Розвиток теорії та принципів побудови проблемно-орієнтованих засобів вимірювання імітансу

П'ятий розділ присвячений розробленню методів підвищення ефективності зрівноваження цифрових автокомпенсаційних вимірювачів імітансу (ЦАКВІ) із обробленням інтегральних параметрів сигналів. У цьому ж розділі викладені основні теоретичні положення нового напрямку побудови ЦАКВІ із одновимірною системою зрівноваження.

До використання ЦАКВІ вдаються при потребі підвищити точність вимірювання імітансу порівняно із приладами прямої дії. Це можливе за наявності стабільного зворотного перетворювача (ЗП), який перетворює числові результати вимірювання імітансу в напругу чи струм компенсації. У роботі проведено аналіз трьох варіантів реалізації зворотного перетворювача.

На прикладі ЦАКВІ статичного типу досліджувалося явище стабілізації реальної характеристики вимірювального каналу при застосуванні зворотного зв'язку. Запропоновано оригінальний спосіб фазоквадратурного розділення на основі цифроаналогових перетворювачів, який за своїми властивостями займає проміжне становище між традиційним аналоговим і цифровим способами реалізації. На позиціях структурного аналізу виведена функція перетворення, а також дається оцінка метрологічних характеристик і обмежень для ЦАКВІ даного типу [9].

Детально досліджувалися ЦАКВІ із астатичною характеристикою, які використовують клас алгоритмів зрівноваження на основі цифрового інтегрування квадратурних складових поточних значень вихідної напруги компенсаційно-мостової вимірювальної схеми (КМВС). Відзначено, що зумовлена дискретною природою аналого-цифрового перетворення переривчастість роботи подібних ЦАКВІ, дозволяє використати результати досліджень ЗВІ прямої дії.

Цифрова форма представлення результатів вимірювання поточних значень вихідного сигналу КМВС відкриває можливості широкого застосування цифрових методів та пристроїв для зрівноваження ЦАКВІ. На прикладі однієї із структур демонструється максимальне спрощення апаратної частини за рахунок безпосередньої участі ПЕОМ у процесі зрівноваження (аналіз стану КМВС і вироблення керуючих сигналів зворотного тракту). Інша структура, ілюструє можливості сучасної елементної бази у напрямку граничної мінімізації аналогової частини ЦАКВІ та проведення вимірювальних перетворень у цифровій формі [21].

У даному приладі для аналізу стану КМВС використовується вимірювання швидкодіючим АЦП паралельного типу миттєвих значень її вихідної напруги і цифрове оброблення цих відліків за кореляційним алгоритмом. Вхідні сигнали стабільного зворотного перетворювача СЗП утворюються шляхом паралельного цифрового інтегрування поточних значень квадратурних складових. Особливістю реалізації ЗП є використання матричних перемножувачів для цифрової модуляції ортами вихідних сигналів і цифрового інтегратора ЦІ, а також паралельного суматора для їх об'єднання перед подачею на ЦАП, що безпосередньо формує напругу компенсації. Описаний спосіб побудови прямого і зворотного трактів, разом із вже розглянутим цифровим способом формування опорних сигналів і тестової напруги, дозволили гранично звузити аналогову частину пристрою до меж КМВС. Крім очевидних переваг у досягненні гнучкості при перестройці частоти, дана структура ЦАКВІ володіє найвищими метрологічними характеристиками [5].

Встановлено, що тривалість алгоритму залежить від похибки прямого вимірювального каналу і мало залежить від співвідношення складових контрольованого імітансу. Стійкість алгоритму цифрового інтегрування має місце у випадку збіжності добутків

, (6)

тут i - номер поточного кроку зрівноваження; - похибка вимірювання квадратурних складових у прямому каналі.

Щоб апріорно описати процес зрівноваження, пропонується ввести поняття узагальненої похибки прямого вимірювання і визначати її із співвідношень

. (7)

Тоді, на підставі виразів (6) і (7) умова стійкості алгоритму зрівноважування визначається так: і . Обмежуючи процес зрівноваження порогом чутливості прямого ВК або розрядністю n вимірювача, із нерівності



визначають необхідну кількість кроків для повного зрівноваження ЦАКВІ [21]:

.

Величину h використовують для оцінки алгоритмічної ефективності. Але це лише один із факторів, що позначаються на швидкодії ЦАКВІ, бо тривалість процесу зрівноваження визначається добутком

,

де , і - відповідно тривалості аналізу стану КМВС, формування поточного значення компенсуючого сигналу і перехідних процесів у КМВС. Час аналізу залежить від побудови прямого каналу і для аналогової реалізації визначається сумою сталої часу фільтра нижніх частот фазочутливого детектора і тривалості перетворення АЦП

а для каналу з ЦОС - періодом тестового сигналу . Формування нового значення компенсуючого сигналу цифровим способом відбувається впродовж одного періоду (). Тривалість перехідних процесів, окрім сталої часу вимірювальної схеми , визначається ще й змінами, що мають місце між сусідніми значеннями компенсуючого сигналу -



(q - крок квантування АЦП). Таким чином, обраний алгоритм двояко впливає на швидкодію ЦАКВІ - через кількість кроків зрівноваження h і через тривалість перехідних процесів у КМВС.

