Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



Широкие возможности анализаторов сигналов используются в радиолокации, радионавигации, гидроакустике, радиосвязи, медицинской технике, телевидении и многих других направлениях науки и техники. Большие перспективы сулит применение анализаторов сигналов для целей диагностирования работоспособноста сложных технических систем.

Переход к построению цифровых средств измерений, как, впрочем, и цифровой радиоэлектронной аппаратуры привел к необходимости создания особого класса средств измерений - логических анализаторов. Появление этого класса средств измерений вызвано, прежде всего, быстрым развитием интегральной микроэлектроники - появлением интегральных микросхем с большой степенью интеграции (БИС) и интегральных микросхем со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС), а также микропроцессоров, которые стали основой новых поколений средств вычислительной техники, аппаратуры связи, средств радиоизмерений и др. Вероятно, в радиоизмерительную технику микропроцессоры пришли раньше, чем в другие радиоэлектронные устройства. Применение БИС, в том числе микропроцессоров, расширяет функциональные возможности радиоэлектронных устройств, обеспечивает их автоматизацию.

Вместе с тем контроль радиоэлектронных устройств с широким применением БИС, СБИС и микропроцессоров (последние сами выполняются на основе специализированных БИС) становится достаточно сложной проблемой, так как в одной БИС сконцентрированы сотни, тысячи, десятки тысяч от-дельньге элементов, объединенных в схемы, играющие роль сложных блоков. А возможность доступа к «контрольным точкам» внутри БИС невозможна. Более того, если такая возможность и имелась бы, то все равно с помощью обычных измерительных приборов (вольтметров, частотомеров и др.) контролировать состояние работоспособности узлов и блоков, входящих в БИС, можно было бы только частично и не всегда с достаточной достоверностью. Действительно, в контрольной точке какого-либо узла (например, микропроцессора) токи, напряжения, частота сигналов могут находиться в нормальных пределах, а узел - в неработоспособном состоянии: поток цифровых данных не соответствует алгоритму работы узла. Таким образом, создание аппаратуры с широким применением БИС требует создания принципиально новых средств измерений, какими и являются различные виды логических

анализаторов, которые контролируют работу логических схем, как бы наблюдают за потоком данных, выявляя сбои и отклонения от заданного алгоритма. Так, анализаторы микропроцессоров позволяют контролировать прохождение потоков данных по адресным, информационным и управляющим шинам в реальном масштабе времени.

Обычно такой анализатор имеет режим сравнения с правильным потоком цифровых данных. Заметим, что в последнее время для проверки работоспособности (диагностики) объекта измерений с помощью логических анализаторов, а также с помощью анализаторов сигналов, все чаще стремятся использовать математические модели заведомо исправных (правильных) объектов измерений. Такие модели представляют собой сравнительно упрощенное математическое отображение реального объекта измерений, позволяющее при аппаратном сравнении измеренных показателей объекта измерений с показателями математической модели определить адекватность показателей модели и объекта измерений. Это позволяет сделать вывод об исправности объекта измерений или, наоборот, обнаружить некоторую неадекватность и получить информацию об элементе объекта измерений, имеющем отклонение от идеала, т. е. обнаружить отказ соответствующего элемента объекта. • Подобный способ измерений обладает идентифицируемостью - возможностью определения соответствия математической модели реальному объекту по измеряемым входным и выходным его сигналам (процессам), у пр ав л яемостью - возможностью объекта измерений «реагировать» на изменения входных сигналов соответствующими изменениями параметров, наблюдаемостью - возможностью по выходному сигналу получить необходимую информацию о внутренних процессах и параметрах объекта измерений.

Быстрое развитие теории идентификации и опенивания позволяет надеяться, что для диагностирования состояния объектов измерений и их элементов будут созданы достаточно удобные для практического применения логические анализаторы в сочетании с устройствами вычислительной техники. На этом пути будут решаться самые сложные, в настоящее время пока что нереализованные задачи диагностирования сложных радиоэлектронных устройств с практически любой детализацией оценки состояния их работоспособности.

