Основы измерений параметров сигналов

Основы измерений
параметров сигналов
Учебные вопросы
• Общие сведения об измерении
параметров сигналов.
• Средства измерения параметров
сигналов.
Литература:
• 1. Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника: Учеб. для
вузов. -3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1984.-320 с.
• 2. Основы промышленной электроники: Учеб. для вузов/ Под
ред. В.Г. Герасимова.-3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая
школа, 1986. -336 с.
• 3. Гарагатый А.Н. Лабораторный практикум по
автоматизированным и телемеханическим системам. - Часть 1. М.: ВИА, 1988. -108 с.
• 4. Справочник по средствам автоматики / Под ред. В.Э. Низэ и
И.В. Антика. - М.: Энергоатомиздат, 1983.-504 с.
• 5. Хофманн Д. Техника измерений и обеспечение качества:
Справочная книга / Пер. с нем. - М.: Энергоатомиздат, 1983. -472
с.
1 ВОПРОС
Общие сведения об
измерении параметров
сигналов.
Метрология и метрологическое
обеспечение
МЕТРОЛОГИЯ - наука о методах и средствах измерений,
способах обеспечения их единства и заданной точности
основные разделы
а) общая теория измерений;
•
б) система единиц физических
величин;
•
в) методы измерений;
•
г) средства измерений;
•
д) методы определения
погрешности измерений;
•
•
е) способы обеспечения единства
и единообразия измерений;
ж) система эталонов и
образцовых средств измерений и
методы передачи от них размеров
единиц рабочим средствам
измерений.
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ - комплекс мероприятий, включающий в
себя установление и применение научных и организационных основ,
регламентируемых государственным стандартом, а так же правил, норм и
технических средств, обеспечивающих единство и заданную точность измерений.
ПАРАМЕТР сигнала - это физическая
величина, характеризующая некоторое
свойство сигнала. Параметры сигналов могут
быть весьма многообразными:
• они могут быть в энергетическом отношении
как активными, так и пассивными;
• могут иметь очень широкий динамический
диапазон;
• быть неизменными в течение определенного
времени (статическими) и изменяющимися
(динамическими), иметь непрерывный и
дискретный характер;
• быть сосредоточенными или
распределенными в пространстве;
• быть несвязанными или взаимосвязанными.
ПРОЦЕСС ИЗМЕРЕНИЯ
обязательно включает:
•
•
•
восприятие техническими средствами
измеряемых величин (весьма часто с
преобразованием в некоторые
промежуточные величины);
их сравнение опытным путем с
мерами;
формирование и выдачу результатов
измерения в виде именованных чисел
или их отношений или символов.
Единицами системы СИ
являются единицы
12.плоского угла - радиан (рад);
13.телесного угла - стерадиан (ср);
14.частоты - герц (Гц);
1. длины - метр (м);
15.количества электричества - кулон
2. массы - килограмм (кг);
(Кл);
3. силы - ньютон (Н);
16.силы электрического тока - ампер
4. времени - секунда (с);
(А);
5. работы - джоуль (Дж);
17.электрического напряжения 6. мощности - ватт (Вт);
вольт (В);
7. температуры - кельвин (К); 18.магнитного потока - вебер (Вб);
8. давления - паскаль (Па);
19.магнитной индукции - тесла (Тл);
9. силы света - кандела (кд); 20.электрического сопротивления 10. светового потока - люмен
ом (Ом);
(лм);
21.электрической емкости - фарад
11. освещенности - люкс (лк);
(Ф);
22.индуктивности - генри (Гн).
Множители и приставки
десятичных единиц
дольных
множит пристав
ель
ка
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
деци
санти
милли
микро
нано
пико
фемто
атто
кратных
сокр.
обозн.
д
с
м
мк
н
п
ф
а
множи прист сокр.
тель
авка обозн.
101
102
103
106
109
1012
1015
1018
дека
гекто
кило
мега
гига
тера
пета
экса
да
г
к
М
Г
Т
П
Э
Виды измерений
•
•
•
•
прямые
косвенные
совокупные
совместные
Прямым называется измерение, при котором искомое
значение величины находят непосредственно из опытных
данных.
Иными словами здесь измеряется та величина, значение
которой необходимо определить (измерение тока амперметром,
напряжения - вольтметром).
R
E
R1
А
E
R2
V
Косвенное измерение - искомое значение величины находят на
основании известной зависимости между этой величиной и
величинами, подвергаемыми прямым измерениям (измерение
мощности постоянного тока амперметром и вольтметром с
использованием зависимости, связывающей мощность постоянного
тока с током и напряжением).