Для підвищення швидкодії ЦАКВІ запропоновано комбіновані алгоритми зрівноваження, які поєднують у собі початковий пошук рівноваги навмання і завершальне цифрове інтегрування у зоні динамічного діапазону малорозрядного АЦП [3]. Ефект підвищення швидкодії досягається внаслідок скорочення часу аналізу (використання АЦП паралельної дії) і тривалості перехідного процесу (малі прирости компенсуючого сигналу) незважаючи на порівняно більшу кількість h кроків зрівноваження. Комбіновані алгоритми доцільно застосувати при потребі простоти реалізації апаратної частини ЗВІ на частотах понад 100 кГц, де існує значний взаємозв'язок каналів зрівноваження.

Для підвищення швидкодії при тривалих перехідних процесах у вимірювальній схемі запропоновано віртуальний алгоритм зрівноваження ЦАКВІ [12]. В його основі лежить імітація у ПЕОМ процесу пошуку рівноваги ЦАКВІ на попередньо створеній математичній моделі вимірювального каналу. Вплив паразитних параметрів, що не враховані у моделі, усувається корекцією результатів вимірювання на завершальному етапі шляхом цифрового інтегрування відліків вихідного сигналу КМВС поблизу точки рівноваги. Підвищення швидкодії досягається за рахунок мінімальної участі у вимірювальному процесі апаратної частини приладу.

При дослідженні швидкоплинних змін імітансу, коли допускається опрацювання результатів вимірювання не в реальному часі, використання стабільного ЗП у поєднанні із комп'ютерними засобами дозволяє здійснити ефективний обмін швидкодії на точність. Суть запропонованого автором підходу така. На першому етапі вимірювальний канал розімкненого типу із частотою та, звісно, з притаманними приладам прямої дії похибками формує у ПЕОМ початковий масив результатів, що відповідають поточним значенням імітансу . На другому етапі за участю зворотного перетворювача відбувається ітераційна корекція похибок у масиві результатів. Оскільки у даному пристрої реалізується метод заміщення, то притаманні йому метрологічні обмеження визначаються похибками ЗП, впливом комутатора на вимірювальну схему, чутливістю прямого ВК і часовою нестабільністю [30].

Якщо швидкоплинні зміни імітансу носять періодичний характер , з'являється можливість застосувати метод зрівноваження і додатково підвищити точність вимірювання. На першому етапі впродовж , як і у попередньому випадку, формується початковий масив. На другому етапі, ЗП поступово синтезує розгортку компенсуючого сигналу, яка повністю зрівноважує КМВС на всіх точках періоду . Підсумковий масив, що міститься в ПЕОМ, відтворює картину процесу швидкоплинних змін імітансу. Отже, за рахунок збільшення тривалості вимірювання на

точність вимірювання підвищується [18].

Деякі прикладні задачі потребують підвищення точності вимірювання швидкоплинних змін імітансу в реальному часі. Вирішення таких завдань можливе у рамках розробленого в роботі нового теоретичного напрямку, що базується на використанні різницевих методів [22].

В існуючих двоконтурних ЦАКВІ через взаємозв'язок сигналів зростає число хибних кроків зрівноваження, а отже і тривалість вимірювання. Тому підвищення швидкодії природно пов'язувати із переходом до одновимірних систем зрівноваження. При цьому результати аналізу миттєвих значень напруги небалансу КМВС представляються у форматі дельта-імпульснокодової модуляції (ДІКМ), а сигнал компенсації формується на основі їх інтегрування [22]. Про значення складових імітансу можна судити за поточними значеннями результатів інтегрування у так званих характерних точках періоду, коли фаза тестового сигналу приймає значення 0, , , .

При такому способі має місце диференціальний метод формування результатів вимірювання: складова за крок до характерної точки була відтворена регульованою мірою (ЦАП) і брала участь у зрівноваженні КМВС, а на момент фіксації кодів є результатом вимірювання в прямому каналі миттєвого значення небалансу КМВС. Рівень небалансу, що принципово не може бути усунутий, тим більший, чим ширший формат ДІКМ-сигналу. Отже, оцінити похибку вимірювання у ЦАКВІ з одновимірною системою зрівноважування можна за виразом [22]

, (8)

де , та - похибки вимірювання складових імітансу пристроями прямої дії і автокомпенсаційними з одно- і двовимірними системами зрівноваження. Але оскільки розрядність m АЦП менша розрядності n вимірювача, то вплив нестабільності параметрів прямого каналу на результати вимірювання ослаблюється.

Формування результатів вимірювання відбувається в режимі стеження за період тестового сигналу, а оскільки входження у режим стеження завжди обмежене четвертиною періоду [22], то швидкодія одновимірних ЦАКВІ наближається до швидкодії ЗВІ прямого перетворення. В роботі наведені основні співвідношення, які дозволяють узгодити параметри елементів вимірювального каналу і апроксимуючого сигналу, зокрема встановлено, що максимально досяжна частота тестового сигналу визначається так

. (9)

Із рівняння (8) випливає, що мінімальна похибка буде при використанні тернарного (m=1) дельта-коду. Проте зменшення розрядності згідно виразу (9) звужує діапазон робочих частот. Наприклад, для n=10, m=1 і при використанні ЦАП із часом встановлення Т=10 нс робоча смуга одновимірних ЦАКВІ обмежена зверху частотою 30 кГц.

