4.3. О проектировании измерителей импульсных помех

Общая структура

Как уже упоминалось выше, серийно выпускаемые измерительные приборы, как правило, не предназначены для измерения импульсных помех. Поэтому возникает задача проектирования специальных измерителей. В этой связи рассмотрим некоторые вопросы, которые целесообразно учитывать в ходе проектирования.

Пачки импульсных помех в распределительных сетях яромышленных предприятий, а также помех, наводимых от

электрических импульсных полей, следуют со средней частотой, достигающей нескольких герц. Импульсы помех в пачке следуют с частотой, достигающей нескольких мегагерц. Таким образом, объем информации, получаемой даже за весьма непродолжительное время исследования, очень велик. Следовательно, приборы должны быть регистрирующего или анализирующего типа. Конечным результатом исследования чаще всего являются функции распределения значений параметров импульсов и средняя частота следования.

Преобразование значений физических величин парамет. ров импульсов в цифровые коды может вестись с помощью преобразователей, использующих заполнение аналоговой физической величины, отображающей измеряемый параметр, тактовыми импульсами с последующим их подсчетом (назовем условно этот метод счетным) или с помощью селектирования. Счетный метод обеспечивает более высокую точность преобразования, но приводит к потерям времени на преобразование и счет («мертвое» время прибора). Второй метод обладает меньшей точностью, зато дает возможность свести «мертвое» время преобразования к минимуму.

Селектирующие приборы бывают одноканальные, т. е. с одним перестраиваемым входным селектором, и многоканальные. Первые пригодны лишь в том случае, когда поток помех стационарен.

Схемное исполнение селекторов с одним порогом является более простым, чем с двумя, поэтому целесообразно проектировать анализирующие приборы с многоканальным селекторным преобразованием для получения интегральных, а не дифференциальных функций распределения.

Как будет показано ниже, такие приборы можно выполнить с относительно небольшим числом каналов. Общая структура технических средств, предназначенных для получения упомянутой информации, может быть разной. При любой реализации имеются измерительная и анализирующая части.

Рассмотрим вариант, когда прибор содержит только измерительную часть, а накопление данных и анализ производятся с помощью ЭВМ. В этом случае на ЭВМ можно возложить задачу опознавания пачек импульсов по заданным критериям, выделение импульсов с экстремальными значениями параметров, накопление информации в виде распределений, статистическую обработку распределений и др.

В настоящее время реализация такого варианта затрудняется тем, что не имеется достаточно портативной ЭВМ, которая могла бы работать совместно с измерителем в реальном масштабе времени при частоте следования измеряемых импульсов, достигающей 25 МГц и более. Однако большие успехи в развитии микропроцессоров дают основание предположить, что в ближайшие годы такая концепция построения измерительной системы сможет быть реализована. Пока же вполне приемлемым можно считать компромиссный вариант, когда прибор содержит измерительную часть, схемы вывода информации на машинный носитель и, кроме того, выполняет логические функции выделения пачек из потока импульсов и частичного анализа пачки (выделение максимальной амплитуды, подсчет числа импульсов в пачке и т. п.) Окончательная обработка информации осуществляется на ЭВМ. В данном варианте восприятие и анализ всех импульсов одной пачки происходят в реальном масштабе времени, несмотря на наличие потерь времени, связанных с необходимостью вывода данных на машинный носитель.

Когда многоканальный анализирующий прибор проектируется для измерения только одного параметра, например амплитуды импульсов, то его структура может быть существенно упрощена, если для счета событий в каждом канале предусмотреть счетчик, который одновременно выполняет функции и арифметического, и запоминающего устройств. При этом отпадает необходимость в ОЗУ, адресных регистрах, устройстве управления и т. п. Однако такой упрощенный прибор не дает возможности производить анализ амплитуд пачек импульсов. В этом случае между измерительными селекторами и счетчиками необходимо дополнительно разместить логическую развязку, управляемую схемой частичного анализа пачки.

Погрешность измерений. Количество, ширина и емкость каналов

Необходимый динамический диапазон измерений составляет ориентировочно по амплитудам по длительностям по периодам Здесь — кратности динамического диапазона.

