Классификация аппаратуры измерения комплексных параметров СВЧ сигнала

Приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными параметрами (группа «Р-») разделяется на следующие виды:

Р1- линии измерительные;

Р2- измерители коэффициента стоячей волны (КСВ);

Р3- измерители полных сопротивлений;

Р4- измерители комплексных коэффициентов передач;

Р5- измерители параметров и линий передач;

Р7- измерители добротности.

Приборы группы «Р-» можно разделить на две основные подгруппы: измерители на основе анализа картины стоячей волны и измерителей на основе анализа отношений падающих, прошедших и отраженных от исследуемого объекта сигнала. К первой подгруппе относятся линии измерительные (Р1-) и измерители полных сопротивлений (Р3-). Функциональные возможности обоих видов измерителей одинаковы. Преимуществом приборов Р3-, особенно на сравнительно низких частотах, являются малые габариты.

Усовершенствование измерительной аппаратуры на основе развития методов построения и элементной базы привело к тому, что многие приборы имеют более широкие функции. Например, приборы Р2-, предназначенные для измерения коэффициента стоячей волны (КСВ), измеряют и ослабление (усиление).

 

Основные характеристики применяемых измерительных приборов

В настоящее время на вооружении находится большое количество СВЧ радиоизмерительных приборов, разработанных и освоенных в производстве 8 – 10 лет назад. Среди них наиболее распространены измерители КСВ и ослабления (Р2-71). Для сравнения приведем в Таблица 1.1 некоторые основные технические характеристики приборов: (Р2-71) и разрабатываемого (по ТЗ).

 

Таблица 1.1 - Сравнительные характеристики приборов

Основные технические характеристики	Приборы, находящиеся в применении	Разрабатываемый прибор
Прибор Р2-72
Диапазон рабочих частот	12, 05 – 17, 44 ГГц	0, 01 – 37, 5 ГГц
Пределы измерения КСВ	1, 05 - 5, 00	1, 03 – 5, 00
Погрешность измерения КСВ	5К %	5К %
Масса	45 кг	не более 20 кг

 

Краткое описание процесса измерения

В настоящее время используются, как уже отмечалось выше, несколько устаревшие средства измерения КСВ. Они представляют собой стационарные, довольно громоздкие устройства с полностью ручным управлением. Для производства одного измерения (измерение в одной точке) необходимо вручную установить на генераторе СВЧ сигнала необходимую входную частоту, произвести настройку на необходимый диапазон измерительного прибора (класса Р2-), считать измеренное значение с устройства индикации прибора, произвести простейшие расчеты и записать полученный результат в бланк записи измерений. Для проведения анализа состояния исследуемого СВЧ прибора, которым, к примеру, может служить антенна радиолокационной станции, необходимо произвести измерения в нескольких точках при различных значениях входных частот. Обычно этих точек от 300 до 600 в зависимости от исследуемого диапазона входных частот. Очевидно, что подобный способ измерений морально устарел и занимает к тому же очень много времени (к примеру, для снятия одной характеристики из 600 точек высоко квалифицированному оператору необходимо около 10 часов). Упрощенная схема вышеописанной измерительной системы приведена на рисунке 1.1.

 

 

 

 

Процесс измерений на разрабатываемой системе максимально упрощается, по сравнению с вышеописанным. Не считая подготовительных операций (подключение прибора к сети и к объекту исследования), весь процесс настройки (автокалибровки) системы и, собственно, измерения происходит в автоматическом режиме под управлением оператора ЭВМ, то есть весь процесс настройки (калибровки) системы и сам процесс измерения происходят под централизованным контролем управляющего компьютера, который представляет собой не какое-либо специализированное оборудование, а самый обыкновенный ПК на базе Pentium процессора с поддержкой шины USB. Упрощенная структурная схема всей разрабатываемой системы приведена на рисунке 1.2.

 

 

Экономическое обоснование

Резкий рост цен на услуги и энергоносители привел к тому, что даже простое складирование громоздких измерительных приборов требует больших денежных средств. Как показывает многолетний опыт эксплуатации измерительной СВЧ техники, коэффициент загрузки большинства приборов не превышает 10%. Низкий коэффициент использования объясняется отсутствием многофункциональности разработанных ранее приборов. В метрологических службах находятся приборы, эксплуатируемые несколько дней в году, или находящиеся на рабочих местах, но редко используемые для активного измерения.

В то же время вся эта техника требует квалифицированного персонала, рабочих площадей и значительных материальных затрат для поддержания ее в рабочем состоянии и периодической поверки.

Известно, что стоимость годовой эксплуатации измерительной техники приблизительно ровна 15% от стоимости самого прибора. Ее величина мало зависит от интенсивности использования прибора, так как ее основными составляющими являются амортизационные отчисления, ремонтные и аттестационные затраты.