На основі поєднання позитивних властивостей ЦАКВІ із одновимірною системою зрівноваження і астатичих пристроїв із обробленням інтегральних параметрів сигналів, що проявляються відповідно у високій швидкодії та точності, синтезовано якісно нову структуру вимірювача імітансу.

Особливістю даного пристрою є використання в складі КМВС додаткового каскаду на різницевому підсилювачі РП. Контур, що включає паралельний АЦП, нагромаджуючий суматор НС і ЦАП3, виконує ДІКМ-апроксимацію вихідної напруги КМВС. Зрівноважування змінного струму , що протікає через досліджуваний об'єкт, здійснюється компенсуючим струмом зворотного перетворювача ЦАКВІ, роль якого виконують ЦАП1 і ЦАП2 у перемножуючому режимі. Для цього на їх опорні входи подається тестова напруга а на інформаційні входи - відповідні коди регістрів послідовного наближення РПН1 і РПН2.

На початку вимірювання НС, РПН1 і РПН2 обнулені, тому впродовж першого періоду ДІКМ-апроксимації напруги визначають перші наближення результатів вимірювання і записують у відповідні регістри, а зворотний перетворювач зрівноважує КМВС з точністю притаманною диференційному методу. На наступних періодах тестового сигналу каскад ДІКМ-апроксимації буде вносити поправки аж до повного зрівноваження ЦАКВІ [18].

Дослідження показують, що кількість тактів зрівноваження КМВС є меншою, ніж у астатичних ЦАКВІ, а головне пристрої такого типу забезпечують значну інваріантність до похибок прямого вимірювального тракту (див. табл.1).

Таблиця 1 Порівняння ефективності алгоритмів зрівноваження

,%	10	20	50	70	90	95
h	ЦАКВІ	4	5	10	20	70	150
	ЦАКВІ	m=6	2	2	3	3	3	3
		m=8	3	3	4	5	6	6

Таким чином, структура ЦАКВІ із двокаскадною КМВС та змішаною системою зрівноваження найбільш повно задовольняє сукупним вимогам високої швидкодії, точності та широкосмуговості: на частотах понад 1 МГц, коли різко зростають похибки прямого вимірювального тракту, сукупний показник “точність-швидкодія” в порівнянні із традиційними ЦАКВІ вищий у 2-3 рази.

У шостому розділі наведені результати дослідження похибок цифрового синтезу гармонічних сигналів зворотними перетворювачами, цифрового оброблення сигналів у прямому вимірювальному каналі, а також проведена оцінка метрологічних характеристик ЗВІ.

Розглянуто специфічні похибки цифрового синтезу тестового і компенсаційного сигналів у ЦАКВІ для трьох варіантів побудови зворотних перетворювачів. Обрана методика передбачала дослідження методичних та інструментальних (статичних і динамічних) похибок на предмет точності відтворення амплітуди і фази основної гармоніки, а також спотворень синтезованого сигналу вищими гармоніками. Одержано вирази, за якими визначають вимоги до часу встановлення ЦАП, з тим щоби динамічна похибка при відпрацюванні кожного кроку не перевищувала 1/2 одиниці молодшого розряду вимірювача. Наприклад, для ЗП із цифровою модуляцією для заданих частоти тестового сигналу і розрядності n вимірювача потрібно застосовувати ЦАП із

.

Розроблено методику і на її основі проведено дослідження похибок ЦОС за алгоритмом фазоквадратурного розділення. Представлення відліків вимірювального і опорного сигналів кодами обмеженої розрядності і зумовлює появу методичної похибки квантування. Для оцінки впливу цієї та низки інших похибок на результат ЦОС запропоновано використати квазістатистичний підхід, що базується на імітаційному моделюванні роботи пристрою у діапазоні можливих значень імітансу (; ) і має за мету визначення не лише граничних значень похибок результату при різних параметрах ВК, але і законів їх розподілу та відповідних числових характеристик [11].

На основі опрацювання результатів імітаційного моделювання встановлено закони розподілу похибок і аналітичний вираз для оцінки середньоквадратичного відхилення похибки ЦОС, зумовленої ефектом квантування і обмеженим однобайтним форматом подання опорного сигналу:

о.м.р.

де p і m - відповідно число оброблюваних відліків за період і розрядність АЦП.

Із збільшенням числа p вплив похибок квантування на результати цифрового оброблення зменшується, однак при цьому за заданої швидкодії АЦП і елементів блоку ЦОС пропорційно звужується смуга робочих частот та знижується потенційна швидкодія ЗВІ. Дослідження залежності показало, що вибір p=16 є оптимальним з точки зору точності та швидкодії [11].

За подібною методикою проведено дослідження впливу на результати ЦОС вищих гармонік , які є наслідком цифрового синтезу тестового сигналу, а також статичних інструментальних похибок ЦАП і АЦП. Встановлено розподіли згаданих похибок та їх числові характеристики [17].

На основі аналізу властивостей фільтруючої функції цифрового алгоритму фазоквадратурного розділення досліджувався вплив “білого шуму” на результати вимірювання. Якщо на оброблюваний сигнал накладається шум із діючим значенням , то дисперсія похибки результату ЦОС становить

.