A
E
R1
V
Совокупные измерения производятся одновременно над
несколькими одноименными величинами, причем искомые значения
величин находят решением системы уравнений, получаемых при
прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером
совокупных измерений является нахождение сопротивлений двух
резисторов по результатам измерения сопротивлений
последовательного и параллельного соединения этих резисторов.
Rx1
Rx1
Rx2
Rx2
Ω
Ω
Совместные изменения производятся одновременно над
двумя или несколькими одноименными величинами дня нахождения
зависимости между ними. Например, прямые измерения значений
сопротивления терморезистора при двух различных температурах
дают затем возможность рассчитать значения двух коэффициентов
в уравнении, определяющем зависимость сопротивления этого
терморезистора от температуры. В этом примере результатом
совместного измерения является определение двух упомянутых
коэффициентов.
t˚2
t˚1
C˚
Ω
a)
C˚
Ω
б)
Методы измерений
совокупность приемов использования принципов
и средств измерения
• Метод непосредственной оценки характеризуется тем, что
отсчет значения измеряемой величины производится
непосредственно по отсчетному устройству измерительного
прибора. Так, измерение сопротивления омметром является
примером прямого измерения методом непосредственной
оценки. Метод непосредственной оценки прост, но отличается
относительно низкой точностью.
• Метод сравнения - метод, по которому измеряемая величина
сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой.
Отличительной чертой метода сравнения является
непосредственное участие меры в процессе измерения,
например, измерение сопротивления путем сравнения его с
мерой сопротивления - образцовой катушкой сопротивления,
измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием
гирями. Методы сравнения обеспечивают большую точность
измерения, чем методы непосредственной оценки, но это
достигается за счет усложнения процесса измерения.
Методы сравнения
подразделяются на нулевые, дифференциальные и
замещения.
•
•
•
Нулевой метод - это метод сравнения измеряемой величины с мерой,
в котором действие измеряемой величины на индикатор сводится к
нулю встречным действием известной величины. Примером может
служить измерение электрического сопротивления при помощи
уравновешенного моста.
Дифференциальный метод - это метод сравнения с мерой, по
которому прибором измеряется разность между измеряемой величиной
и известной величиной, воспроизводимой мерой. По
дифференциальному методу происходит неполное уравновешивание
измеряемой величины, и в этом заключается отличие
дифференциального метода от нулевого. Точность
дифференциального метода повышается при уменьшении разности
между измеряемой и известной величинами.
Метод замещения, при котором измеряемая величина замещается
известной величиной, воспроизводимой мерой. Примером
использования этого метода является определение емкости
конденсатора, включенного в колебательный контур. Изменением
частоты напряжения, поступающего на колебательный контур,
добиваются резонанса, а затем вместо конденсатора с неизвестной
емкостью Сх включают переменный образцовый конденсатор и вновь
добиваются резонанса изменением значения емкости Со образцового
конденсатора.
Погрешность измерения - отклонение
результата измерения от истинного значения
измеренной величины.
• Абсолютная погрешность измерения
ΔА = Ax - Аи,
где: ΔА - абсолютная погрешность измерения; Ах значение, полученное при измерении (результат
измерения); Аи - истинное значение измеряемой
величины.
• Относительная
погрешность
измерения
представляет
собой
отношение
абсолютной
погрешности измерения к истинному значению
измеряемой величины,
 А выраженное в процентах.
А 
Аи
 100 %
Поправка - абсолютная
обратным знаком.
погрешность,
взятая
с
Погрешности измерений имеют систематическую и
случайную составляющие, которые называются
систематической и случайной погрешностями.
• систематические - погрешности,
остающимися постоянными или закономерно
изменяющиеся при повторных измерениях одной
и той же величины.
o
Методические погрешности
o
o
Инструментальные погрешности
Субъективные погрешности
• Случайные - погрешности, изменяющиеся
случайным образом при повторных измерениях
одной и той же величины.
2 ВОПРОС
Средства измерений
параметров сигналов
СИСТЕМА ЭТАЛОНОВ и
ОБРАЗЦОВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЕ
ЭТАЛОНЫ
ВТОРИЧНЫЕ ЭТАЛОНЫ
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
ОБРАЗЦОВЫЕ
ЭТАЛОНЫ-КОПИИ
РАБОЧИЕ
ЭТАЛОНЫ СРАВНЕНИЯ
РАБОЧИЕ ЭТАЛОНЫ
МЕРЫ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА
Далее
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
СИСТЕМЫ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
(ПЕРВИЧНЫЙ) ЭТАЛОН
• официально утвержденный комплекс средств
измерений, обеспечивающий
воспроизведение единицы физической
величины с наивысшей в стране точностью.
