Глава I. Общие вопросы измерений
1.1 Аналоговые и цифровые измерительные приборы
«Радиоизмерительные устройства и системы», по своей сути являются второй частью общего курса «Метрология и электрорадиоизмерения».
Электроизмерительные приборы имеют более чем 200-летнюю историю. Работы Вольта, Эрстеда, Ампера, Фарадея и др. легли в основу простейших электроизмерительных приборов (приборов прямого преобразования) – гальванометров, амперметров, вольтметров. Более точные приборы, основанные на уравновешивании измеряемой величины известной величиной, появились с середины XIX века, когда для измерений начали использоваться четырехплечий мост Уитстона и компенсатор Поггенорфа для измерения постоянного напряжения.
В XIX веке в основном создана классическая основа электроизмерительной техники:
электромеханические измерительные приборы;
мосты и компенсаторы.
Кроме того, в XIX веке были найдены основные принципы преобразования неэлектрических величин в электрические: термоэлектрический эффект (обнаружен в 1823 г. немецким физиком Т.И. Зеебеком), пьезоэффект (обнаружен в 1880 г.), , широко используемые в современных датчиках; дано объяснение тензоэффекту (физик О.В. Хвольсон).
Основной промышленной областью применения электроизмерительных приборов во второй половине XIX века становится энергетика. Характерным для этой отрасли промышленности является большие мощности и низкая частота.
В конце XIX века благодаря успехам автоматики в электроизмерительной технике появляется прибор автоматического уравновешивания ‑ автокомпенсатор Календара (Англия).
В это же время появились первые результаты в передаче радиосообщений (Г. Маркони, А.С. Попов, Э. Резерфорд).
Практическое применение радиозвязи стало возможным после изобретения электронных ламп (в 1904 г. сконструирован диод, в 1910г. – триод и тетрод). Появление новой отрасли – радиоэлектроники привело к необходимости создания измерительных приборов нового типа, рассчитанных на малые значения сигналов, высокие частоты и на включение в высокоомные цепи.
Необходимость измерения параметров сигналов в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) потребовало разработки новых конструкций, приборов, методов и методик измерения. Особый раздел составляет оптоэлектронные измерения, в котором сочетается оптические и электронные методы.
На рис. 1.1 показан спектр электромагнитных волн. На рисунке видно, что оптическое излучение составляет небольшую часть спектра, а видимое излучение – еще меньшую его часть. Принято делить спектр электромагнитных волн на области по длинам волн, а не по частотам, хотя на рис. 1.1 указаны те и другие единицы. Связь между частотой и длиной волны определяется выражением:
Здесь f – частота в герцах, λ – длина волны в метрах, с – скорость света, которая приблизительно равна 2,99·108 м/с.
Оптический спектр простирается от 10 до 106 нм и делится на три основные области – ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную, как показано на рис. 1.1 б. Ультрафиолетовая область спектра лежит между видимой областью и гамма-излучением. Она подразделяется на крайний ультрафиолет (200-300 нм) и ближний ультрафиолет (300-370 нм).
Видимая область спектра простирается от 300 до 770 нм. Излучение с такими длинами волн видит глаз человека со средним зрением. Эта область делится на цвета, которые может воспринимать стандартный наблюдатель. Основными цветами являются фиолетовый (370-455 нм), голубой (455-492 нм), зеленый (492-577 нм), оранжевый (597-622 нм), красный (622-770 нм).
Инфракрасная область лежит между видимой областью и микроволнами. Она делится на четыре основные полосы: ближнее инфракрасное (770-1500 нм), среднее инфракрасное (1500-6000 нм), дальнее инфракрасное (6000-40000 нм) и крайнее инфракрасное (40000 – 106 нм) излучения.
Рис. 1.1. Спектры электромагнитного излучения, оптического излучения.
Сочетание усилителей и выпрямителей с магнитоэлектрическим механизмом позволило создать электронные вольтметры, частотомеры, фазометры. Для испытаний радиоэлектронной аппаратуры были созданы также электронные генераторы периодических колебаний.
После изобретения в 1911 г. электронно-лучевой трубки был создан универсальный электронноизмерительный прибор – электронно-лучевой осциллограф; изобретение кинескопа в 1926 г. послужило толчком к развитию телевидения.