Детально досліджувалися динамічні похибки, що проявляються як паразитні зсуви сигналів

( і - відповідно стала і випадкова складові зсуву). Для компенсації впливу сталих зсувів застосовують розглянуті раніше методи структурно-алгоритмічної корекції [10]. Основним джерелом випадкових зсувів є апертурний час АЦП паралельної дії. На основі аналітичних досліджень встановлено вирази для обчислення числових характеристик похибок цифрового оброблення за алгоритмом ФКР зумовлених випадковими зсувами [13]:

; .

У табл.2 наведені результати розрахунку складових похибок на різних частотах при використанні у складі вимірювального каналу загальнодоступної вітчизняної елементної бази (математичні очікування для всіх складових не перевищують одиниці молодшого розряду, тому не розглядаються).

Таблиця 2 Значення складових похибок ЦОС

	50 кГц	100 кГц	200 кГц	500 кГц	1000 кГц
(к), о.м.р.	0,3	0,4	0,6	0,8	1,2
(), о.м.р.	0,4	0,4	0,5	0,5	1,2
(ЦАП), о.м.р	0,2	0,2	0,25	0,25	0,6
(АЦП), о.м.р	0	0,1	0,3	0,6	1,1
(), о.м.р.	0,2	0,25	0,4	0,5	0,7
(t), о.м.р.	0,06	0,2	0,5	2,0	6

Проведена наближена оцінка результуючої похибки ЦОС. Для цього складові групувалися за характером впливу (адитивні, мультиплікативні) та визначалися середньоквадратичні значення результуючої похибки на початку і в кінці діапазону вимірювання. Для довірчої імовірності у найпоширеніших законів розподілу квантильний множник дорівнює 1,6 тому граничні значення відносної похибки ЦОС обчислюються за виразом:

.

Для точнішого на (10-20%) визначення граничної результуючої похибки ЦОС при будь-яких значеннях довірчої імовірності (із урахуванням форми законів розподілу складових) було розроблено алгоритм, що передбачає обчислення композиції законів розподілів на основі лінійно-ламаної апроксимації [23].

Розглянуто особливості нормування похибок у засобах вимірювання імітансу, які зумовлені векторною природою вимірюваної величини. На прикладі вимірювачів імітансу прямої дії із традиційним ВК та із цифровим обробленням сигналів, а також ЦАКВІ із цифровою модуляцією сигналів показано методику оцінки граничних значень статичних похибок вимірювання складових імітансу.

В сьомому розділі описано методику проектування вимірювачів імітансу із заданими характеристиками, яка базується на використанні результатів досліджень попередніх розділів, а також наводяться відомості про практичну реалізацію результатів роботи.

У зв'язку із широкою різноманітністю прикладних задач вимірювання імітансу, їх приналежністю до неелектронних галузей науки і виробництва важливо створити просту і доступну методику проектування проблемно-орієнтованих ЗВІ. Ця методика повинна надавати можливість встановлення вимог до основних характеристик ЗВІ залежно від вирішуваної задачі, вибір на їх основі найбільш придатної структури вимірювача і розрахунок параметрів її елементів.

У загальному випадку точність вимірювання фізичної величини шляхом імітансного контролю визначається методичною похибкою від розбіжності моделі та реалії і похибкою вимірювання імітансу. Щоб забезпечити статичність вимірювання імітансу, слід правильно розрахувати період дискретизації процесу його змін (нерідко швидкоплинних), і допустиму тривалість одного вимірювання вмежах цього періоду. Період дискретизації процесу можна розрахувати на основі відомостей про частотний спектр чи про часову функцію процесу [19].

Значення допустимої статичної похибки вимірювання імітансу можна обчислити на основі зіставлення із похибкою моделі прикладної задачі

Далі визначають частоту тестового сигналу чи смугу робочих частот, виходячи, наприклад, із міркувань забезпечення найвищої чутливості до вимірюваної величини і нечутливості до впливових. Важливо також врахувати можливі обмеження та додаткові вимоги до проектованого засобу вимірювання, як от маса, габарити, споживання, конструктивне виконання (стаціонарний чи переносний), умови експлуатації (автономно чи в складі комп'ютерної системи), тощо.

Подано залежність тривалості вимірювального процесу від частоти тест-сигналу для цифрового і аналогового варіантів реалізації прямого вимірювального тракту. Якщо потрібно забезпечити тривалість вимірювання на рівні 1 мс, то існує запас із швидкодії для цифрового ВК починаючи із 1кГц, а для аналогового - приблизно із 10 кГц. Цей час використовується для корекції похибок у ЗВІ прямого перетворення або на зрівноваження у автокоменсаційних вимірювачах імітансу. Для астатичних ЦАКВІ із наведеного графіка можна безпосередньо обчислити допустиме число кроків зрівноваження

.

Зваживши на сукупність показників “швидкодія-частота-точність” і на можливі обмеження, із набору запропонованих базових структур вибирають таку, що найповніше відповідає комплексові пред'явлених вимог. Далі за одержаними виразами, які пов'язують метрологічні показники із параметрами структурних елементів, вирішують задачу синтезу вимірювального каналу із заданими характеристиками. Для перевірки перед фізичним макетуванням правильності розрахунку параметрів структурних елементів вимірювального каналу розроблено програмний пакет для комп'ютерного моделювання роботи широкого класу ЗВІ.

