Аппаратно-программный комплекс для измерения параметров электрических цепей

Актуальность работы.

В научных исследованиях, промышленных измерениях и контроле, медицине, электрохимии и других областях науки и техники существует множество объектов, схемами замещения которых являются многоэлементные двухполюсные электрические цепи (ЭЦ) [5,12,22,85,86,88]. Задача совершенствования средств измерений параметров ЭЦ остается актуальной на протяжении длительного времени.

Значительный вклад в решение этой задачи внесен представителями научных коллективов, возглавляемых в разное время В. Ю. Кнеллером, Г. А. Штамберге-ром, Л. И. Волгиным, К. Л. Куликовским, В. М. Шляндиным, А. И. Мартяшиным и др.

Молено выделить два метода измерения параметров ЭЦ с числом элементов более двух — метод прямого преобразования и метод уравновешивания [30]. В первом случае параметры элементов исследуемой ЭЦ преобразуются в активную измеряемую величину — напряжение или ток — с ее последующим анализом [28,38,42]. Измерительные схемы (ИС), работающие по этому методу, в свою очередь классифицированы по способу обеспечения инвариантности преобразования параметров исследуемой ЭЦ на ИС селективной инвариантности и ИС доопределения [42]. При пользовании вторым методом информация о параметрах ЭЦ получается путем настройки параметров ее модели (уравновешивания) [28,43]. При использовании любого из этих методов может использоваться гармоническое или несинусоидальное опорное напряжение.

Требованиям высокого быстродействия и простоты реализации отвечают способы построения измерителей параметров ЭЦ, основанные на анализе переходного процесса в ИС, построенной на базе операционного усилителя (ОУ), при воздействии на нее несинусоидального опорного напряжения [4,52,55].

Несмотря на то, что к настоящему моменту в области построения измерительных преобразователей параметров ЭЦ такого типа накоплен значительный опыт, разработаны и исследованы преобразователи параметров двухи трехэлементных ЭЦ почти всех конфигураций (под конфигурацией понимается количество элементов, топология и характеры сопротивлений элементов ЭЦ), а также некоторых ЭЦ с большим числом элементов [55], многие проблемы остались нерешенными. В большинстве случаев используется ИС на основе ОУ с различными опорными элементами (резисторами, емкостями, катушками индуктивности), местами включения ЭЦ и оригинальным функциональным преобразователем, разработанным с учетом составляющих выходного напряжения ИС и того, какой из параметров ЭЦ подлежит измерению [7−11,38,42,55]. Эти устройства рассчитаны на работу с ЭЦ одной или нескольких конфигураций со схожей реакцией на опорное напряжение. С увеличением числа элементов ЭЦ становится все труднее подобрать режимы измерения ее параметров. Под режимами измерения понимаются: структура измерительного преобразователя, вид опорного напряжения, выбор моментов отсчетов выходного напряжения ИС для расчета параметров ЭЦ [55] и т. п. Уже из этого перечисления следует, что режимов измерения может быть множество.

Кроме того, несколько различных объектов могут быть представлены ЭЦ одной и той же конфигурации, и режимы измерения, выбранные для исследования одного из объектов, могут оказаться неприемлемыми или далекими от совершенства для других. Это происходит потому, что, во-первых, могут отличаться диапазоны параметров элементов схемы замещения. Во-вторых, неодинаковы требуемые точность и быстродействие измерения параметров ЭЦ (или одного из параметров).

Множество вариантов режимов измерения — одновременно и достоинство, и сложность рассматриваемого способа измерения параметров ЭЦ, т.к. при подборе режимов измерения необходимо анализировать и сопоставлять преимущества и недостатки различных вариантов. Для создания эффективного измерительного преобразователя требуется обширный опыт разработчика и значительные затраты времени.

Актуальной и решаемой в современных условиях представляется задача автоматизации исследования и разработки измерительных преобразователей с привлечением компьютерных технологий и программно управляемых цифровых и аналоговых устройств и построения на этой основе аппаратно-программного измерительного комплекса.