• Государственные эталоны хранятся в
метрологических институтах, работа с ними
разрешена только ограниченному числу лиц.
ВТОРИЧНЫЕ ЭТАЛОНЫ
значение устанавливается по соответствующим
первичным эталонам.
• Вторичные эталоны подразделяются на:
• а) ЭТАЛОНЫ-КОПИИ, предназначенные для
передачи размеров физических единиц рабочим
эталонам;
• б) ЭТАЛОНЫ СРАВНЕНИЯ, которые применяются
для сличения эталонов;
• в) РАБОЧИЕ ЭТАЛОНЫ, применяемые для передачи
размера физической величины образцовым
средствам измерений, обладающим наивысшей
точностью.
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
•
•
ОБРАЗЦОВОЕ СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЯ - измерительный прибор, служащий для
поверки рабочих средств измерений. (ПОВЕРКА - это контроль органом
метрологической службы средства измерений по установленной методике и
определение его пригодности для законного применения).
РАБОЧЕЕ СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЯ - средство, применяемое для измерений (не
связанных с передачей размеров единиц), предназначено только для проведения
измерений конкретных физических величин.
Рабочие средства измерений подразделяются на МЕРЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ,
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА и ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ.
• МЕРА - техническое средство измерений, предназначенное для воспроизведения
физической величины заданного размера. Для удобства проведения измерений меры
объединяются в наборы или магазины (например, магазины конденсаторов,
резисторов и др.).
• ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР - средство измерений, предназначенное для выработки
сигнала измерительной информации и представления ее в виде, наиболее удобном
для непосредственного восприятия наблюдателем.В состав измерительного прибора
входят преобразователи: первичный, промежуточный, масштабный и т.д.
• МАСШТАБНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ предназначены для
изменения масштаба измеряемой величины в строго заданное число раз.
• ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ осуществляют
разнообразные преобразования сигналов, несущих измерительную информацию.
• ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА - совокупность функционально объединенных в
единое целое средств измерений (мер и измерительных приборов), предназначенных
для формирования сигналов измерительной информации в виде, удобном для
непосредственного восприятия наблюдателем.
• Несколько измерительных приборов и измерительных установок, размещенных в
разных местах, могут быть связаны линиями (каналами) связи в ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ
СИСТЕМУ, функционирующую как единое целое и предназначенную для выработки
сигналов информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и
измерительные приборы
АНАЛОГОВЫЕ
ЦИФРОВЫЕ
Аналоговые измерительные приборы
• АНАЛОГОВЫМИ измерительными приборами называют
приборы, показания которых являются непрерывной функцией
изменений измеряемой величины
Информативный параметр входного сигнала (измеряемая величина)
преобразуется в информативный параметр выходного сигнала
(измеренное значение), при этом информативный параметр выходного
сигнала в зависимости от значения измеряемой величины может
принимать значения в пределах заданных границ.
Класс точности прибора определяет наибольшую (предельную)
допустимую приведенную погрешность прибора в рабочей части
шкалы, выраженную абсолютным числом, значение которого равно
приведенной погрешности в процентах.
Согласно ГОСТ 8.401-80 электроизмерительные приборы делятся по
степени точности на 9 классов:
0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
КЛАССИФИКАЦИЯ
аналоговых измерительных приборов
•
•
•
•
•
•
•
измеряемая величина (например, прибор для измерения
линейных размеров, прибор для измерения температуры);
принцип измерения (например, электромеханический,
термоэлектрический);
вид измерительного сигнала, преимущественно
используемый в измерительном приборе (например,
механический, электрический);
метод измерения (например, непосредственная оценка
измеряемой величины, компенсационный метод);
тракт измерительного сигнала (например, разомкнутый,
замкнутый);
характер изменения измерительного сигнала (например,
линейный, нелинейный);
режим передачи измерительного сигнала (например,
статический, динамический).
Универсальный
аналоговый прибор
(тестер)
Служит для
измерения
электрических
активных (омических)
сопротивлений,
напряжения и силы
тока.
Омметр
(от ом и...метр), прибор
непосредственного отсчёта для измерения
электрических активных (омических)
сопротивлений.
