Классификация технических средств

ВВЕДЕНИЕ.

Классификация технических средств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

ВВЕДЕНИЕ.

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.

Классификация технических средств.

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

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.