Глава вторая.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

2.1. ФУНКЦИИ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРАМИ

В ПРИБОРАХ

Общие сведения. Как уже отмечалось, для современного этапа развития техники характерно все более интенсивное и глубокое проникновение в ее различные отрасли микропроцессоров, радикально преобразующих свойства многих устройств и открывающих новые возможности их применения. По широте и эффективности применения микропроцессоров одно из первых мест занимает контрольно-измерительная техника.

Естественно возникает вопрос: Что дает применение микропроцессоров в измерительных приборах, сколь эффективны схемные решения, в основе которых лежит микропроцессорная система?

В общем плане ответом могут служить заголовки ряда журнальных статей и информационных материалов; Микропроцессор совершает революцию в электронном приборостроении . И это действительно так. Но даже если умерить патетические интонации и перейти к обычному техническому языку, то следует сказать, что применение микропроцессоров в измерительной технике позволяет резко повысить точность приборов, значительно расширить их возможности, повысить надежность, быстродействие, решить задачи, которые ранее вообще не решались.

Конкретное рассмотрение функций микропроцессорных систем в измерительных приборах показывает, что с помощью этих систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления процессом измерения, автоматизация регулировок, самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологических характеристик прибора, выполнение вычислительных процедур, статистическая обработка результатов наблюдений, определение и перевод в линейную форму функции измеряемой физической величины, создание программируемых, полностью автоматизированных приборов. Появился новый класс интеллектуальных> приборов, называемых также думающими или разумными .

Радикально изменилась идеология построения приборов. Микропроцессор стал основной частью собственно прибора, что привело к изменению конструкции и схемных решений, компоновки, управления, включению обработки данных в измерительную процедуру (выполняемую без участия экспериментатора). Внедрение микропроцессоров открыло возможность построения многофункциональных приборов с гибкими программами работы, сделало приборы более экономичными, облегчило решение задачи выхода на стандартную интерфейсную шину [канал общего пользования (КОП)] и управления интерфейсом. Все это упростило эксплуатацию приборов, резко повысило производительность труда их пользователей.

Рассмотрим более подробно основные возможности, особенностнг приборов, содержащих микропроцессорные системы, и выясним, в результате чего достигаются эти возможности.

Многофункциональность. Идея построения многофункциональных измерительных приборов, предназначенных для измерения нескольких параметров сигналов или характеристик объекта исследования, не нова. Она осуществляется уже более двух десятилетий. Но до применения микропроцессоров многофункциональные приборы представляли собой совокупность нескольких функциональных узлов, объединенных в одно конструктивное целое. При эксплуатации таких приборов переход от одной функции к другой производится с помощью коммутирующих устройств, в результате коммутации соединительных цепей пользователь составляет, собирает из отдельных узлов определенный прибор для измерения конкретного параметра сигнала или характеристики испытуемого-объекта. Алгоритм работы средства измерений, заложенный мри его разработке, в процессе эксплуатации сохраняется неизменным. Иначе говоря традиционные многофункциональные приборы выполнены по схеме с жесткой логикой. Для нее характерно противоречие между многофункциональностью, числом возможных функций прибора, с одной стороны, и экономической, а также технической эффективностью - с другой. Проблема коммутации п управления никогда не теряла остроты при конструировании приборов, предназначенных для выполнения ряда функций, и далеко не всегда решалась успешно.

Микропроцессорная система, введенная в состав многофункционального средства измерения, радикально изменила его, преобразовала устройство с жесткой логикой работы в программно-управляемое устройство. Функциональные возможности такого устройства определяются выполняемой программой, и могут быть, легко видоизменены путем перехода к другой программе, хранимой-в ПЗУ. Поэтому программируемую логику работы подобных приборов иногда называют хранимой . Она создает гибкость перестройки, позволяет наращивать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме. Применение программируемой логики, как правило, уменьшает стоимость прибора.

Повышение точности приборов. Напомним, что под точностью

средства измерений понимают качество средства измерений, отражающее близость к нулю его погрешностей. При этом близость к нулю систематических погрешностей определяет правильность средства измерений, а близость к нулю случайных погрешностей- сходимость показаний средства измерений.