Все большее применение находят сигнатурные анализаторы, преобразующие послст



довательности двоичных сигналов, идущих от контролируемой аппаратуры, в четырехзначные шестнадцатеричные ключевые коды - сигнатуры. Измеренные значения сигнатур сравниваются с эталонными, представленными так называемой сигнатурной картой. Ошибка в двоичной последовательности прослеживается путем просмотра элементов схемы в обратном порядке до обнаружения элемента с правильными входными, но ошибочными выходными сигналами. Некоторые типы сигнатурных анализаторов позволяют диагностировать цифровые электронные сложные устройства на уровне отдельного элемента (уровень детализации определяется сигнатурной картой).

Как известно, измерительные приборы хранят меру физической величины, с которой и сравнивается измеряемое значение этой величины. При этом часто приходится поверять эту меру по эталонной (образцовой), чтобы убедиться в точности выполняемых измерений. С ростом требований к точности измерений все чаще возникает вопрос: нельзя ли меру не только хранить, но при любом измерении воспроизводить, тогда не будет необходимости поверять соответствующее средство измерений (по крайней мере в течение длительного времени). С этой целью в средство измфений должны быть встроены вечные меры, не меняющие своих качеств (прежде всего, точностных) в зависимости от условий и времени проведения измерений. Подобные вечные меры присутствуют в ряде физических явлений и эффектов. Так, например, известное применение нашел эффект Джозефсона, состоящий в том, что в условиях сверхнизких температур через туннельный (джозефсоновский) контакт, образованный двумя различными сверхпроводниками, разделенными тонким (10" см) слоем диэлектрика, при нулевой разности потенциалов протекает постоянный ток. Если к туннельному контакту приложить постоянную разность потенциалов, то через контакт потечет переменный ток с частотой, пропорциональной разности потенциалов.

С помощью эффекта Джозефсона можно получить, например, меру ЭДС.

В зависимости от достигнутой точности эта мера может быть эталоном единицы напряжения - вольта, образцовой мерой или рабочим измерительным средством. Встроенная в вольтметр, такая мера придает прибору новые качества: поскольку в нем имеется вечная мера, воспроизводящая единицу физической величины, то такой прибор обладает метрологической независимостью от образцовых или эталонных слелст измере-

ний - поверять его до израсходования технического ресурса не требуется. В настоящее время широкому внедрению эффекта Джозефсона препятствует отсутствие миниатюрных хранителей жидкого гелия (для обеспечения явления сверхпроводимости), которые не требовалось бы заполнять (доливать) в течение хотя бы одного года. Несомненно, в недалеком будущем подобные миниатюрные хранители будут созданы, что позволит встраивать в средства измерений напряжения вечные меры на основе эффекта Джозефсона.

Следует ожидать также применения в измерительной технике квантового эффекта Холла, состоящего в том, что при охлаждении холловских контактов (образуются структурой металл -окисел-кремний) до температуры жидкого гелия и помещении их в сильное магнитное поле сопротивление будет принимать строго квантованные значения при изменении падения напряжения на холловских контактах, не зависящее от геометрических размеров структур металл-окисел-кремний, от объемной концентрации примесей в кремниевой подложке, от типа полупроводников и ряда других факторов. Таким образом, представляется возможным получить вечные меры сопротивления. Нетрудно понять, что, имея меры ЭДС и сопротивления, можно при их совместном применении получать вечные меры других физических величин.

Весьма быстрыми темпами развивается парк радиоизмерительных приборов четвертого поколения. Эти приборы, выполненные преимущественно на БИС и СБИС, имеют цифровой выход на канал общего пользования (как для управления приборами извне, так и для передачи измеренных значений физических величин во внешнее регистрирующее устройство или во внешнюю память). Они, как правило, имеют встроенный микропроцессор, служащий для управления всеми функциями прибора в соответствии с заданной оператором программой. Это позволило автоматизировать измерительные операции, производить самокалибровку и самопроверку прибора, обработку результатов измерений. Подобные приборы, называемые иногда интеллектуальными, позволяют существенно повысить точность измерений (за счет многократного повторения измерений значения физической величины, исключения субъективных ошибок оператора, возможности учета дополнительных погрешностей и др.), быстродействие измерений, надежность результатов измерений (самокалибров-.JKa»J4. самопроверка практически исключают