За результатами роботи розроблено та впроваджено в серійне виробництво портативний вимірювач CLR-параметрів АК-121 і перетворювач імітансу для мікропроцесорного мультиметра ЦК-4801. Вимірювач CLR АК-121 за сукупністю функціональних можливостей та масогабаритними показниками перевищує всі відомі вітчизняні та зарубіжні аналоги [2]. Мультиметр ЦК-4801 завдяки повній автоматизації вимірювального процесу, допоміжних операцій коригування нуля і калібрування, низькому рівню тестового сигналу може використовуватися у складі комп'ютерної системи для контролю правильності монтажу друкованих плат радіоелектронної апаратури [1]. Ряд результатів дисертаційної роботи використано при розробці комп'ютерної реокардіографічної вимірювальної системи АПК-01.

У висновках сформульовані основні результати дисертаційних досліджень.

Додатки містять матеріали досліджень і документи стосовно впровадження у виробництво розроблених вимірювачів імітансу.

Висновки

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми - апаратного забезпечення широкого кола прикладних задач вимірювання імітансу, що виявляється у розробленні із єдиних позицій принципів побудови засобів вимірювання частотних, часових, просторових та енергетичних параметрів імітансу досліджуваних фізичних об'єктів. Вирішення даної наукової проблеми ґрунтується як на розвитку відомих, так і на створені нових напрямків побудови вимірювачів імітансу, вдосконаленні їх характеристик з використанням можливостей, які надає сучасна цифрова техніка. На основі опрацювання результатів досліджень створено методологію проектування проблемно-орієнтованих засобів вимірювання імітансу, характеристики яких відповідають комплексу вимог тієї чи іншої прикладної задачі.

Проведено класифікацію досліджуваних об'єктів безвідносно до їх природи, а також прикладних задач вимірювання імітансу за принципом створення сигналу вимірювальної інформації, що дозволило розширити уявлення про зміст і можливості імітансного контролю, а також систематизувати вимоги до засобів вимірювання імітансу нелінійних, нестаціонарних, багатополюсних об'єктів із багатоелементною схемою заміщення. На основі критичного аналізу існуючих методів і пристроїв вимірювання імітансу виділено пріоритетні напрямки для побудови проблемно-орієнтованих ЗВІ та завдання досліджень.

Створено основи загальної теорії побудови засобів вимірювання, орієнтованих на дослідження властивостей фізичних об'єктів шляхом вимірювання частотних, часових, енергетичних та просторових параметрів імітансу. На основі узагальнення досвіду побудови універсальних вимірювачів імітансу та з урахуванням можливостей сучасної елементної бази запропоновано концепцію трирівневої структурної організації засобів прикладного вимірювання імітансу, яка забезпечує найбільш раціональний розподіл функцій між структурними елементами вимірювального каналу з метою його уніфікації при вирішенні широкого кола прикладних задач. На нижньому рівні відбувається вимірювальне перетворення імітансу в напругу в тому числі і стимулювання досліджуваного об'єкту сторонніми впливами. На середньому рівні здійснюється виділення та вимірювання інформативних параметрів вихідної напруги вимірювальної схеми. На верхньому рівні відбувається часова прив'язка поточних результатів вимірювання процесу зміни імітансу із параметрами стимульних впливів. Концепція трирівневої структури дозволила із єдиних позицій розробити методологію проектування ЗВІ різного призначення.

Розроблено комплекс заходів націлених на вдосконалення характеристик вимірювальних схем, на які припадає значна частина специфічних функцій у складі проблемно-орієнтованих ЗВІ. Вирішені питання пов'язані із подачею стимулюючих впливів (локалізація їх дії в рамках вимірювальної схеми, розширення діапазонів зміщення напругою чи струмом), дистанційним підключенням і комутацією полюсів об'єктів вимірювання (зменшення негативного впливу ємності “екран-провід” вхідного кабеля, паразитних опорів контактів, під'єднувальних проводів та комутаційних елементів), забезпеченням високих чутливості (компенсація неінформативних параметрів імітансу, додаткове підсилення) і завадостійкості (запобігання резонансному підсиленню шумів). Розроблено методику оптимізації динамічних характеристик активних перетворювачів імітансу в напругу (забезпечення необхідного запасу стійкості та скорочення тривалості перехідних процесів).

Запропоновано нові цифрові способи структурно-алгоритмічної корекції частотних похибок у вимірювачах імітансу прямого перетворення, які дозволяють розширити вверх на три порядки діапазон робочих частот. Залежно від умов експлуатації на цій основі можуть створюватися прості автономні частотні аналізатори імітансу або ж пристрої, орієнтовані на спряження із ПЕОМ.

Для вимірювання імітансу нелінійних нестаціонарних об'єктів у широкому діапазоні частот запропоновано якісно нову структуру вимірювального каналу, в якій застосовано цифрове оброблення вибірок миттєвих значень вихідної напруги вимірювальної схеми за кореляційним алгоритмом. Побудова такого вимірювального каналу потребує розширити набір структурних елементів за рахунок включення, насамперед малорозрядних швидкодіючих АЦП паралельної дії, матричних перемножувачів із нагромаджуючими суматорами. Реалізація вимірювальних перетворень на середньому рівні виключно у цифровій формі дозволила досягти граничної швидкодії (результати вимірювання імітансу формуються впродовж одного періоду тестового сигналу) та водночас забезпечити необхідну завадостійкість і простоту перестройки по частоті.

