1.2 Содержание курса «Радиоизмерительные устройства и системы»

Тема 1 Цели и задачи курса.

История развития радиоизмерений. Основные этапы и перспектива развития радиоизмерительных устройств и систем. Роль радиоизмерений в практической деятельности специалистов в области радиоэлектроники.

Тема 2 Общие вопросы цифровой измерительной техники.

Тема 3 Осциллографы и осциллографирование сигналов. (Универсальные, широкополосные, стробоскопические, на трубке бегущей волны (ТБВ), двух и многолучевые, запоминающие, цифровые осциллографы).

Тема 4 Измерение энергетических величин (параметров интенсивности радиосигналов – тока I, напряжения U, напряженности электромагнитного поля Е, мощности Р).

Тема 5 Измерение параметров формы характеристик радиосигналов – коэффициент нелинейных искажений – КНИ, коэффициент глубины амплитудной модуляции – КГАМ, девиации частоты, анализ спектра.

Тема 6 Измерительные генераторы (измерительные генераторы гармонических колебаний НЧ, импульсные измерительные генераторы, измерительные генераторы ВЧ и СВЧ, генераторы качающейся частоты (свип-генераторы), генераторы кодовых импульсов, генераторы шума.

Тема 7 Измерение параметров радиотехнических цепей (с сосредоточенными постоянными, с распределенными постоянными; тестирование цифровых схем и микропроцессоров, логический и сигнатурный анализ).

Тема 8 Измерение временных параметров радиосигналов (измерение частоты f, длины волны , разности фаз ).

Тема 9 Измерение вероятностных характеристик случайных процессов.

Тема 10 Автоматизированные системы контроля. Достоверность контроля. Вопросы эксплуатации измерительной техники.

1.3 Погрешности измерений.

Научной основой любых измерений является метрология.

Метрология – эта наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способа достижения требуемой точности.

Поэтому условиям усвоения курса «Радиоизмерительные устройства и системы» является твердое знание следующих разделов метрологии:

• значение метрологии в деятельности общества;

• основные метрологические понятия (физическая величина, средства измерений, мера, эталоны, точность измерений, погрешность измерений, поверка средств измерений);

• единицы физических величин. Система единиц СИ (основные и дополнительные единицы, производные единицы СИ, размерность, кратные, дольные единицы, относительные логарифмические единицы);

• эталон;

• погрешности измерений (абсолютные и относительные погрешности; систематические, случайные погрешности; оценка погрешностей измерительных устройств и систем; методы уменьшения и исключения погрешностей);

• средства измерений (образцовые, рабочие, измерительные преобразователи);

• поверка и испытание средств измерений;

• методы измерений (прямые, косвенные);

• метрологическая служба на предприятиях;

• электроизмерительные приборы различных систем (магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, электростатическая, индукционная).

При выполнении измерений перед оператором возникают следующие вопросы:

1. Обеспечивает ли единое измерение необходимую точность полученного значения параметра?

2. Каким образом можно повысить точность измерения?

3. Как расценивать получение различных значений при повторных измерениях одного и того же параметра? Что в этом случае следует принять за результат измерения и как оценить его точность и надежность?

4. Как оценить погрешность при косвенных измерениях?

Погрешность измерения любой величины состоит, как правило, из систематической и случайной составляющих. Теоретически систематическую погрешность можно исключить путем введения поправок в результате измерения. С точки зрения происхождения систематические погрешности можно разделить на следующие виды:

- инструментальная погрешность (неточность градуировки прибора, неточности технической реализации алгоритмов измерения, неправильное расположение приборов и других причин, например, трение вращающихся частей приборов). Инструментальная погрешность выявляется при поверке мер и измерительных приборов по образцовым мерам и приборам.

- методологическая погрешность (несовершенство метода измерений, неточности алгоритма измерений, влияние измерительного прибора на объект измерения и т.д.).

Для уменьшения систематических погрешностей в сложном приборе предусматривается возможность его калибровки с помощью внутреннего или внешнего источника калибровочного сигнала с известными параметрами.

В ЦИП с микропроцессорами производится автокалибровка.

- субъективная погрешность (грубая погрешность, промах). К грубым погрешностям относятся, например, неправильный отсчет по шкале прибора, неверная запись показаний, пропуски в наблюдениях и т.п. субъективные погрешности не характерны для ЦИП. Для исключения влияния систематических погрешностей на результат измерения применяют следующие приемы:

- компенсация погрешностей по знаку;

- исключение погрешности методом замещения;

- исключение погрешности методом симметричных наблюдений.

- исключение погрешности введением поправок в результат измерения.

- случайная погрешность.

В виду чрезвычайного разнообразия, как причин случайных погрешностей, так и степени их влияния на результат измерения исключить случайные погрешности в принципе нельзя, но можно учесть математически при помощи теории вероятностей и методов математической статистики и тем самым оценить их влияние на точность измерений.

Оценка случайной составляющей погрешности требует применения статистических методов анализа, заключающихся в проведении серии однотипных (в стационарных условиях) независимых измерений с последующей статистической обработкой результатов. Отдельные результаты называются наблюдениями, а конечный результат (после статистической обработки) – результатом измерений.