Погрешности средства измерений относятся к его метрологическим характеристикам. Поскольку вопросы улучшения метрологических характеристик, достигаемого в результате введения микропроцессорной системы в состав прибора, освещены в отдельном параграфе 2.2, то здесь лишь кратко перечислим пути повышения точности измерительного прибора. Они заключаются в автоматической компенсации (исключении) систематической погрешности, в частности автоматической установке нуля перед началом измерений, автоматическом выполнении градуировочной операции (самокалибровка), выполнении самоконтроля, уменьшении влияния случайных погрешностей путем проведения многократных наблюдений (единичных измерений) с последующим усреднением их результатов, выявлении и исключении грубых погрешностей, выведении на дисплей информации о числовых значениях погрешностей по ходу измерений.

Расширение измерительных возможностей приборов. Применение микропроцессоров позволяет существенно расширить возможности измерений широкого перечня параметров сигналов и характеристик устройств. Это связано прежде всего с использованием, казалось бы устаревших, видов измерений: косвенных и совокупных.

Известно, что косвенное измерение заключается в нахождении искомого значения физической величины по известной математической зависимости между этой величиной и физическими величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Иначе говоря, искомое значение данной физической величины вычисляется по результатам прямых измерений других физических величин. Если физическая величина z, значение которой нужно измерить, представляет собой функцию

z - f {Xi, х21 I Xq),

где xi, X2, Xq - физические величины, подвергаемые прямым измерениям, и В\, В2, Вд - результаты прямых измерений физических величин Хи Х2, Хд, то результат А косвенного измерения находят из выражения

A = f(B B2, .,Вд).

Из-за необходимости применения нескольких приборов, снятия ряда отсчетов и последующих вычислений косвенные измерения воспринимаются многими экспериментаторами как примитивные, несовременные. Даже при использовании микрокалькуляторов вычисления в некоторых случаях могут занимать значительное время, и, главное, они, требуя постоянного внимания и работы экспериментатора, не позволяют достичь высокой производительности.

Кроме того, не очень проста процедура оценки погрешностей косвенных измерений, а без этого никакое измерение не может быть признано достоверным.

Коренным образом меняется положение при включении в состав прибора микропроцессорной системы. По команде, получаемой с клавиатуры, она автоматически в соответствии с заданной программой выбирает режимы измерений, запоминает результаты прямых измерений, проводит необходимые вычисления и выдает найденное значение измеряемой физической величины на дисплей. Хотя измерения по своей природе остаются косвенными, экспериментатор воспринимает их как прямые, поскольку, подключив прибор к объекту исследования, непосредственно получает результат измерения.

Примером может служить измерение цифровым вольтметром мощности Р, рассеиваемой на нагрузочном резисторе усилителя низкой частоты (см. § 5.5). Измерения осуществляются согласно формуле

где и - падение напряжения на резисторе; R - сопротивление резистора. Цифровому вольтметру задается программа, согласно которой сначала измеряется сопротивление резистора и запоминается полученный результат, затем измеряется напряжение на резисторе, после чего вычисляется мощность.

В качестве других примеров можно привести измерение сопротивлений резисторов на основе формулы закона Ома R = U/I и измерение коэффициента усиления усилителя согласно определению K=Ubux/Ubx-

Приведенные примеры относятся к сравнительно простым математическим соотношениям. Однако на практике нередко возникает необходимость нахождения косвенным путем значений и таких физических величин, которые зависят от большого числа непосредственно измеряемых других физических величин. Применение микропроцессорных систем делает эти измерения простыми и удобными для пользователя, получающего прямые показания прибора и не ощущающего того, что фактически выполняются сложные косвенные измерения.

Еще более эффективны микропроцессорные системы при совокупных измерениях, т. е. производимых одновременно измерениях нескольких одноименных физических величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

Упрощение и облегчение управления прибором. На первый взгляд расширение функций, выполняемых программируемыми приборами, должно было бы привести к увеличению числа органов управления. Но в действительности это не так. Одним из критериев высокого уровня программного обеспечения измерительного прибора является степень сложности его передней панели.

принято считать, что разумный прибор должен иметь простой набор органов управления. Для современных приборов, содержащих микропроцессоры, характерна кнопочная система управления, конструктивно оформляемая в виде клавиатур (выносной или на передней панели прибора), внешне напоминающей клавиатуру калькулятора.