получение неверных результатов). Встраивание микропроцессоров обещает в ближайшее время привести к созданию приборов для коллективных методов измерений, когда один и тот же прибор по выбору оператора может приобретать свойства вольтметра, частотомера, осциллографа, измерительного генератора и др. С помощью таких многофункциональных, виртуальных приборов можно проводить измерения также по определенной программе, задаваемой оператором или извне контроллером. Все задачи по восприятию программы измерений, перестраиванию субмодулей и отдельных схем прибора в необходимое сочетание для выполнения различных функций, организации измерений выполняет встроенный микропроцессорный набор. Таким образом, встраивание микропроцессоров в радиоизмерительные приборы создает практически неограниченные возможности для развития качественных показателей средств измерений.

Важным при этом является достаточно высокая надежность приборов четвертого поколения, достигаемая высокой степенью интеграции применяемых БИС и СБИС, почти полным исключением из конструкции приборов малонадежных механических узлов (переключателей, электромеханических реле, перестраиваемых элементов, в частности потенциометров и др.), существенное сокращение количества паяных соединений.

В ближайшем будущем внутренние соединения в радиоизмерительных приборах будут выполняться на основе волоконно-оптических линий связи. Применение волоконно-оптических линий связи позволяет увеличить пропускную способность, исключить влияние внешних и внутренних электромагнитных помех, обеспечить электрическую изоляцию между узлами, уменьшить массу и габаритные размеры линий связи, повысить их надежность.

Все большее распространение в мировой и отечественной практике получает создание радиоизмерительных приборов, совместимых между собой и приспособленных к объединению (агрегатированию) в автоматизированные измерительные системы для решения большого числа измерительных задач. Подобные АИС, создаваемые (иногда просто собираемые) на основе объединения стандартных, серийных средств измерений общего применения через стандартную информационную магистраль, могут извне управляться с помощью контроллера или мини-ЭВМ. Централизованно обрабатываемая информация, поступающая с различных

приборов, в необходимой форме отображается на экране дисплея или печатается. Результаты измерений могут храниться в устройствах памяти мини-ЭВМ.

В АИС одновременно могут определяться многие характеристики объекта измерений. Более того, если раньше с помощью дискретных приборов измерялись те или иные значения физических величин, то с помощью АИС можно измерить как значения физических величин (в том числе их изменение во времени, т. е. их динамическое состояние), так и характеристики физических процессов, сопровождаемых одновременным или неодновременным изменением во времени и пространстве многих физических величин. При этом некоторые характеристики физических процессов могут измеряться как характеристики случайных процессов.

При построении АИС в большинстве случаев целесообразно использовать блочно-модульный принцип построения, когда отдельные программно-управляемые приборы - модули могут объединяться через общую магистраль (канал общего пользования) в функционально необходимом сочетании. Естественно, каждый прибор-модуль может применяться и автономно. Образно говоря, в этом случае появляется возможность из ограниченного числа разрозненных, но обладающих совместимостью «кубиков» построить большое число различных по функциональным возможностям «зданий» - АИС. Специальными (в редких случаях) могут быть только вспомогательные устройства, например контроллеры, коммутаторы, подсоединяющие к АИС каналы объекта измерений, измерительные преобразователи. Уже более 10 лет прилагаются усилия по созданию таких АИС. В нашей стране и за рубежом получили распространение несколько стандартов для агрегатирования приборов - модулей в АИС. Наибольшее распространение получили стандарт КАМАК (сокращение от английских слов Computer Application to Maasurement and Control, т. e. применение ЭВМ для измерений и управления) и стандарт МЭК 625.1 Международной электротехнической комиссии (отечественный аналог - ГОСТ 26.003-80).

В стандарте КАМАК, предусматривающем функционально-модульное построение, регламентированы механические конструкции, разъемы, напряжения питания, параметры входных и выходных сигналов, назначение электрических каналов связи и порядок обмена измерительной информацией. Сменные измерительные блоки (модули) помещаются в .общий каркас, называемый



0 1 2 [3] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0122