Светлов А.В., Ушенин Д.А., Ушенина И.В.

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Во многих областях человеческой деятельности (научные исследования, промышленные измерения и кон-

троль, медицина, биология, электрохимия) существует множество объектов, представляемых электрической

схемой замещения в виде пассивной двухполюсной электрической цепи (ЭЦ), поэтому остается актуальной за-

дача совершенствования способов преобразования параметров ЭЦ в напряжение. Одним из наиболее перспек-

тивных способов определения параметров ЭЦ является использование измерительных преобразователей на

основе операционных усилителей, на вход которых подается несинусоидальное опорное напряжение [1, 2]. В

систему уравнений, описывающих поведение такой измерительной схемы (ИС), подставляются значения дис-

кретных отсчетов выходного напряжения ИС и находятся искомые параметры ЭЦ. При практической реализации

этого и других способов преобразования параметров ЭЦ с увеличением числа элементов, входящих в состав

цепей, становится все труднее подобрать оптимальные условия преобразования их параметров. Для этого

средство измерений параметров ЭЦ должно обладать многофункциональностью и гибкостью. Таким требованиям

отвечают аппаратно-программные измерительные комплексы, обеспечивающие автоматизированный подбор

наилучших (в рамках выбранного способа построения аппаратной части) условий преобразования параметров

ЭЦ в напряжение.

Условия преобразования зависят от количества элементов исследуемой ЭЦ, еѐ топологии, характера со-

противления каждого еѐ элемента, соотношения параметров элементов ЭЦ. Условия преобразования задаются

выбором топологии ИС и еѐ энергетического режима (ЭЦ в режиме заданного тока или заданного напряжения),

выбором вида опорного воздействия, выбором моментов времени отсчетов выходного напряжения ИС и т.п.

Пользователю должна предоставляться возможность выбора критерия оптимальности условий преобразова-

ния, например: приемлемые погрешности преобразования параметров всех элементов ЭЦ; минимальная погреш-

ность преобразования параметра одного из элементов; наиболее широкий диапазон изменения параметра

одного из элементов при заданных параметрах других элементов; минимальное время преобразования и др.

К аппаратно-программному измерительному комплексу для определения параметров ЭЦ предъявляются следу-

ющие требования:

– определение изменяющихся в широких пределах параметров элементов множества ЭЦ различных конфигура-

ций с числом элементов от одного до трех;

– варьирование условий преобразования с целью их оптимизации по критериям, заданным пользователем;

– математическая обработка результатов измерения: определение искомых значений параметров ЭЦ путем

решения системы уравнений с учетом полученных значений отсчетов выходного напряжения ИС; коррекция со-

ставляющих погрешности преобразования, обусловленных учтенными влияющими факторами;

– представление измерительной информации в удобном для пользователя виде;

– сохранение информации об условиях преобразования, признанных оптимальными для различных конфигура-

ций ЭЦ, с целью их последующего воспроизведения.

При автоматизированном подборе наилучших условий преобразования параметров ЭЦ в напряжение програм-

ма должна находить все доступные (при используемой аппаратной части) способы определения параметров

элементов исследуемой ЭЦ, включая и те, которые позволяют измерить параметры одного или нескольких (не

всех) элементов, если пользователем выбран критерий минимальной погрешности преобразования параметра

одного из элементов.

Авторами рассматривались два подхода к проблеме автоматизации подбора условий преобразования пара-

метров ЭЦ.

Первый подход заключается в развитии и практической реализации предложенных в [2] алгоритмов, позво-

ляющих с использованием системы индексов, характеризующих топологию исследуемой ЭЦ и характер сопротив-

ления каждого еѐ элемента, получить конкретные условия преобразования параметров данной ЭЦ в рамках

выбранного способа построения преобразователя. Развитие этих алгоритмов позволяет включить в рассмотре-

ние различные варианты построения преобразователя, в том числе предусматривающие определение не всех, а

только некоторых элементов ЭЦ, но с большей точностью. При этом алгоритмы определения условий преобра-

зования приобретают новые разветвления, что ведет к усложнению программного кода. Для обоснованного вы-

бора способа преобразования нужна полученная в результате предварительных исследований информация об

ожидаемых точностных характеристиках при различных условиях преобразования. Требуется разработать пра-

вила формализации и использования этой информации, для еѐ хранения необходима соответствующая база дан-

ных. Практическая реализация данного подхода получается громоздкой и требует больших затрат времени.

Второй подход проще в реализации, он изначально предполагает создание баз данных, в которых должна

храниться информация о всех вариантах схем ЭЦ, параметры которых могут быть определены с применением

имеющихся аппаратной и программной частей комплекса, а также об оптимальных (по различным критериям)

условиям преобразования параметров ЭЦ. При этом использование баз данных не предполагает четкого следо-

вания заранее разработанному алгоритму и предоставляет пользователю возможность реализовать все доступ-

ные варианты преобразования параметров ЭЦ с указанием предпочтительности одного из них в соответствии с

выбранным критерием. Детальное исследование предложенных вариантов преобразования с оценкой ожидаемых

точностных характеристик осуществляется путем схемотехнического моделирования ИС с помощью соответству-

ющего модуля программного обеспечения комплекса. Ниже рассмотрены особенности практической реализации

данного подхода к решаемой проблеме.