Таким образом, в начале ХХ века электроизмерительная техника была дополнена приборами с автоматическим уравновешиванием электронно-измерительными приборами. Первые, в сочетании с преобразователями неэлектрических величин, применялись для измерения и регуляции медленно изменяющихся процессов, вторые – для настройки и исследований радиоэлектронной аппаратуры.
Эти приборы, как и классические приборы XIX века, прошли длительный путь технического совершенствования, связанный с изменением элементной базы, технических и конструктивных улучшений, расширению номенклатуры, диапазонов (особенно частотного) применения и продолжают развиваться и выпускаться промышленностью.
В середине ХХ века появились измерительные приборы принципиально нового типа. В 1947 г. в США была публично продемонстрирована первая ЭВМ. В этом же году в институте электротехники в Киеве под руководством академика С.А. Лебедева были начаты работы над созданием ЭВМ, которые были успешно завершены в 1955 г. Была построена ЭВМ (большая электронная счетно-вычислительная машина БЭСМ; восемь тысяч арифметических действий в секунду; девять десятичных знаков; пять тысяч электронных ламп).
Для связи управляемых объектов с ЭВМ были разработаны «аналого-цифровые преобразователи» (АЦП). Высокое быстродействие АЦП позволило применить их в ряде новых областей, в том числе в измерительной технике, что привело к созданию цифровых измерительных приборов (ЦИП).
ЦИП в отличие от АЦП позволяют представлять результат измерения в форме, удобной для восприятия оператором. Для этого потребовалось разработать цифровые отсчетные устройства (ЦОУ), не имеющие механических элементов и пространственных перемещений. ЦОУ обладают рядом преимуществ по сравнению со стрелочными (аналоговыми), так как представляют результат измерения в форме удобной для восприятия оператором, исключают субъективную погрешность, связанную с округлением результата аналогового измерения, позволяют регистрировать результат измерения, включать ЦИП в общую схему информационно-измерительной системы (ИИС).
В современных ЦИП широко применяются микропроцессоры (МП) и спецпроцессоры. В отличие от АЦП, к которым постоянно возрастают требования к быстродействию, к ЦИП такое требование не предъявляется, т.к. человек не в состоянии (из-за инерционности глаза) фиксировать более 10 измерений в секунду. У очень точных ЦИП время измерения может составлять секунды и более (например, очень точные кодо-цифровые вольтметры). Преимущества ЦИП по сравнению с аналоговыми очевидны, однако, это не значит, что в перспективе аналоговые приборы не будут эксплуатироваться и производиться.
Это объясняется тем, что ЦИП, как правило, гораздо сложнее и дороже большинства аналоговых.
Другим обстоятельством является то, что цифровая форма представления результата измерения не всегда лучше аналоговой. Например, напечатанная колонка цифр, как правило, менее наглядна, чем непрерывная кривая, записанная на диаграмме. Диспетчеру аэропорта наряду с цифровой информацией об отклонении самолета от линии глиссады требуется наблюдать положение самолета относительно непрерывной линии глиссады на экране посадочного радиолокатора.
По прогнозам специалистов аналоговая и цифровая ветвь электронной измерительной техники будут развиваться параллельно.
В практической деятельности специалиста, занимающегося обслуживанием электронного оборудования, основными процедурами являются измерение, контроль, диагностирование, ремонт и настройка.
В соответствии с определением измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Исправность технического объекта в произвольный момент времени оценивается результатом измерения его основных (определяющих) параметров. Исправным в момент контроля признается объект, все определяющие параметры которого (например, точность и стабильность настройки на частоту корреспондента, чувствительность, полоса пропускания и т.д. для приемника) находятся в пределах установленных допусков. Таким образом, следующей важнейшей операцией после измерения является контроль – процесс установления соответствия между состоянием (свойством) объекта и заранее заданной нормой путем восприятия контролируемых параметров, сопоставления их с установленными (границами допусков), формирования и выдачи суждения о результате. В случае выхода за пределы допусков хотя бы одного из определяющих параметров объект считается неработоспособным и не доложен эксплуатироваться.
Для определения причин отказа производится диагностирование объекта. По результатам диагностирования оценивается причина отказа объекта, которая и устраняется с помощью ремонта (настройки) отдельных блоков и узлов.
По оценкам специалистов измерения составляют 60% и более от общего рабочего времени, затрачиваемого на рассмотренные процедуры.