Разновидности омметров мегомметры, тераомметры, микроомметры,
различающиеся диапазонами измеряемых
сопротивлений.
Действие магнитоэлектрического
омметра основано на измерении силы тока,
протекающего через измеряемое
сопротивление при постоянном напряжении
источника питания.
Для измерения сопротивлений от
сотен ом до нескольких Мом измеритель и
измеряемое сопротивление rx включают
последовательно.
Микроамперметры, миллиамперметры, амперметры МА
0201, МА 0202, МА 0203 предназначены для измерения
силы постоянного тока от 50 мкА до 10 А.
Вольтметры
переменного тока
Рабочая полоса частот 10 Гц … 1
МГц
Диапазоны измерений 300
мкВ/1/3/10 мВ/…/100 В; -40/-30/20/…/40 дБ; погрешность 3%
1 вход (417В); 2 входа (427В)
Работа в 2-канальном режиме
(427В): независимо, сравнение
сигналов (использование одного
аттенюатора одновременно)
Выход широкополосного усилителя
Цифровые измерительные
приборы
Цифровые
измерительные приборы
c аналого-цифровым
преобразованием
на входе
с аналого-цифровым
преобразованием
на выходе
с промежуточным
преобразованием
непрерывных
величин
в цифровые
Далее
C аналого-цифровым преобразованием
на входе
Цифровые измерительные приборы с
аналого-цифровым преобразованием на
входе характеризуются тем, что аналогоцифровой преобразователь одновременно
является первичным измерительным
преобразователем.
Их преимущества: цифровая обработка
измеряемых сигналов; высокая точность;
малая чувствительность к помехам.
Недостатки: применимы только для
очень малых измеряемых величин; малая
верхняя граничная частота.
С аналого-цифровым преобразованием
на выходе
Цифровые измерительные приборы с аналогоцифровым преобразованием на выходе
характеризуются тем, что аналого-цифровой
преобразователь подключается к аналоговому
согласующему устройству (усилителю, фильтру и т.д.).
Их преимущества: применимы для всех
измеряемых величин; высокая разрешающая
способность; цифровая обработка измеренных
значений.
Недостатки: малая верхняя граничная частота;
дороже аналоговых измерительных приборов.
С промежуточным
преобразованием
Цифровые измерительные приборы с
промежуточным преобразованием непрерывных
величин в цифровые аналого-цифровой
преобразователь располагается между аналоговым
первичным преобразователем и цифровым
согласующим устройством (фильтром, решающим
устройством и т.д.) и цифровые сигналы на выходе
согласующего устройства снова преобразуются в
аналоговые сигналы.
Их преимущества: применимы для всех
измеряемых величин; помехозащищенная
дистанционная передача; возможно подключение
аналоговых устройств.
Недостатки: малая верхняя граничная
частота; дороже аналоговых измерительных
приборов.
Преимущества цифровой
измерительной техники
•
•
•
•
незначительные погрешности отсчета благодаря
устранению субъективных влияний (параллакса,
усталости, психофизиологических особенностей
операторов);
быстрая и простая регистрация измеренных
значений (запись, печать, запоминание);
возможность подключения к ПЭВМ;
простота коррекции погрешностей измерений с
использованием соответствующих подпрограмм
в электронных вычислительных устройствах.
Осциллографы цифровые
Вольтметр универсальный цифровой
5 разрядов, динамич. диапазон 50000, СДиндикаторы
Мультиметр: =/~ U и I, R, емкость, частота,
прозвон, p-n
Погрешность (пост. напряжение): 0,02/0,03 %
(8246/8245)
Разрешение 10 мкВ, 10 нА, 10 мОм
Измерение СКЗ перемен. сигнала со
смещением (АС+DC), с учетом формы
сигнала и искажений (True RMS)
Рабочая полоса частот 20 Гц … 100 / 50 кГц
(8246/8245)
Генератор сигналов
специальной формы
Прямой синтез различных сигналов частотой
до 30 МГц
Установки частоты с точностью 10-5 и
дискретностью 10 мГц
Форма сигнала: синус, прямоугольник,
треугольник, пила, произвольная форма
(ARB сигнал)
Синтез ARB сигнала: 5 МВыборок/сек, 12 бит
Внутренняя/внешняя АМ/ЧМ, ФМ,
смешанная модуляция
Низкий уровень нелинейных искажений
Интерфейс IEEE-488 (830G)
Интерфейс RS-232