Случайные погрешности наблюдений в большинстве случаев подчиняются нормальному закону (равномерный встречается также достаточно часто; например, погрешность при дискретизации аналоговой величины описывается равномерным законом и др.).

Пусть , , …., - ряд наблюдений в n независимых, проходящих в одинаковых условиях измерений.

При этом:

‑ математическое ожидание, приближенно равное среднему (арифметическому) значению результата измерений;

‑ среднеквадратическая погрешность результатов наблюдений.

Какова при этом погрешность вычисленного среднего арифметического  ?

По закону, определяющему среднеквадратическое отклонение среднеарифметического n одинаково распределенных взаимно независимых случайных величин , т.е. случайные погрешности одиночных результатов наблюдений можно снизить в раз, увеличив число наблюдений в n раз.

Следует отметить, что многократные измерения с последующим усреднением их результатов является единственным способом повышения точности измерений.

В процессе измерения грубые погрешности возникают в связи с несоответствием объекта измерения модели.

Например, объект измерения – несинусоидальное напряжение, а принятая модель – синусоидальная форма сигнала. Указанная особенность проявляется при измерении параметров случайных процессов (случайный процесс, например, является нестационарным, а принятая модель – стационарный случайный процесс).

Погрешности в этом случае могут быть такими, что измерения потеряют смысл даже для приближенной оценки значения параметра.

1.4 Основные направления и перспективы развития радиоизмерительной техники.

К основным направлениям и перспективам развития радиоизмерительной техники следует отнести:

1. Повышение точности измерений.

2. Повышение скорости измерений.

3. Автоматизация измерений.

4. Разработка комбинированных измерительных приборов.

5. Разработка панорамных измерителей.

6. Развитие измерений в новых областях измерительной техники (измерение параметров случайных процессов, оптоэлектронные измерения и др.).

7. Повышение достоверности принятия правильных решений на основе измерений (повышение достоверности контроля).

Под точностью измерений понимают их качество, отражающее близость результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность может быть выражена обратной величиной модуля относительной погрешности. Например, если погрешность измерения равна 10^-4, то точность равна 10⁴. Такое определение точности не является общепринятым.

Скорость измерения в ряде случаев, например, при обработке радиолокационной информации приобретает решающее значение. Повышение скорости измерения определяется в основном совершенствованием элементной базы, быстродействием АЦП.

Автоматизация работы средств измерений и выполнения измерительных процедур является важнейшим направлением развития измерительной техники. Основными задачами автоматизации измерений являются:

• многофункциональность средств измерений;

• программное управление;

• самоконтроль и автокалибровка;

• автоматическая коррекция систематических погрешностей;

• дистанционное управление;

• проведение косвенных и совокупных измерений;

• запоминание выборок;

• статистическая обработка результатов измерений;

• выдача результатов измерений в удобной форме (в том числе в цифровом коде для сопряжения с ЭВМ);

• возможность организации совокупности средств измерений в автоматическую измерительную систему;

• построение систем автоматического сбора данных от многих источников с обработкой и анализом параметров;

• автоматизация поверочной процедуры.

В связи с быстрым ростом количества параметров сигналов и характеристик радиоэлектронных устройств, которые подлежат измерению, возникает потребность в создании современных комбинированных измерительных приборов. Любой комбинированный измерительный прибор представляет собой совокупность нескольких функциональных узлов или элементов измерительных схем, конструктивно объединенных в единое целое. Такое совмещение позволяет отдельные узлы и элементы прибора путем их коммутации использовать в нескольких различных измерительных схемах. Такие приборы, как правило, более экономичны, меньше по массе и габаритам по сравнению даже со специальным комплектом заменяющих его измерительных приборов одноцелевого измерения.

Комбинированные измерительные приборы делятся на комбинированные приборы общего назначения и специального назначения (сервисные).

Группу простейших широко известных комбинированных приборов общего применения составляют ампервольтметры. В эту группу входят также приборы, рассчитанные на измерение параметров и подключения к различным радиоэлектронным устройствам соответствующего диапазона частот. Так, например приборы ГК4-19 А, РИП-3 измеряют все основные параметры самолетных радиолокационных станций (частоту, мощность спектр сигналов) в сантиметровом диапазоне.

Комбинированные приборы специального назначения рассчитаны на измерение параметров строго определенных образцов радиоэлектронного оборудования (контрольно-испытательные приборы дальномеров, высотомеров, калибратор азимута дальности самолетной аппаратуры, тестеры для контроля параметров современных мобильных систем связи и др.).

Панорамные измерители – приборы, позволяющие получить полную информацию об измеряемой характеристике объекта в интересующем диапазоне частот, амплитуд и т.д. одновременно на экране дисплея, а не путем многократных последовательных дискретных измерений.

Примером панорамного измерения является анализатор спектра сигналов с осциллографическим индикатором и ЧМ-генератором (генератор качающейся частоты; «свип-генераторы») линейно перестраиваемый по частоте при подаче пилообразного напряжения от генератора развертки осциллографа; измеритель амплитудно-частотных характеристик и др.