Многофункциональный измерительный комплекс для определения параметров электрических цепей включает в

себя аппаратную часть, подключаемую к COM-порту персонального компьютера, и программное обеспечение.

Программное обеспечение измерительного комплекса

Гибкость и многофункциональность комплекса достигаются, главным образом, за счет программного обес-

печения [3], состав которого поясняется рисунком 1.

Б

Л

О

К

У

П

Р

А

В

Л

Е

Н

И

Я

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С

АППАРАТНОЙ ЧАСТЬЮ

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

ИЗМЕРЕНИЯ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

БАЗЫ ДАННЫХ 1

(ИСХОДНЫЕ

ДАННЫЕ)

БАЗЫ ДАННЫХ 2

(БИБЛИОТЕКИ

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИХ

РЕШЕНИЙ)

И

Н

Т

Е

Р

Ф

Е

Й

С

Рисунок 1. Состав программного обеспечения комплекса

Программное обеспечение включает в себя:

– модуль интерфейса для взаимодействия с пользователем;

– модуль математической обработки результатов измерения;

– модуль схемотехнического моделирования измерительной схемы;

– модуль взаимодействия с аппаратной частью.

Все модули контролируются блоком управления, который может обращаться к базам данных. Первая группа

баз данных содержит исходные данные об ЭЦ: информацию о топологии ЭЦ, характере сопротивления каждого

еѐ элемента, а также априорную информацию (если таковая имеется) о возможных диапазонах изменения пара-

метра каждого элемента ЭЦ. Вторая группа баз данных содержит библиотеки пользовательских решений, т.е.

информацию об оптимальных (по различным критериям) условиях преобразования параметров ЭЦ.

Аппаратная часть измерительного комплекса

Основное требование к аппаратной части комплекса – поддержка универсальности и гибкости программного

обеспечения.

Аппаратная часть (рисунок 2) содержит:

– измерительную схему (ИС), преобразующую сопротивление исследуемой ЭЦ в напряжение [4];

– управляющий микроконтроллер, координирующий процесс измерения, принимающий команды от персонально-

го компьютера (ПК) и отправляющий в него результаты измерения;

– цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), подающий на ИС опорное напряжение заданной формы (обычно

прямоугольной или пилообразной);

– аналого-цифровой преобразователь (АЦП), получающий отсчеты выходного напряжения ИС.

Измерительнаясхема

ЦАП

Управляющиймикроконтроллер

АЦП

ПК

Рисунок. 2. Структурная схема аппаратной части измерительного комплекса

Аппаратную часть комплекса можно условно разделить на две компоненты: типовую для измерительных при-

боров и проблемно-ориентированную. Проблемно-ориентированной является измерительная схема, поскольку еѐ

построение обусловлено спецификой решаемой задачи. Типовая компонента, включающая в себя АЦП, ЦАП и

микроконтроллер, обеспечивает такие функции, как формирование опорного напряжения, аналого-цифровое

преобразование, взаимодействие с ПК, управление измерительной схемой. Аналогичные задачи приходится

решать во многих областях измерительной техники, следовательно, существует множество вариантов их реше-

ния в виде самостоятельных устройств. К ним относятся платы и устройства аналогового и цифрового ввода-

вывода, а также микроконтроллеры со встроенными ЦАП и АЦП. Они имеют заранее известный, заявленный про-

изводителем набор функций и характеристик. Поэтому в качестве преимуществ их использования можно ука-

зать не только очевидное сокращение времени разработки аппаратной части в целом, но и отсутствие

необходимости настройки и исследований типовой части аппаратного обеспечения комплекса с целью выявле-

ния ее характеристик. Однако при сопряжении готового устройства с измерительной схемой всѐ равно потре-

буется ряд исследований, направленных на выявление различных эффектов и ограничений, накладываемых

принятыми схемотехническими решениями на номенклатуру исследуемых объектов.

Для практической реализации аппаратной части был выбран микроконвертор ADuC841 от Analog Devices

[5], включающий микроконтроллер архитектуры 8052 и аналоговую периферию, в том числе 12-разрядный АЦП

последовательного приближения с мультиплексором на 8 каналов и два 12-разрядных ЦАП. Главными его пре-

имуществами по сравнению с платами и устройствами ввода-вывода, предлагаемыми отечественными и зарубеж-

ными производителями, является значительный выигрыш в цене и размерах устройства. С другой стороны, ряд

устройств ввода-вывода имеют более высокое быстродействие и разрядность АЦП и ЦАП, чем микроконвертор,

т.е., с их помощью можно было бы исследовать объекты со схемами замещения, имеющими меньшие постоянные

времени переходных процессов, и с большей точностью. Тем не менее, при невысокой стоимости возможности

микроконвертора оказываются достаточными для решения множества практических задач определения парамет-

ров ЭЦ, а также для исследования алгоритмических способов расширения диапазонов измерения параметров

ЭЦ.