Так, например, у одного из цифровых мультиметров, обладающего многими функциональными возможностями, управление изменением функций, диапазонов измерений и режимов работы (всего 44 сочетания) осуществляется с помощью клавиатуры, состоящей всего из 17 клавиш. Этого удалось достичь вследствие того, что каждая клавиша управляет аналоговыми схемами косвенным образом - через микропроцессор, а последний селектирует различные сочетания сигналов, вводимых при нажатии клавиш.

Другим примером упрощения управления, сокращения числа ручек и кнопок может служить малогабаритный 7-разрядный цифровой частотомер, работающий в диапазоне 10 Гц ... 1 ГГц. На передней панели этого прибора имеются только два входных разъема (первый - для сигналов частотой 10... 76 МГц, второй - для сигналов частотой 70 МГц ... 1 ГГц), кнопка включения прибора, ручка регулятора чувствительности и двухпозиционный кнопочный переключатель длительности временных ворот ( времени измерения ): 1 с и 1 мс.

Радикально уменьшает число органов управления автоматизация выбора пределов измерений, интервала дискретизации напряжения исследуемого сигнала и других режимов работы прибора. В некоторых приборах предусмотрены сигнализация о некорректных шагах экспериментатора и выдача на дисплей инструкций, указывающих, что должен предпринять экспериментатор, какова правильная последовательность действий.

Возможность получения математических функций измеренных значений. В зависимости от решаемой задачи экспериментатора могут интересовать не непосредственно получаемое при измерении значение физической величины, а его различные математические функции. Многие приборы, содержащие микропроцессорные системы, позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные преобразования. Примерами таких преобразований могут служить:

1. Умножение найденного значения А на константу с. При этом показание прибора Ап=сА. Константа вводится по команде при нажатии клавиши.

2. Получение отклонений результата измерения А от номинального значения Лн: абсолютного А-/4 и относительного, выраженного в процентах по отношению к номинальному значению, т. е. 100(Л-Дн)М„.

3. Смещение, предполагающее вычитание константы из результата измерения.

4. Вычисление отношений: деление на константу (например, при определении значения постоянного тока через резистор по

измеренному вольтметром значению падения напряжения на этом резисторе), нахождение частного от деления одного результата измерения на другой результат измерения (например, при определении коэффициента усиления по результатам измерений напряжений на выходе и входе усилителя).

5. Представление результата измерения в логарифмических единицах. Например, затухание четырехполюсника, выраженное в децибелах: а = 20 1§([/вх/вых)-

6. Линеаризация зависимостей. Такая необходимость особенно часто встречается при электрических измерениях неэлектрических величин (например, температуры), когда напряжение электрического сигнала на выходе датчика представляет собой нелинейную функцию измеряемой физической величины на его входе. В таких ситуациях значения выходного напряжения датчика преобразуются с помощью АЦП в числа, которые обрабатываются микропроцессорной системой по заданной программе, и в итоге получается линейная связь между показаниями прибора и значениями физической величины на входе датчика.

В некоторых приборах предусмотрена возможность вычисления по желанию пользователя произвольных (разумеется, в определенных пределах) математических соотношений.

Получение статистических характеристик. Ряд вольтметров в составе которых имеется микропроцессорная система, позволяет формировать оценки таких вероятностных характеристик анализируемой случайной переменной, как среднее значение, средняя мощность, среднеквадратическое значение, дисперсия, среднеква-дратическое отклонение, а также коэффициент корреляции двух случайных переменных. Микропроцессорные приборы, специально предназначенные для измерения статистических характеристик сигналов, обладают более широкими возможностями.

Миниатюризация и экономичность аппаратуры. Резкое уменьшение числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессорной системой, их относительно невысокая стоимость, значительное снижение потребляемой мощности позволяют строить малогабаритные и экономичные приборы.

Повышение надежности приборов. Оно обусловлено уменьшением числа элементов схем, осуществлением автодиагностики, применением узлов с некалиброванными характеристиками (например, усилителя в канале вертикального отклонения осциллографа), возможностью выполнения коррекции погрешностей, улучшающей метрологическую надежность.