Произведем расчет одного из возможных вариантов получения экономического эффекта от внедрения разрабатываемой системы измерения параметров СВЧ сигнала

Для полноценного анализа поведения СВЧ объекта во всем диапазоне изменения частот необходимо провести измерения в определенном количестве точек (от 300 до 600 в зависимости от исследуемого диапазона входных частот), затем анализ измеренных результатов и представление их в виде графика. В зависимости от исследуемых параметров СВЧ сигнала (амплитуды, частоты, коэффициента стоячей волны (КСВ), фазы, коэффициента передачи и коэффициента отражения) измерения производятся на приборах класса Р2- или Р4-, но для простоты будем считать что время одного измерения на обоих приборах одинаково.

Для производства одного измерения на существующем оборудовании высоко квалифицированному оператору необходимо затратить около одной минуты с учетом производства простейших расчетов, занесения результата в бланк записи измерений и установки следующей входной частоты вручную. Для построения окончательной характеристики СВЧ объекта (измерение в 600 точках) ему необходимо:

600 точек × 1 мин. = 600 мин или 10 час.

Предположим, что заработная плата такого специалиста составляет 1500 руб. в месяц, тогда при 255 рабочих днях в году будет произведено (если предположить, что все 8 часов в день оператор производит измерения):

255 дней × 8 час/день × 60 мин/час = 122400 мин

 в данном случае равное числу измерений или будет построено:

122400 измерений / 600 точек = 204 характеристики;

на что будет затрачено:

1500 руб. × 12 мес. = 18000 руб.

Разрабатываемая система измерений в течении одной секунды автоматически производит измерение в 600 точках и строит на экране ЭВМ необходимую характеристику. Если предположить что зарплата специалиста, работающего на новом оборудовании, будет прежней (1500 руб.), хотя квалификация его может быть ниже, чем в первом случае, то при тех же затратах в год (18000 руб.) будет построено:

255 дней × 8 час/день × 3600 сек/час = 7344000 характеристик

или произведены измерения в:

7344000 характеристик × 600 точек = 4406400000 точках,

 что в 4406400000 / 122400 = 36000 раз больше, чем в первом варианте.

    Для большей наглядности с экономической точки зрения проведем подобный расчет относительно затраченных средств, то есть подсчитаем сколько потребуется времени новой системе для производства такого же числа измерений, что и старой системе за год.

204 характеристики / 1 сек = 204 секунды

Зарплата специалиста за этот промежуток времени составит:

1500 руб/мес / 22 дня/мес / 8 час/день / 3600 сек/час × 204 сек = 0, 48 руб.

 

Таким образом, повышение многофункциональности измерительной аппаратуры, а особенно дорогостоящих СВЧ приборов, превратилось не только в техническую, но и актуальную экономическую проблему.

Окончательно можно отметить, что применение нового вида приборов приведет к:

- увеличению точности проводимых измерений;

- уменьшению временных затрат на проведение измерений;

- повышению универсальности нового прибора по отношению к используемым в настоящее время;

- значительное уменьшение габаритов и массы нового измерительного комплекса;

- повышению удобства пользования измерительной системой;

- улучшению понимания исследуемых процессов за счет скоростной визуализации на экране ЭВМ динамически происходящих процессов;

- возможности более универсального использования: подключение к любому персональному компьютеру через универсальную шину USB.

Требования к разрабатываемой системе и постановка задачи

Постановка задачи

Устройство должно принимать от датчика СВЧ сигнала постоянное напряжение от 5 мкВ до 3, 6 В, усиливать его усилителем постоянного тока с коммутируемым коэффициентом усиления (1/4, 1, 4, 16, 64, 256) и подавать на АЦП. Результат измерения АЦП передается в микроконтроллер, усредняется за 1, 2, 4, 8 измерений, корректируется по специальной функции и предается через последовательный канал связи (SPI) для дальнейшей обработки в управляющий компьютер.

Устройство может работать как в режиме измерения, при этом должна обеспечиваться информационная производительность 2.4× 10³ результатов в секунду, так и в режиме калибровки: определение специальной корректирующей функции.

Точность измерения (в верхней части измеряемых значений) составляет 0, 1 %.

Требования к разработке аппаратной части

Разработать схему устройства, выполняющего перечисленные функции на микроконтроллере ATMEL 89S8252-24QC.

Работа завершается предоставлением электрической схемы, сборочного чертежа и топологии печатного монтажа.

Требования к разработке программного обеспечения

Разработать программу для микроконтроллера, обеспечивающую выполнение перечисленных функций. Результат представить в виде отлаженных текстов программ, протоколов измерения характеристик устройства в целом.

 

3 Техническое задание

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: