«Всё течёт, всё меняется» — было сказано древними греческими философами. Да, всё изменяется, улучшается и совершенствуется. И электроника не стоит на месте. Во множестве статей автора присутствует исторический раздел, который освещает развитие той или иной области знания и деятельности. Например: телекоммуникаций (смотри статью «Телекоммуникационные сети: история появления, разновидности») или радиооборудования (смотри статью «Основы схемотехники радиочастотных систем»).
Вторая часть статьи ставит перед собой цель дать базовое описание функционального устройства и принципа современных измерительных приборов (ИП), будь то мультиметры, осциллографы или генераторы сигналов с акцентом на освещение потенциально «слабых» мест измерительной аппаратуры, где возможно появление ошибок, в итоге приводящих к погрешностям и снижению точности замеров.
Первую часть вы можете прочитать здесь.
Время чтения: 25 минут
Измерение в электронике? Это очень просто!
Не обошло развитие и измерительную технику, которая сегодня почти всюду заменена электронной и цифровой. Измерение в лабораториях и мастерских, работающих с электронной аппаратурой, тоже проводится сейчас современными цифровыми ИП, достигшими высочайших эксплуатационных показателей. Даже широкодоступные и недорогие измерители имеют точность в десятые или даже сотые доли процента, не говоря уже о высокоточных прецизионных устройствах, применяемых для поверки (калибровки) разнообразной аппаратуры.
Электронные измерительные приборы и их функциональное устройство
Описание истории развития ИП выходит за рамки темы статьи, но описать функциональные и структурные схемы и как они работают, очень даже нужно. Понимание устройства и принципа работы — есть залог беспроблемной эксплуатации и минимизации погрешностей, которые возникают в том или ином функциональном узле.
Параметры качества измерения
Основная цель ИП — сравнение измеряемой физической величины с некоторым эталоном. Процесс имеет много параметров, влияющих на качество полученного результата. Вот они:
- Поддержка требуемой величины. Помимо тех, чьё измерение — невеликая проблема, есть много физических и электрических показателей. Измерить их напрямую невозможно или трудно. Сюда же отнесём степень влияния ИП на измеряемую систему: когда они, вернее, их методы, вносят неприемлемо сильное искажение в работу, тем самым — большую погрешность в результат.
- Чувствительность. Определяет наименьшее значение, которое получается зарегистрировать и измерить. Например, люди чувствуют запах серы, если его концентрация в воздухе составляет всего лишь несколько частей на миллион. Хотя даже единиц на миллиард достаточно для образования очагов коррозионных процессов. Выходит, измерителям концентрации оксидов серы в воздухе требуется на несколько порядков большая чувствительность, чем человеческому обонянию.
- Разрешение. Определяет наименьшую «порцию» изменения измеряемой величины. Например, человеческий слух способен обнаруживать изменение громкости порядка 1 децибел, но электронный измеритель уровня звука обнаруживает до 0.001 децибел и ещё точнее.
- Динамический диапазон. Определяет размах от наименьшего до наибольшего значения величины. Например, вольтметр для замеров сетевого напряжения, как правило, позволяет оценивать напряжения от нескольких десятков до сотен вольт, тогда как киловольтметр имеет расширенный динамический диапазон и измеряет напряжение в десятки тысяч вольт.
- Линейность. Указывает степень выходной характеристики ИП или его датчика. Аппарат с совершенно линейной характеристикой будет проявлять пропорциональное увеличение выходного сигнала при одинаковом изменении измеряемой величины во всём динамическом диапазоне.
- Точность. Определяет степень приближения измеренной величины к её ожидаемому значению.
- Задержка и время урегулирования. Определяют время, которое проходит между замерами и выдачей результата. Более совершенные мультиметры имеют их низкие значения и способны выдавать десятки результатов измерения напряжения или силы тока в секунду; недорогие поддерживают лишь однократный замер в течение нескольких секунд.
- Скорость дискретизации. Это скорость оцифровки непрерывного аналогового сигнала внутри ИП, выполняющего его измерение и обработку в цифровом виде. Высокая скорость особенно важна при тестировании постоянно изменяющихся с высокой частотой величин, например, электросигналов сложных форм.
Как показано на рисунке выше, роль ИП в преобразовании физической величины и информационную, связывая таким образом прикладную сферу мир с миром информации. Он имеет два первичных интерфейса: «вход» подключён к «реальному» миру (к измеряемой системе), а на «выходе» данные, передаваемые наблюдателю.
У некоторых электронных приборов (допустим, генераторов сигналов) «вход» и «выход» поменялись местами: «вход» обращён к наблюдателю, а «выход» — к объекту исследований. Комбинированные, такие как измерители амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) имеют связь как «от системы к наблюдателю», так и обратную. Поведение инструмента в качестве своеобразного преобразователя описывается с точки зрения его передаточной функции. У идеального ИП передаточная функция имеет идеализированные параметры качества измерения, конечно же, недостижимые на практике.
Разновидности измерительных приборов
Хотя все измерители «играют» одну и ту же основную роль, есть много их видов. Некоторые инструменты используются для оценки параметров без вмешательства в её работу: например, мультиметры. В то время как другие, например, генераторы сигналов, предназначены именно для воздействия на систему.
Чем они отличаются:
- По способу подключения (присоединения). От характера измеряемой величины ИП имеют разные способы получения сведений. Другими словами, различные способы подключения. Даже одна величина бывает измерена различными способами, в зависимости от проявляемых ею свойств. Примером служит возможность проверки силы электрического тока как с помощью «классического» способа с применением шунта и амперметра, так и бесконтактным способом с помощью трансформатора тока (при переменном электрическом токе) или с помощью датчика, работающего на основе эффекта Холла (при постоянном электротоке).
- По реализации интерфейса взаимодействия измерителя и наблюдателя. Он определяется видом информации об измеряемой величине, которая представлена наблюдателю. Например, оператор, который измеряет электрическое напряжение, иногда нуждается в разных сведениях об электросигнале (например, среднеквадратичное напряжение, пиковое напряжение, форма волны, частота и т. д.). Интерфейс взаимодействия ИП с наблюдателем выполняется как в виде одной сигнальной лампы («норма»/«не норма»), так и в виде красочного графического дисплея, как у современных цифровых осциллографов. На рисунке ниже представлены несколько вариантов интерфейсов взаимодействия.
- По точности (верности) преобразования, которое происходит в самом измерителе. Другими словами, это степень приближения его поведения к поведению «идеального» ИП, о котором мы поговорили. Все они, как и человек, имеют ограничения в качестве преобразования. Степень, с которой они преодолевают эти ограничения (точность, чувствительность или скорость дискретизации), — основное отличие моделей, служащих для измерения одного параметра.
Электронные измерительные приборы (ЭИП)
Они имеют несколько преимуществ в сравнении с механическими и электромеханическими:
- Прекрасный выбор при проверке электрических величин: напряжения, силы тока и т. д.
- Эффективность электроники позволяет улучшить обработку. Электроника помогает делать сложные измерения, выполнять самокалибровку и представлять итог наблюдателю в различных форматах. Измерение электросигналов сложных форм и высокой частоты возможно только с применением только ЭИП.
- Позволяют использовать компьютеры в качестве управляющих модулей для полностью автоматизированных средств измерения.
Обработка сигнала в ЭИП
Хотя внешний вид отдельных ЭП отличается, а порой значительно, функциональная схемотехника в общем довольно одинакова. Рисунок ниже иллюстрирует общую структуру современных ЭИП: мультиметров, осциллографов и т. д. На нём изображена последовательная цепь элементов обработки, где каждый преобразует информацию в форму, необходимую для ввода в следующий функциональный блок.
В прошлом большинство ИП были чисто аналоговыми, причём данные подавались непосредственно даже на аналоговые дисплеи (как в осциллографе в начале статьи). В настоящее время, однако, большинство разработанных измерителей имеют цифровую обработку данных. Она проходит поэтапно.
Подключение к измеряемой системе
Поскольку основная цель ИП — получить сведения о некоторой величине в системе, между ней и измерительным инструментом нужна связь. Это требование часто налагает конструктивные ограничения на ИП. Например, невозможность реализации электронных устройств-измерителей в компактном переносном формфакторе (это часто относится к высокоточным приборам) и т. д.
Если проанализировать иллюстрацию со ртутным термометром, то он имеет множество физических ограничений. Например, требует очень плотного присоединения к системе (к телу человека), когда малейший воздушный зазор внесёт погрешность космического масштаба.
Датчик и привод
Первичная информация поступает в ИП через датчик. Это элемент, который находится на физическом уровне (но не обязательно в механическом или электрическом контакте!) и реагирует на величину, представляющую интерес, чтобы преобразовать её в электрический сигнал. Часто она сама выступает им, допустим, как с напряжением. В этом случае датчик как таковой отсутствует, то есть «служит» просто электрическим соединением.
Но величина не всегда электрическая. Пример: пьезоэлектрические датчики, который преобразуют механическое давление в напряжение. Или термопары, которые преобразуют температуру в напряжение (смотри статью «Тепловая диагностика радиоэлектронного оборудования»). Преимущество таких датчиков в том, что путём преобразования в электрический сигнал оставшаяся часть цепи обработки часто реализована с помощью ЭИП общего назначения (температура с помощью термопары с успехом (при соответствующей калибровке) измеряется мультиметром в режиме измерения напряжения).
«Идеальный» датчик не вносит искажений в измеряемую систему, то есть его присутствие не влияет на её состояние или поведение, на точность получения требуемого параметра. Но когда мы измеряем, некоторое количество энергии перетекает между системой и инструментом. Если процесс минимально влияет на измеряемую величину, то количество энергии, которое получает датчик, сведено к минимуму.
В примере ртутного термометра выходит: относительно холодная ртуть и стекло в некоторой степени приводят к локальному снижению температуры в месте контакта с телом — к погрешности. Но при проверке конкретно температуры тела человека эта погрешность крайне мала и вообще не критична. Но попытка измерить температуру одной снежинки таким термометром потерпит неудачу: тепло, накопленное им, мгновенно растопит снежинку.
Для датчика важна чувствительность к интересующей величине, без реакции на другие. Например, для сенсоров давления — независимость от температуры. Выходной сигнал электрического датчика обычно представляет собой напряжение, ток или сопротивление, пропорциональные измеряемой величине.
Как было сказано ранее, помимо функции измерения и минимального внесения искажения в работу, ЭИП (генераторы сигналов), созданы для внесения в систему калиброванного воздействия. К примеру, напряжения строго установленной величины, частоты и формы. В этом случае говорят уже не датчике, а о приводе (актуаторе, манипуляторе, стимуляторе и т. д., в зависимости от конструкции и контекста). Если микрофон служит датчиком звукового давления и иных акустических величин, то, смело предполагаем, что прибор с обратным принципом работы — громкоговоритель, — в свою очередь, будет уже приводом, преобразующим электросигнал в звуковые волны.
Аналоговая обработка сигнала
Далее сигнал с датчика поступает на аналоговую обработку. Этот этап выполняется электронными схемами, которые бывают весьма специфичными для конкретного типа прибора. Функционал этого этапа нередко включает усиление сигнала очень низкого напряжения, поступающего от датчика, фильтрацию шума, смешивание сигнала датчика с опорным (от гетеродина для преобразования частоты) или через специальные схемы для обнаружения определённых особенностей во входной форме волны, например, синхроимпульсов. Ключевая операция на этом этапе — сравнение аналогового сигнала (АС) с опорным значением.
Аналоговое сравнение
Итог всегда зависит от его точности, то есть степени, в которой показатели соответствуют истинному (вернее сказать, ожидаемому) значению измеряемой величины. Измерение и представляет собой сравнение неизвестной величины, полученной в системе с эталоном, то есть заранее известным значением. Это требует определения и наличия физического стандарта величины, значение которой известно с высокой точностью. Следствие этого — каждый измеритель имеет собственный внутренний эталон как базовую часть конструкции, если способен что-либо измерять.
Например, ИП для измерения времени между событиями или частоты сигнала имеет некоторую форму высокоточных часов как часть себя. Аналогично и ИП, которому необходимо определить величину электросигнала, имеет форму внутреннего эталона напряжения. Его точность накладывает ограничения на «правильность» измерения.
В примере со ртутным термометром внутренний эталон — не фиксированная температура. Вместо этого есть известное количество ртути. В этом случае говорят, что он косвенный, отражающий взаимосвязь количества ртути и температуры.
Аналогово-цифровое преобразование
Во многих моделях данные обычно подвергаются той или иной форме аналого-цифрового преобразования (АЦП, смотри статью «ТОП-10 узлов в схемотехнике цифровых устройств») Цель этапа — преобразование непрерывно изменяющегося АС в ряд чисел, которые обрабатываемы в цифровом виде. Это выполняется в два основных этапа:
- Дискретизация.
- Квантование (оцифровка).
Дискретизация — это преобразование сигнала, который непрерывно изменяется во времени, в ряд значений, репрезентативные для него, в дискретные (отдельные, конкретные) моменты времени. На рисунке выше показан АС и полученный на его основе дискретизированный. Время между выборками выступает мерой частоты дискретизации, измеряемой в герцах или выборках в секунду.
Для точного представления АС частота дискретизации нужна достаточно высокая, чтобы он заметно не менялся между выборками. Другими словами, если задана последовательность чисел, представляющая АС, максимальная частота, которую удастся обнаружить, пропорциональна частоте выборки АЦП.
Второй этап — квантование, — проиллюстрирован на рисунке ниже. Как видно, основной эффект квантования в округлении амплитуды сигнала до ограниченной точности. Хотя это не особенно желательно, некоторая доля квантования неизбежна, поскольку цифровые вычисления справляются с арифметикой бесконечной точности, присущей АС.
Точность квантования обычно измеряется числом бит — разрешением, требуемых для цифрового представления максимума возможного сигнального уровня. Если N — число бит, то число возможных выходных значений равно 2N. Диапазон выходных значений — от наименьшего (нуля) до максимального 2N-1. Например, 8-битный АЦП выводит 28 или 256 возможных дискретных значений. Диапазон выходных данных будет от 0 до 255. Если входной диапазон преобразователя составляет от 0 до 10 В, то точность будет равна (10-0)/255 или 0.039 вольта.
Квантование даёт компромисс между динамическим диапазоном и точностью. На практике — это компромисс между стоимостью и точностью, к которому приходит разработчик ИП, но пользователю нужно понимать это явление при выборе прибора для конкретного применения. Таким образом, выходной сигнал АЦП представляет собой последовательность чисел. Числа появляются на выходе с частотой дискретизации, а их точность определяется разрешением. Эти данные подаются на следующий этап — цифровой обработки.
Для генерирующего оборудования поток информации обратный — последовательность оцифрованных чисел подаётся на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует их в непрерывное аналоговое напряжение, затем поступающее в блок аналоговой обработки и далее на выход прибора.
Цифровая обработка сигнала
Это вычисление на специализированном компьютере, оптимизированном для управления и вычислительных нужд ИП. Обычно он содержит один или несколько микропроцессоров и/или сигнальных процессоров, которые используются для вычислений на основе необработанных данных, поступающих от АЦП. Они преобразуются в цифровую информацию об измеренной величине. Преобразования в рамках оцифровки включают:
- Извлечение требуемых сведений, например, вычисление времени нарастания или диапазона сигнала, представленного потоком цифровых данных.
- Преобразование данных в более полезную форму, например, выполнение дискретного преобразования Фурье для трансформации временной области в частотную.
- Объединение данных с другой соответствующей информацией. Например, измерителем АЧХ используются сведения об уровне входного сигнала для коррекции выходного у генератора.
- Преобразование данных для отображения на дисплее или передачи по интерфейсу связи. Например, трёхмерные данные легко проиллюстрировать как два измерения плюс цвет как третье.
Другая функция обработки на этом этапе — применение калибровочных коэффициентов. Производительность цифровой обработки и малые затраты на неё помогли разработчикам приборов включить в информацию более полную компенсацию ошибок и калибровочные коэффициенты, тем самым повысив точность, линейность и достоверность.
Калибровка
Внешние источники эталонных величин используются для проверки общей точности. Когда измеритель используется для изучения стандартных величин, показания сравнивают с известным истинным значением, при этом разница будет мерой погрешности. Например, точность термометра проверяют, измерив температуру кипящей или замерзающей воды. Поскольку условия, при которой происходят эти фазовые изменения, определяется как 100°C и 0°C соответственно.
Источником погрешности бывают различия между внутренним эталоном ИП и стандартом измеряемой системы. Или же она вносится различными блоками обработки сигнала. Погрешности внутреннего эталона или нелинейность в аналоговой сигнальной цепи прибора часто приводят к повторяющимся или систематическим ошибкам.
Когда они понятны и предсказуемы, применяют метод калибровки для коррекции выходного сигнала для более точного соответствия ожидаемому значению. Если известно, что отметки на термометре смещены на фиксированное расстояние (определённое путём замеров температуры другой эталонной системы), то показания корректируют, вычитая известное смещение перед выводом результата.
Однако неизвестные систематические ошибки особенно опасны, поскольку ошибочные результаты неверно интерпретируют как достоверные. Их получится минимизировать путём тщательного планирования хода эксперимента. В ответственных задачах делается попытка дублировать результаты с помощью независимых экспериментов.