В аппаратно-программном комплексе возможность измерения параметров ЭЦ с числом элементов от одного до трех-четырех, различными конфигурациями (топологией ЭЦ и характерами сопротивлений каждого из элементов) и параметрами, изменяющимися в широких пределах, должна обеспечиваться его аппаратной частью. Программное обеспечение (ПО) необходимо для автоматизированного выбора режимов измерения и анализа результатов измерения, выполненного аппаратной частью.

Цель диссертационного исследования — разработка и реализация в аппаратно-программном измерительном комплексе алгоритмов автоматизированного измерения параметров ЭЦ и методики оценки погрешности измерения.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Определение концепции построения аппаратно-программного комплекса для автоматизированного измерения параметров ЭЦвыбор и обоснование средств реализации аппаратной и программной частей.

2. Разработка программно управляемой аппаратной части измерительного комплекса, осуществляющей измерение параметров многоэлементных ЭЦ различных конфигураций.

3. Разработка методики оценки погрешности измерения параметров ЭЦ, необходимой при автоматизированном подборе режимов измерения.

4. Разработка и реализация алгоритмов автоматизированного выбора режимов, управления измерением и обработки результатов измерения параметров ЭЦ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории электрических цепей, математического анализа, аппарат преобразования Лапласа. Основные теоретические результаты проверены и подтверждены экспериментальными исследованиями, а также путем математического и схемотехнического моделирования.

Научная новизна:

1. Предложен аппаратно-программный комплекс для измерения параметров ЭЦ с программно управляемой аппаратной частью, осуществляющей преобразование в напряжение параметров ЭЦ различных конфигураций.

2. Разработана методика оценки погрешности измерения параметров ЭЦ, позволяющая определить влияние на погрешность измерения неидеальности устройств аппаратной части с помощью моделирования работы указанных устройств.

3. Разработан алгоритм автоматизированного измерения параметров ЭЦ, включающий процедуры выбора режимов измерения, управления измерением и обработки результатов измерения.

Практическая значимость. Полученные в работе результаты являются основой проектирования аппаратно-программных комплексов для измерения параметров ЭЦ. Такие аппаратно-программные комплексы могут использоваться как средства измерений параметров ЭЦ многих конфигураций, а также как средства исследования режимов работы специализированных измерительных преобразователей параметров ЭЦ конкретной конфигурации. Разработанные алгоритмы управления измерением, реализуемые на микроконтроллере, могут найти применение при разработке независимых от компьютера портативных измерительных устройств, предназначенных для работы с ЭЦ конкретной конфигурации.

Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы использованы в Научно-исследовательском и конструкторском институте радиоэлектронной техники («НИКИРЭТ») — филиале ФГУП «ПО «Старт» «(г. Заречный) при выполнении ОКР по договору № СТ 70/113−2008. Результаты исследований использованы в учебном процессе на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета при проведении лекционных и лабораторных занятий по курсам «Техническая диагностика РЭС», «САПР в схемотехнике», «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Концепция построения аппаратно-программного комплекса для автоматизированного измерения параметров ЭЦ.

2. Программно управляемая аппаратная часть комплекса, осуществляющая преобразование в напряжение параметров ЭЦ различных конфигураций.

3. Методика оценки погрешности измерения параметров ЭЦ, основанная на моделировании устройств аппаратной части.

4. Алгоритмы автоматизированного подбора режимов, проведения и обработки результатов измерения параметров ЭЦ, реализованные в программном обеспечении и аппаратной части комплекса.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения на международных научно-технических конференциях «Измерения-2004», «Измерения-2006» (Пенза, 2004, 2006 гг.) — Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2005;2007 гг.) — VI Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 1 — в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 118 наименований и четырех приложений. Объем работы: 165 страниц основного машинописного текста, включающего 9 таблиц, 8 формул и 57 рисунков.

Выводы по четвертой главе.

1. Сформулированы рекомендации по выбору режимов измерения с учетом ограниченных возможностей аппаратной части.