Узагальнено та розвинуто теорію побудови швидкодіючих цифрових автокомпенсаційних вимірювачів імітансу в аспекті підвищення ефективності алгоритмів зрівноваження сучасними цифровими засобами. Одержано важливі теоретичні співвідношення, які дозволяють оцінити стійкість і ефективність алгоритмів зрівноваження із цифровим інтегруванням.

Для подолання факторів, що обмежують швидкодію ЦАКВІ, запропоновано:

- комбіновані алгоритми зрівноваження, які дозволяють скоротити тривалість перехідних процесів у вимірювальній схемі та час аналізу її стану за рахунок використання швидкодіючих малорозрядних АЦП як на етапі сліпого пошуку рівноваги, так і на завершальному етапі цифрового інтегрування;

- віртуальні алгоритми, що зводять до мінімуму участь у зрівноваженні апаратної частини вимірювача завдяки імітаційному пошуку за участю ПЕОМ стану рівноваги на попередньо створеній моделі вимірювального процесу.

Для підвищення точності вимірювання швидкоплинних змін імітансу, коли допускається можливість оброблення сигналів не в реальному часі, запропоновано способи ефективного обміну за принципом “час-точність”.

Закладено новий напрямок у теорії автокомпенсаційних вимірювачів імітансу, в основі якого лежить використання різницевих методів при обробленні миттєвих значень сигналів. Використання одновимірної системи зрівноваження у таких пристроях дозволило усунути явище взаємозв'язку контурів і зрівнятися за швидкодією з вимірювачами імітансу прямого перетворення. Для вимірювання швидкоплинних змін імітансу в реальному часі запропоновано якісно нову структуру ЦАКВІ із двокаскадною КМВС та змішаною одно- і двоконтурною системою зрівноваження, яка володіє точністю притаманною астатичним системам і разом з тим забезпечує в кілька разів вищу швидкодію через значну інваріантність до похибок прямого вимірювального тракту.

Розроблено методику дослідження і шляхом імітаційного моделювання на ПЕОМ проведено розрахунок похибок цифрового синтезу та цифрового оброблення сигналів у ЗВІ. На основі опрацювання результатів досліджень оцінені закони розподілу складових похибок цифрового оброблення від квантування, вищих гармонік, шумів, статичних та динамічних похибок АЦП і ЦАП, а також апроксимаційні вирази, що пов'язують середньоквадратичні значення згаданих похибок із параметрами елементів вимірювального каналу. Проведено оцінку метрологічних характеристик ЗВІ і наведено вирази для оцінки довірчих похибок.

Створено методику структурно-параметричного синтезу вимірювальних каналів із заданими характеристиками, яка враховує інструментальні похибки застосовуваних структурних елементів і конструктивні обмеження на їх параметри.

На підставі виконаних теоретичних досліджень розроблено базові структури і на їх основі реалізовано та впроваджено у практику цифрові вимірювачі імітансу з покращеними метрологічними та експлуатаційними характеристиками.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

Гаврилюк М.О., Походило Є.В., Хома В.В. Перетворювач CLR-параметрів мультиметра ЦК 4801 // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. - 1995.- №292.- C.70-72.

Гаврилюк М.О., Походило Є.В., Хома В.В. Портативний вимірювач CLR АК-121 // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. - 1994. - №283. - C.57-58.

Гаврилюк М.О., Проців Р.О., Хома В.В. Комбіновані алгоритми зрівноваження компенсаційно-мостових вимірювальних схем // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.- 1998.- №4.- C.71-76.

Гаврилюк М.О., Походило Є.В., Соголовський Є.П., Хома В.В. Вимірювачі імітансу з прямим перетворенням // Вимірювальна техніка та метрологія. - 1996. - Випуск 52. - C.27-29.

Гаврилюк М.О., Старостенко О.В., Хома В.В. Дослідження похибок цифрового синтезу гармонічних сигналів // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. - 2000. - №389. - C.104-112.

Гаврилюк М.О., Старостенко О.В., Хома В.В. Підвищення швидкодії вимірювання імітансу у діапазоні наднизьких частот // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. - 1999. - №366. - C.81-87.

Гаврилюк М.О., Хома В.В. Вплив ємності вхідного кабелю на стійкість активного перетворювача імітанс-напруга // Вимірювальна техніка та метрологія. - 1995. - Випуск 51. - C.49-50.

Гаврилюк М.О., Хома В.В. Підвищення запасу стійкості активних перетворювачів імітанс-напруга // Вісник ДУ “Львівська політехніка”.- 1993.- №275. C.15-18.

Гаврилюк М.О., Хома В.В. Про спосіб cтруктурної компенсації похибок вимірювання імітансу // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. - 1998.- №.348.- C.24-30.

Гаврилюк М.О., Хома В.В. Цифрова корекція похибок вимірювачів імітансу // Вимірювальна техніка та метрологія. - 1999. - Випуск 54. - C.35-38.

Хома В.В. // Аналіз похибок цифрового оброблення сигналів у засобах вимірювання імітансу // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1999. - №4. - C.87-91.

Хома В.В. Віртуальний алгоритм зрівноваження автокомпенсаційного вимірювача складових імітансу // Технічна електродинаміка. - 1999. - №1. - C.75-79.

Хома В.В. Дослідження впливу динамічних похибок на цифровий алгоритм фазоквадратурного розділення // Збірник наукових праць “Комп'ютерні технології друкарства”. - 1999. - №3. - C.212-220.

