34,б), тел. (996312)996772, (996312)360235, e-mail: [email protected]
USING SOFTWARE AND HARDWARE TOOLS IN THE DESIGN OF DIGITAL ELECTRICAL MEASURING DEVICES
N.N. Tsybov
N. Isanov Kyrgyzstan State University of Construction, Transportion and Architecture,
Bishkek, Kyrgyzstan
Abstract: the article considers scheme-based technical solutions in designing portable multifunctional high-precision electrical measuring devices using digital components of analysis computer equipment, whose hardware and software components enable to perform the mathematical processing and storage of information. When designing portable multifunctional electrical measuring devices, the use of multi-stage ADC with multiple integration and expensive ADC with balancing or charge balance (the new name is 'delta-sigma conversion ADCs') is not advisable due to the integral nonlinearity of the transient peculiarity of the operational amplifier and integrator, as well as their low speed. The article proposes scheme-based technical solutions aimed at achieving accuracy parameters using the examples of designing electrical measuring instruments developed on the basis of computing modules without using expensive high-precision ADCs. The following scheme-based technical solutions are applied for this purpose: the use of normalizing scaling signal amplifiers on ADC's inputs; inclusion of a precision integrator into the device with an analog-digital converter as its component; inclusion of the input ADC into the input analyzer's composition, as well as positive half-wave ADC and negative half-wave ADC into the composition of the half-wave analysis block; organization of parallel operation of three ADCs and two controllers of amplitude and duration of half-waves; inclusion of decade amplifiers into the devices
Key words: multifunction, precision, ADC, integrator, amplitude and half-wave duration controller, decade amplifier, scaling amplifier
References
1. Skhirtladze A.G., Radkevich Ya. M. "Metrology, standardization and technical measurements" ("Metrologiya, standarti-zatsiya i tekhnicheskie izmereniya"), Staryy Oskol, TNT, 2010, 420 p.
2. Skachko N.Yu., Skachko Yu.V. "Mobile IT tools in frequency-digital linear measurement tools", Proc. of the Russian Scientific and Technical Society of Radio Engineering, Electronics and Communications (Trudy Rossiyskogo nauchno-tekhnicheskogo obshchestva radiotekhniki, elektroniki i svyazi im. A.S. Popova), 2011, no. NSh-2, pp. 220-223
3. Shtrapenin G. "Sigma-delta Texas-Instruments analog-digital converters", Components and technologies (Komponenty i tekhnologii), 2007, no. 1
4. Litvinenko V.P., Togushov A.S., Levkin N.P. "Sigma-delta ADC", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2012, vol. 8, no. 9, pp. 129-131
5. Zhmud' V.A. "On the application of ADC with sigma-delta modulation in the switching mode", Automation and Program Engineering (Avtomatika iprogrammnaya inzheneriya), 2016, no. 3 (17), pp. 16-24.
6. Tsybov N.N. Patent #2086 of Kyrgyzstan "Multimeter-characteristic tracer" ("Mul'timetr-harkteriograf'), available at: https://drive.google.com/file/d/1USKB1Th9YhYzN8z9ytKWzGfnwZx_xIsZ/view
7. Tsybov N.N., Sharshenaliev Zh. Patent #212 of Kyrgyzstan "Multifunctional digital oscilloscope" ("Mnogofunkcional'nyy tsifrovoy ostsillograf"), available at: http://patent.kg/doc/im/2016/10.pdf
8. Tsybov N.N. Patent #2087 of Kyrgyzstan "Z-analyzer of components of complex resistance" ("Z-analizator sostavlyayush-chikh kompleksnogo soprotivleniya"), available at: https://drive.google.com/file/d/1USKB1Th9YhYzN8z9ytKWzGfnwZx_xIsZ/view
9. Tsybov N.N. Patent #213 of Kyrgyzstan "Multifunctional multi-meter" ("Mnogofunktsional'nyy mul'timetr"), available at: http://patent.kg/doc/im/2016/10.pdf
10. Tsybov N.N. Patent #214 of Kyrgyzstan "Three-phase multimeter" ("Tryekhfaznyy mul'timetr"), available at: http://patent.kg/doc/im/2016/10.pdf
11. Chashchin V.P., Gudkov A.B., Popova O.N., Odland I.O., Kovshov A.A. "Characteristics of the main risk factors for viol a-tions of the health of the population living in areas of active nature management in the Arctic", Human ecology (Ekologiya chelove-ka), 2014, no. 1. pp. 3-12.
Submitted 10.11.2018; revised 24.01.2019 Information about the author
Nikolay N. Tsybov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, N. Isanov Kyrgyz State University of Construction, Transport and Architecture, (34b Maldybaev str., Bishkek 720020, Kyrgyzstan), tel. 996772 360235, e-mail: [email protected]
