8. Улучшение метрологических характеристик приборов

Рассмотрим в общем плане возможности и способы уменьше­ния погрешностей в приборах, содержащих микропроцессорные системы (более подробно, этот вопрос освещается там, 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.

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

Для исключения смещения нуля, например в цифровом вольт­метре, его входные зажимы замыкаются накоротко и присоединя­ются к точке с нулевым потенциалом (заземляются). При этом число, полученное на выходе АЦП и характеризующее смещение нуля, запоминается. В дальнейшем, когда измеряется напряжение, подводимое к входным зажимам прибора, автоматически вносит­ся поправка, устраняющая систематическую погрешность, вызван­ную смещением нуля.

Принцип коррекции систематической погрешности, связанной с тем, что значение коэффициента передачи, характеризующее вно­симое трактом передачи сигнала усиление или ослабление, отли­чается от номинального, заключается в следующем (рис. 2.3). В памяти микропроцессорной системы хранится число В, не разру­шаемое при отключении питания и соответствующее строго опре­деленному значению А_а входного напряжения, т. е. число, которое должно получаться на выходе АЦП, если на вход вольтметра по­ступает напряжение Ао и коэффициент передачи тракта сигнала, а также коэффициент преобразования АЦП соответствуют своим номинальным значениям. Внутри прибора имеется ЦАП, содержа­щий образцовый источник питания. При подведении числового эк­вивалента В к входам ЦАП на его выходе образуется напряже­ние, значение которого равно А₀. Это напряжение подается на вход прибора. В результате аналого-цифрового преобразования получается число В', отличающееся от числа В из-за наличия систематической погрешности. Ее характеризует отношение чисел а = В/В', вычисляемое микропроцессором и фиксируемое 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. Введением поправочного множителя, т. е. выполняемое макропроцессором 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. На­личие микропроцессорной системы в приборе существенно упро­щает решение этой задачи [49, 84].

Уменьшение влияния случайной погрешности. Как отмечалось в § 1.3, эта составляющая погрешности измерения не может быть исключена. Ее влияние можно уменьшить рациональной обработ­кой результатов наблюдений.

В § 1.3 было показано, что проведение многократных наблю­дений 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 их по определенному алгоритму. На

рис. 2.4 приведена схема алгоритма вычисления А_ср, 6ύ и бύ .

Возможны менее полный алгоритм, ограниченный нахождени­ем только результата измерений А_ср, и более полный, чем пока­занный на рис. 2.4, алгоритм, включающий операция вычисления оценки среднеквадратического отклонения результата измерения А_ср, 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 [84], сводится к следующему,

В состав прибора входит измерительный преобразователь 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 сигнала n(t) на входе преобразователя. Результат измере­ния n²(t) запоминается. После подведения к входу прибора полезного сигнала на входе преобразователя получается сумма сигнала и шума. В преобразовате­ле суммарный сигнал s(t)+n(t) возводится в квадрат, в результате чего об разуется сигнал s²(t) +2s(t)n(t) +n²(t). Усреднение этого сигнала дает

s² (t) + 2s (t) n (t) + n² (t) = s² (t) + n² (t) [так как сигналы s(t) и n(t) независимы, то среднее значение их произведения равно нулю] . Из результата усреднения вычитается измеренный ранее средний квадрат n²(t) шумового сигнала и получаемая разность равна s²(t). В схеме преобразователя извлекается корень квадратный из s²(t) и напряжение на ее выходе соответствует среднеквадратическому значению чистого полезного сигнала s (t), поскольку шумовая составляющая скомпенсированная.

Следует заметить, что для осуществления описанного принципа компенсации необходим измерительный преобразователь, позволяющий раздельно выполнять операции возведения в квадрат, усреднения и извлечения квадратного корня.