Хома В.В. Електричне зміщення досліджуваних об'єктів в активних перетворювачах “імітанс-напруга” // Технічні вісті. - 1999. - № 1(8), 2(9). - C.54-57.

Хома В.В. Застосування цифрового зворотного зв'язку у вимірювачі імітансу // Вимірювальна техніка та метрологія. - 1998. - Випуск 53. - C.22-26.

Хома В.В. Оптимізація динамічних властивостей активних вимірювальних перетворювачів ємності в напругу // Методи та прилади контролю якості. - 1999. - №4. - C.72-75.

Хома В.В. Оцінка чутливості цифрового алгоритму фазоквадратурного розділення до впливу гармонік // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. - 1999. - №396. - С.150-158.

Хома В.В. Побудова вимірювачів швидкоплинних змін імітансу // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2000. - Випуск 55. - C.46-51.

Хома В.В. Побудова швидкодіючих широкосмугових вимірювачів для імпедансного контролю напівпровідникових структур // Технічна електродинаміка. - 2000. - №1. - C.65-69.

Хома В.В. Створення та дослідження математичної моделі вимірювальних перетворювачів “імітанс-напруга” // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1999. - №3. - C.75-79.

Хома В.В. Цифрове оброблення сигналів у засобах вимірювання імітансу // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. - 1998. - №324. - C.125-130.

Хома В.В. Цифрові автокомпенсаційні вимірювачі імітансу із одновимірною системою зрівноваження // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1998.- №3. - C.70-75.

Yurish S., Kirianaki N., Shpak N., Khoma V., Dzoba Y. New Method of Summation for Measurement Errors Based on Piece-wise Linear Approximation of Probability Distribution // Journal of Electrical Engineering.- 2000. - Vol. 51, № 3-4.- P.94-99.

Перетворювач комплексних опору і провідності в напругу: Пат. 18438 Україна, МКИ G 01 R 27/26 / Хома В.В. (Україна). - №4946825/SU; Заявлено 21.06.91; Опубл. 25.12.97, Бюл. № 6. - 3 с.

Устройство для измерения составляющих комплексного сопротивления: А.с. 1778712 СССР, МКИ G 01 R 27/02 / Е.В.Походыло, О.В.Старостенко, В.В.Хома. - №4747352/21; Заявлено 06.10.90; Опубл. 30.11.92, Бюл. №44. - 3 с.

Гаврилюк М.О.,Походило Є.В., Хома В.В. Алгоритмічна корекція похибок широкосмугових вимірювачів імітансу // Тези доповідей 3-ї Міжнар. науково-техн. конф. “Контроль і управління в технічних системах”. - Вінниця. - 1995. - C.533.

Гаврилюк М.О., Хома В.В. Особливості побудови багатоцільових вимірювачів для системи імпедансного контролю // Труды IV-междунар. научно-практ. конф. “Современные информационные и энергосберегающие технологии жизнеобеспечения человека”.- Вып.№4, Кн. 2. - Севастополь. - 1998. - C.31-34.

Хома В.В. Анализатор иммитанса // Тезисы докладов Всесоюзн. конф. “Измерительные информационные системы” (ИИС-91).- Ленинград. - 1991.- C.225.

Хома В.В. Принципи побудови та застосування проблемно-орієнтованих засобів вимірювання імітансу // Збірник наукових праць VI науково-техн. конф. “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. - Вип. №3.- Хмельницький. - 1999.- C.73-80.

Khoma V., Gavryljuk M., Pohodylo E. Quick Changes of Real Physical Objects Impedance Investigation // Central European III Conference “Numerical Methods and Computer Systems in Automatic Control and Electrical Engineering”. - Chenstohova (Poland). - 1999. - Part 1. - р.135-138.

O.Starostenko, J.Vazquez L., Homa V. Novel Advanced method with Algorithmic Correction of Errors in Immitance Parameter Measurements // 9-Congreso Internacional de Electronica, Comunicaciones y Computadoras Conitelecomp'99, UDLA.- Puebla (Mexica).- 1999.- P.216-219.

Анотація

Хома В.В. Розвиток теорії та принципів побудови проблемно-орієнтованих засобів вимірювання імітансу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.05 - прилади і методи вимірювання електричних і магнітних величин.

Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів, 2000 р.

Дисертацію присвячено питанням проектування вимірювачів імітансу, орієнтованих на дослідження властивостей різноманітних фізичних об'єктів, шляхом вимірювання частотних, часових, просторових та енергетичних параметрів імітансу. Розроблено нові напрямки побудови засобів вимірювання імітансу прямого перетворення та автокомпенсаційних, які грунтуються на широкому використанні сучасних цифрових засобів. Запропоновані структури вимірювачів забезпечують простоту реалізації, високий сукупний показник “швидкодія-точність”, гнучкість у зміні параметрів вимірювального каналу. Створено методологію проектування засобів вимірювання імітансу із заданими характеристиками. Результати роботи використані при побудові нових типів вимірювачів імітансу з поліпшеними технічними характеристиками, у тому числі і таких, що випускаються серійно.

Ключові слова: імітанс, прикладні задачі, досліджувані об'єкти, швидкодія, вимірювальна схема, пряме перетворення, алгоритми зрівноважування, цифрове оброблення сигналів.