2. Предложены методики исследования зависимости погрешности результатов измерения от режимов измерения (при фиксированных параметрах ЭЦ), а также зависимости погрешности результатов измерения от параметров ЭЦ (при фиксированных режимах измерения). В основу методик положено схемотехническое моделирование ЦАП и измерительной схемы и математическое моделирование АЦП. Разработанные методики используются при выборе режимов измерения параметров ЭЦ.

3. Предложен алгоритм автоматизированного измерения параметров ЭЦ, положенный в основу программного обеспечения комплекса. Планирование, проведение и обработка результатов измерения параметров ЭЦ объединяются в циклический процессколичество повторений цикла зависит от ширины диапазонов параметров ЭЦ, указанных пользователем перед началом работы, требуемой точности результатов измерения, количества возможных вариантов режимов измерения (конфигураций ИС, параметров опорного элемента, моментов отсчетов).

4. Обоснована архитектура программного обеспечения аппаратно-программного комплекса, ориентированная на отдельные конфигурации ЭЦ, т.к. процессы подбора режимов измерения и анализа результатов измерения индивидуальны для каждой конфигурации ЭЦ. Ориентация на отдельные конфигурации ЭЦ обеспечивает «прозрачность» алгоритмов и кодов программного обеспечения и легкость дополнения и развития ПО.

5. Разработаны программные модули, реализующие интерфейс с пользователем, обмен данными с аппаратной частью комплекса, а также один ЭЦ-ориентированный программный модуль. Показан способ интеграции PSpice с программным обеспечением комплекса.

Заключение

.

1. Сформулированы основные положения концепции построения аппаратно-программного комплекса для измерения параметров ЭЦ:

— аппаратная часть комплекса обеспечивает программно управляемое изменение режимов преобразования параметров ЭЦ в напряжение в зависимости от конфигурации и параметров исследуемой ЭЦ и приоритетных требований пользователя;

— программное обеспечение комплекса позволяет: выбирать режимы измерения на основе оценки погрешности измерения параметров ЭЦ по результатам моделирования работы устройств аппаратной частисоставлять задание для аппаратной части на измерение в выбранном режимеосуществлять математическую обработку и представление пользователю результатов измерения.

Предложены и обоснованы структуры аппаратной и программной частей комплексаобоснован выбор элементной базы для реализации аппаратной части.

2. Разработана и экспериментально исследована аппаратная часть комплекса, обеспечивающая возможность программирования конфигурации ИС, формы опорного напряжения и моментов отсчетов выходного напряжения ИС.

3. Предложена методика оценки погрешности измерения параметров ЭЦ, основанная на моделировании работы устройств аппаратной части. Методика позволяет оценить влияние неидеальности ЦАП, ИС и АЦП (как вместе взятых, так и по отдельности) на погрешность измерения параметров ЭЦ, а также исследовать зависимость погрешности измерения от режимов измерения (при фиксированных параметрах ЭЦ) и зависимость погрешности измерения от параметров ЭЦ (при фиксированных режимах измерения). Разработанная методика встроена в алгоритм подбора режимов измерения параметров ЭЦ, реализованный в программном обеспечении комплекса.

4. Разработаны и реализованы в аппаратно-программном комплексе алгоритмы подбора режимов измерения, формирования задания для аппаратной части, управления измерением, приема и математической обработки результатов измерения.

5. Разработанные алгоритмы использованы при построении аппаратно-программного комплекса с микроконвертором в аппаратной части.

Список сокращений, принятых в работе иАЯТ — универсальный асинхронный приемопередатчик.

АЦП — аналого-цифровой преобразователь.

ИОН — источник опорного напряжения.

ИНУН — источник напряжения, управляемый напряжением.

ИС — измерительная схема.

ИТУН — источник тока, управляемый напряжением.

МК — микроконтроллер

ОС — обратная связь.

ОУ — операционный усилитель.

ПАИС — программируемая аналоговая интегральная схема.

УВХ — устройство выборки и хранения.

ХП — характеристика преобразования.

ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь.

ЭЦ — электрическая цепь.