Во многих случаях погрешности чисто случайны и, таким образом, ограничивают точность. В этих случаях результаты часто удаётся улучшить, сделав несколько показаний и выполнив статистический анализ набора результатов, чтобы получить более точную оценку значения измеряемой величины.
Подход статистической компенсации предполагает, что имеются сведения о характере проявления погрешности. Когда все понятые и повторяемые механизмы проявления погрешностей были компенсированы, оставшиеся выражаются как неопределённость измерения с точки зрения точности или прецизионности показаний.
Помимо цифровой обработки, этот этап часто выполняет управление режимом аналоговой схемы, работой пользовательского интерфейса и передачей данных по портам ввода-вывода.
Вывод информации
Конечный этап — визуализация результатов. Только в таком случае от него есть какая-то польза. Обычно это достигается так: микропроцессор либо управляет различными интерфейсами связи с дисплеем для представления сведений наблюдателю, либо напрямую связывается с внешним компьютером.
При проектировании информационного интерфейса применяются два основных подхода:
- Человеко-машинный интерфейс. Дисплея (символьный или графический) и элементы управления (регуляторы и кнопки) должны хорошо соответствовать сенсорным возможностям человека. Т. е. их показания легко различимы, а элементы управления поддерживают лёгкое взаимодействие. Это даёт нормальную связь с пользователем; в таком случае говорят об «интуитивно-понятном интерфейсе». Однако, помимо этого, информация представляется в форме, которая осмысленно и читаема для пользователя. Например, текст на понятном языке, а значения представлены в соответствующих единицах (например, вольтах или градусах) и в нужном формате (например, текст или графика). Наконец, если информация получена и передана точно, нужен простой для изучения и понимания интерфейс оператора. Иначе несовершенство интерфейса приведёт к тому, что оператор будет делать неточные измерения или неправильно интерпретировать их результаты.
- Компьютерный интерфейс. Те же соображения, которые применены к человеко-машинным интерфейсам, применяются и к компьютерным. От него нужно, чтобы он отвечал требованиям к передаче и визуализации информации на компьютере. Это означает, что оба устройства соответствуют одним стандартам, определяющим размер и форму разъёмов, уровни напряжения в проводниках и способ, которым сигналы на проводах обрабатываются для передачи информации (речь идёт о единстве протоколов передачи данных). Обычными примерами компьютерных интерфейсов стали RS-232 (последовательный порт), USB, LAN, а также различные порты ввода/вывода GPIO. Некоторые специальные интерфейсы, такие как GPIB, VXI и MMS часто используются в измерительном оборудовании и позволяют организовать связь между отдельными приборами и системами: между осциллографом и генератором сигналов.
Связь между прибором и компьютером основана на протоколе передачи, который реализован как на измерителе, так и на ПК. Это соображение применяется к формату информации, языку команд и используемым структурам данных. Опять же, есть много стандартов на выбор, включая SCPI и различные IEEE-стандарты для передачи.
Требование лёгкости обучения взаимодействия с ИП применяется первоочерёдно к работе разработчика системы или программиста. Это значит, что документация полная и понятная, и что разработчик имеет доступ к инструментам программирования (API), необходимым для написания компьютерных приложений, которые взаимодействуют с ИП. Наконец, требование простоты использования («юзабилити» или «юзабельности», от англ. usability) определяет стиль взаимодействия между оператором, компьютером и прибором.
Есть одно высказывание: «всё гениальное просто». Это «правило» относится и к ИП. Лёгкость эксплуатации и удобство интерфейса взаимодействия — важнейшие требования к снижению количества погрешностей, связанных с трудностью восприятия информации или проблемами в эксплуатации. Например, из-за скудной, противоречивой или вовсе отсутствующей документации.
Измерительные приборы становятся всё сложнее: современные высокоточные вольтметры даже «рядом стоять не будут» с архаичными дедушкиными стрелочными моделями, имеющими точность «плюс/минус километр». Технологичность и сложность цифровой аппаратуры — факторы, как повышающие качество измерения, так и, наделяющие её преобразовательными узлами и интерфейсами. Из-за чрезмерной сложности это приводит к вероятности ошибки на каком-либо этапе обработки зарегистрированного сигнала. Но как бы то ни было, нынешняя измерительная техника находится в удивительно хорошей стадии, объединяя широкие рабочие характеристики и малую стоимость.