Аннотация

Хома В.В. Развитие теории и принципов построения проблемно-ориентированных средств измерения иммитанса. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.11.05 - приборы и методы измерения электрических и магнитных величин.

Национальный университет “Львовская политехника”, г. Львов, 2000 г.

Диссертация посвящена вопросам проектирования измерителей иммитанса, ориентированных на исследование свойств разнообразных физических объектов, путем измерения частотных, временных, пространственных и энергетических параметров иммитанса.

Анализ особенностей преобразований измерительных сигналов в задачах прикладного контроля иммитанса позволил систематизировать требования к основным характеристикам проблемно-ориентированных средств измерения иммитанса (СИИ). На основе обобщения опыта построения измерителей импеданса, тенденций развития электроизмерительной техники и возможностей современной элементной базы предложена концепция трехуровневой организации структуры проблемно-ориентированных СИИ. Это обеспечивает унификацию измерительного канала при решении широкого спектра прикладных задач и наиболее рациональное распределение функций между его структурными элементами.

Разработано комплекс мероприятий по совершенствованию характеристик измерительных схем, выполняющих в составе проблемно-ориентированных СИИ значительную часть специфических функций. Поэтому в работе решались вопросы, связанные с подачей стимулирующих воздействий, дистанционным подключением и коммутацией полюсов объектов измерения, обеспечением высокой чувствительности и помехоустойчивости, созданием необходимого запаса устойчивости и сокращением длительности переходных процессов.

Предложены новые цифровые способы структурно-алгоритмической коррекции частотных погрешностей в измерителях иммитанса прямого действия, позволяющие расширить вверх на три порядка диапазон рабочих частот. В зависимости от условий эксплуатации на этой основе могут создаваться простые автономные частотные анализаторы иммитанса или же устройства, ориентированные на сопряжение с ПЭВМ.

Для измерения иммитанса нелинейных нестационарных объектов в широком диапазоне частот предложена качественно новая структура измерительного канала, в которой применена цифровая обработка выборок мгновенных значений выходного напряжения измерительной схемы за корреляционным алгоритмом. Использование цифровой обработки измерительных сигналов обеспечивает предельное быстродействие необходимую помехоустойчивость и простоту перестройки по частоте.

Получила дальнейшее развитие теория построения быстродействующих цифровых автокомпенсационных измерителей иммитанса (ЦАКИИ) в аспекте повышения эффективности уравновешивания современными цифровыми средствами. Для повышения точности измерения быстропротекающих изменений иммитанса, когда допускается возможность задержки результатов, предложены способы эффективного обмена времени на точность.

Заложено новое направление в теории автокомпенсационных измерителей иммитанса с применением разностных методов обработки мгновенных значений сигналов. Использование одномерной системы уравновешивания в таких устройствах позволило устранить явление взаимосвязи контуров и достичь быстродействия СИИ с разомкнутой структурой. Для измерения быстропротекающих изменений иммитанса в реальном масштабе времени предложена качественно новая структура ЦАКИИ с двухкаскадной компенсационно-мостовой измерительной схемой и смешанной одно- и двухконтурной системой уравновешивания, владеющая точностью присущей астатическим системам и обеспечивающая при этом в несколько раз большее быстродействие.

Разработана методика исследования и путем иммитационного моделирования на ПЭВМ проведен расчет погрешностей цифрового синтеза и цифровой обработки сигналов в СИИ. Оценены законы распределения составляющих погрешностей цифровой обработки от квантования, высших гармоник, шумов, статических и динамических погрешностей АЦП и ЦАП, а также получены аппроксимирующие выражения, связывающие среднеквадратические значения упомянутых погрешностей с параметрами элементов измерительного канала. Проведена оценка метрологических характеристик СИИ и приведены выражения для оценки доверительных погрешностей.

Создана методика структурно-параметрического синтеза измерительных каналов с заданными характеристиками, которая учитывает инструментальные погрешности применяемых структурных элементов и конструктивные ограничения на их параметры.

На основании выполненных теоретических исследований разработаны базовые структуры и на их основе реализованы и внедрены в практику цифровые измерители иммитанса с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Ключевые слова: иммитанс, прикладные задачи, исследуемые объекты, быстродействие, измерительная схема, прямые преобразования, алгоритмы уравновешивания, цифровая обработка сигналов.

Annotation

Khoma V.V. Development of theory and design principles of problem-oriented immitance measuring instruments.- Manuscript.

Thesis for Doctor's Degree in specialty 05.11.05 - devices and methods for measurements of electric and magnetic quantities.

Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2000.

Thesis are dedicated to the problems of immitance measuring instruments design oriented on physical objects investigation by the means of measurement of time, frequency, spatial and energetic immitance peculiarities. New methods for design of direct transforming and autocompancating immitance measuring instruments built on the base of modern digital hardware are developed. The proposed structure of measuring equipment afford good balance “speed-accuracy”, straightforward accomplishment, flexibility of measuring channel parameters. Methodology for design of immitance measuring instruments with fixed parameters is proposed. The results are applied for design of new types of immitance measuring equipment. Some results are used for industrial manufacturing of immitance measuring instruments.

Key words: immitance, applied problems, investigated objects, speed, measuring circuit, direct transformation, compensating algorithms, digital signal processing.

Размещено на Allbest.ru