Проблемно-ориентированная компонента аппаратной части комплекса – ИС содержит во входной цепи и це-

пи отрицательной обратной связи операционного усилителя (ОУ) исследуемый объект и опорный элемент

(рисунок 3). Выбор места их включения определяется заданным энергетическим режимом ЭЦ – режимом за-

данного тока или напряжения [4]. При проектировании ИС за основу были взяты многократно проверенные,

хорошо себя зарекомендовавшие схемные решения [1, 2]. Однако элементная база, на которой они в свое

время были реализованы, устарела, поэтому основной задачей разработки ИС был выбор подходящих элемен-

тов, прежде всего, ОУ. Характеристики ОУ в совокупности с быстродействием и точностью ЦАП и АЦП опре-

деляют характеристики аппаратной части в целом. В частности, максимально допустимый выходной ток ОУ

накладывает ограничения на диапазон полных сопротивлений ЭЦ, а максимальная скорость нарастания вы-

ходного напряжения ОУ и быстродействие ЦАП и АЦП – на диапазон постоянных времени ЭЦ. Тем самым

накладываются ограничения на диапазоны возможного изменения параметров каждого из элементов ЭЦ и диа-

пазоны соотношения активных и реактивных сопротивлений RC- и RL-цепей. Исходя их приведенных выше со-

ображений был выбран рекомендованный в качестве драйвера для АЦП микроконвертора ADuC841 операционный

усилитель AD823 фирмы Analog Devices [5].

R 0n

R 01

C 0m

C 01

АЦП

Упр.1

Упр.2

ЦАП

ADuC841

TxD

RxD

ЭЦ

ОУ

К COM-порту

компьютера

Кл.1

Кл.2

ИС

Рис. 3. Функциональная схема аппаратной части измерительного комплекса

Возможность варьирования места включения опорного элемента, характера его сопротивления и номинала

реализуется за счет включения в ИС наборов опорных емкостей и сопротивлений, коммутируемых герконовы-

ми реле (группы ключей Кл.1 и Кл.2 на рисунке 3).

При использовании указанной элементной базы комплекс обеспечивает измерение с относительной по-

грешностью не более (1 – 2) % параметров элементов двух- и трехэлементных ЭЦ в следующих диапазонах:

сопротивлений – от 100 Ом до 100 кОм, емкостей – от 100 пФ до 100 нФ, индуктивностей – от 1 мГн до 1

Гн. Постоянные времени ЭЦ или их ветвей (плеч) могут изменяться в диапазоне от 100 мкс до 10 мс. Преду-

смотрена возможность улучшения точностных характеристик измерительного комплекса и расширения диапазо-

нов измерения в сторону меньших значений параметров элементов при меньшей постоянной времени (до 10

мкс). Для этого ИС с набором опорных элементов и реле выполнена на отдельной плате, что позволяет еѐ

использовать с другими, имеющими более высокую стоимость, конфигурациями типовой компоненты аппарат-

ной части, включающей в себя АЦП и ЦАП с более высоким быстродействием и большим числом разрядов. Для

уменьшения минимально возможного полного сопротивления ЭЦ необходимо заменить ОУ на плате ИС на уси-

литель с большей нагрузочной способностью или применить ИС другой конфигурации – на базе источника

тока, управляемого напряжением [4]. При этом возможно измерение индуктивностей в диапазоне от 10 мкГн

до 10 мГн и активных сопротивлений в диапазоне от 0,1 до 100 Ом.

Кроме задач измерения параметров ЭЦ рассмотренный измерительный комплекс предназначен для отработки

алгоритмических, программных и аппаратных решений, позволяющих осуществлять выбор оптимальных условий

проведения измерительного эксперимента при разработке средств измерений параметров конкретных объек-

тов, представляемых схемами замещения в виде двухполюсных ЭЦ.

ЛИТЕРАТУРА 1. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей / Под ред. А.И. Мартяшина. –

М.: Энергоатомиздат, 1990. – 216 с.

2. Светлов А.В. Принципы построения преобразователей параметров многоэлементных двухполюсных элек-

трических цепей. – Пенза: изд-во ПГУ, 1999. – 144с.

3. Ушенина И.В. Программное обеспечение универсального аппаратно-программного комплекса для измере-

ния параметров пассивных многоэлементных двухполюсников // Надежность и качество. Труды международ.

симпоз. В 2-х томах. Том 1. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. – С. 389 – 391.

4. Светлов А.В., Ушенин Д.А., Ушенина И.В. Преобразователи сопротивления электрических цепей в

напряжение для многофункционального измерительного комплекса // Информационно-измерительная техника:

Межвуз. сб. науч. тр. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. – Вып. 30. – С. 69 – 74.

5. http://www.analog.com