Сокращение продолжительности разработки. Часто для получения новых свойств прибора, выполняемого на основе микропроцессорной системы, не требуется значительных изменений в схеме и тем более в конструкции прибора. Основное содержание разработки заключается в создании необходимого программного обеспечения. Учитывая, что для широко применяемых микропроцессоров (например, КР580ИК80А, Intel 8080А) уже накоплена

4§

библиотека достаточно совершенных типовых прикладных программ (перемножения и деления двухбайтовых чисел, возведения числа в квадрат, извлечения корня квадратного и т. п.), во многих случаях разработка программного обеспечения прибора в значительной степени сводится к рациональному выбору имеющихся программ.

Организация измерительных систем. Прибор, содержащий микропроцессор, обычно снабжен (или может быть дополнен) интерфейсной картой (см. § 3.4), позволяющей подключать его к стандартной интерфейсной шине. Это дает возможность объединять определенную совокупность приборов в единую измерительную систему (измерительно-вычислительный комплекс).

2.2. УЛУЧШЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПРИБОРОВ

Общие сведения. Метрологическими характеристиками средства измерения называют характеристики свойств средства измерения, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Не приводя полной классификации погрешностей измерений и измерительных приборов [24], отмечаем, что по закономерности проявления различают систематические, случайные и грубые погрешности. Напомним их определения:

систематическая погрешность - составляющая погрешности измерений, остающаяся постоянной по величине и знаку или проявляющаяся с определенной закономерностью при повторных измерениях одной и той же физической величины;

случайная погрешность - составляющая погрешности измерений, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины, т. е. погрешность, значение и знак которой не могут быть точно предсказаны;

грубые погрешности - погрешности, существенно превышающие ожидаемую при данных условиях погрешность (грубые искажения результатов измерения).

Рассмотрим в общем плане возможности и способы уменьшения погрешностей в приборах, содержащих микропроцессорные системы (более подробно этот вопрос освещается в тех главах, где излагаются принципы построения измерительных приборов конкретных видов).

Исключение систематической погрешности. Наиболее часто систематические погрешности обусловлены смещением нуля, несоответствием реального значения коэффициента передачи тракта сигнала номинальному значению, неравномерностью амплитудно-частотной характеристики тракта передачи сигнала, влиянием характеристики аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Наличие в приборе микропроцессорной системы позволяет скорректировать, исключить систематические погрешности. Кратко осветим пути решения задачи.

Для исключения смещения нуля, например в цифровом вольт-

метре, его входные зажимы замыкаются накоротко и присоединяются к точке с нулевым потенциалом (заземляются). При этом число, получаемое на выходе АЦП, характеризует смещение нуля. Оно запоминается и вычитается из показаний прибора. В дальнейшем, когда измеряется напряжение, подводимое ко входным зажимам прибора, автоматически вносится поправка, устраняющая систематическую погрешность, вызванную смещение** нуля.

Принцип коррекции систематической погрешности, связанной с тем, что значение -коэффииента передачи тракта сигнала (характеризующее вносимое им усиление или ослабление) отличается от номинального, заключается в следующем (рис. 2.1).

В памяти микропроцессорной системы хранится число В, не разрушаемое при отключении питания системы и соответствующее строго определенному значению Ло входного напряжения, т. е.. число, которое должно получаться на выходе АЦП, если на вход вольтметра поступает напряжение Ло и коэффициент передачи тракта сигнала, а также коэффициент преобразования АЦП соответствуют своим номинальным значениям. Внутри прибора имеется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), содержащий образцовый источник питания. При подведении числа В ко входам ЦАП на его выходе образуется напряжение, значение которого равно Ло. Это напряжение подается на вход прибора. В результате аналого-цифрового преобразования получается В', отличающееся от числа В из-за наличия систематической погрешности. Ее характеризует отношение чисел а = В/В'. Значение коэффициента а вычисляет микропроцессор, и оно фиксируется в памяти. Таким образом, в памяти содержится поправочный множитель.

Когда на вход прибора поступает измеряемое напряжение постоянного тока, то на выходе АЦП получается число С, соответствующее значению этого напряжения. Введение поправочного-множителя, т. е. выполняемое микропроцессором умножение числа С на коэффициент а, дает правильный результат измерения - число С.

Задача исключения систематической погрешности, обусловленной неравномерностью АЧХ тракта передачи сигнала, особенно сложна при использовании широкодиапазонных вольтметров. На-

Тракт передачи сигнала (усиление, ослабление)

АЦП

ЦАП <;:

личие микропроцессорной системы в приборе существенно упрощает решение этой задачи. Вот как она решена в измерителе уровня высокочастотных сигналов [33].

На выносном измерительном пробнике (измерительной головке) закреплена табличка, указывающая масштабные коэффициенты (поправочные множители) для совокупности частот, входящих в диапазон прибора О ... 2 ГГц. Каждый масштабный коэффициент, соответствующий определенной частоте fj, может быть введен в прибор для исключения систематической погрешности, обусловленной отличием значения коэффициента передачи Кг от номинального значения Ко- В памяти калибровочных коэффициентов хранится значение /Со =1000. Это значение можно индицировать на дисплее прибора и изменять по команде с клавиатуры (или интерфейсной шины). Если экспериментатор вводит значение Ki, отличное от Ко, то на дисплее отображается фактическое (введенное) значение коэффициента с целью привлечения внимания экспериментатора к факту изменения калибровки.

При измерении напряжения микропроцессор выполняет операцию умножения на поправочный множитель, т. е. учитывает введенный масштабный коэффициент, исключая тем самым систематическую погрешность.

Уменьшение влияния случайной погрешности. Эта составляющая погрешности измерения, как^ известно, не может быть исключена. Ее влияние можно уменьшить рациональной обработкой результатов наблюдений.

Для учета случайных погрешностей пользуются вероятностными характеристиками. Из теории вероятностей известно, что наиболее полно случайные величины характеризуются законами распределения вероятностей. Однако при решении многих измерительных задач вполне достаточными характеристиками случайных погрешностей служат их простейшие числовые характеристики: среднее значение (математическое ожидание) и среднеквадрати-ческое отклонение. Так как число N наблюдений всегда ограниченно, то реально пользуются статистическими числовыми характеристиками, называемыми оценками характеристик.

Оценку среднего значения результатов наблюдений вычисляют по формуле

1

где Ai - результат t-ro наблюдения, не искаженный систематической погрешностью; N - число наблюдений.

Для вычисления оценки среднеквадратического отклонения случайной погрешности результата наблюдений служит выражение

где Vi = Ai-Аср - отклонение г-го результата наблюдения от среднего значения.

В теории погрешностей доказывается, что среднеквадратическое отклонение результата измерения, определяемого как Аср, вычисленное для Л' групп серий независимых наблюдений (в каждой группе по Л' наблюдений), при большом числе N, намного

меньше, чем среднеквадратическое отклонение 0и . Рассчитывают

а А ср по формуле

Формула (2.1) отределяет абсолютную погрешность. Для нахождения относительной среднеквадратической случайной погрешности 6и значение Оь, вычисленное по (2.1), относят к Аср:

б„ = а„Мср. (2.2)

Из написанных выражений видно, что проведение многократных измерений с последующим усреднением результатов - эффективный способ уменьшения влияния случайной погрешности на результат измерения.

Микропроцессорная система, входящая в состав измерительного прибора, позволяет накапливать результаты многократных наблюдений и обрабатывать по определенному алгоритму. На рис.

2.2 приведена схема алгоритма вычисления Аср, Ои и би Возможны менее полный алгоритм, ограниченный нахождением только результата измерений Аср, и более полный, чем показанный на рис. 2.2, алгоритм, включающий операции вычисления оценки среднеквадратического отклонения результата измерения Аср, решения вопроса, выполняется ли гипотеза о гауссовском (нормальном) распределении вероятностей случайных погрешностей, а также операции вычисления доверительных границ случайных погрешностей.

Компенсация внутренних шумов. Эта операция позволяет повысить чувствительность измерительного прибора, расширить диапазон измеряемых значений напряжения в сторону малых значений. Принцип компенсации, использованный в измерителе уровня высокочастотных сигналов [33], сводится к следующему.

В состав прибора входит измерительный преобразователь, осуществляющий преобразование высокочастотного напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, значение которого соответствует среднеквадратическому значению напряжения переменного тока. Еще до подачи исследуемого сигнала s{t) в течение интервала времени, затрачиваемого на автоматическую регулировку нуля, измеряется средний квадрат шумового сигнал n{t) на входе преобразователя. Результат измерения n{t) запоминается. После подведения ко входу прибора полезного сигнала