При использовании счетного метода точность измерения прибора определяется в основном погрешностью преобразования. Необходимо отметить, что для исследований

помех не требуется очень высокая точность. Вполне допустима относительная погрешность, достигающая для минимальных измеряемых величин примерно 100 %, а для максимальных - 20 %.

Разрядность цифрового преобразования, соответствующая указанным погрешностям, равна т. е. для отображения значений амплитуд требуется четыре, длительностей — три и периодов — одиннадцать десятичных разрядов. Число разрядов по каждому параметру можно сократить до двух и даже одного, введя в приборы автоматическую электронную коммутацию пределов измерения, но это существенно усложняет схемное исполнение.

Если при использовании многоканального селектирования ширина каналов выбирается пропорциональной измеряемому параметру, то необходимое число каналов зависит от заданной погрешности измерений и способа разбиения динамического диапазона на каналы.

Пусть какой-либо измеряемый параметр, обозначим его а, имеет динамический диапазон и разбит на каналов. Найдем необходимое количество и ширину канала для равномерного и неравномерного разбиения диапазона, когда ширина канала интервала устанавливается пропорциональной значению

Погрешность измерения параметра а обычно состоит из постоянной и пропорциональной частей:

где — коэффициент пропорциональности.

Ширину первого канала при равномерном разбиении можно определить, исходя из очевидного неравенства

откуда

Желательно, чтобы значение не превышало , тогда

Число каналов

где

Если

При неравномерном (пропорциональном) разбиении пределы канала связаны очевидным рекуррентным неравенством

Для больших значений параметра поэтому

откуда легко получить

Так как

откуда

Подсчитанное по (4.1) и (4.2) необходимое количество каналов для упомянутых выше параметров помех при сведено в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Из сравнения следует, что пропорциональный метод разбиения более оптимален для многоканального селектирования.

Емкость каналов должна обеспечивать накопление выборок, являющихся статистически представительными по отношению к генеральной совокупности. Поэтому желательно, чтобы минимальная емкость максимально загруженного канала была не менее 103 или 210, что соответствует трем десятичным или десяти двоичным разрядам.

Элементная база

Основные требования к элементной базе состоят в том, что она должна обеспечивать низкое потребление энергии и достаточное быстродействие. Первое необходимо для осуществления автономного питания, например от малогабаритных аккумуляторных батарей.

Требованию малых габаритов, массы и потребляемой мощности наилучшим образом отвечают большие интегральные схемы (БИС).

Наибольшее быстродействие логических элементов в накопительных счетчиках требуется при реализации .селектирующего многоканального анализатора. В этом случае первые разряды накопительных счетчиков должны быть рассчитаны на максимальную частоту поступления счетных импульсов не менее 25 МГц. Если длительность импульсов измеряется счетным методом без предварительного преобразования масштаба, то для этого могут понадобиться счетчики, рассчитанные на частоту поступления счетных импульсов не менее 250 МГц.

Входное сопротивление

При проведении исследования помех в сети необходимо, чтобы входное сопротивление прибора практически не шунтировало источники импульсных возмущений напряжения.

Так как источники возмущений нагружены на волновое сопротивление сети, составляющее примерно 150 Ом то для выполнения поставленного требования достаточно, чтобы входное сопротивление прибора было примерно на порядок выше.

При проведении измерения наводок от импульсных электрических полей входное сопротивление прибора должно быть возможно более высоким (см. § 3.4).

Помехозащищенность

Требования к помехозащищенности сводятся к тому, что при подаче на замкнутый накоротко вход прибора импульсов с амплитудой относительно корпуса или цепей первичного питания его показания не должны превысить Схемы включения приборов при проверке их помехозащищенности приведены на рис. 4.14, а, б для автономного питания (например, от аккумуляторной батареи)

Рис. 4.14. Схема испытаний приборов на помехозащищенность; в — при автономном питании; — при питании из сети; Пр — прибор; источник импульсных помех (имитатор); — зажим заземления; — сигнальный провод прямой и обратный соответственно; провод питания фазный и нулевой соответственно

и питания из сети переменного тока соответственно. В последнем случае выход имитатора помех подключается одним концом поочередно к входу прибора и обоим питающим проводам, а другим концом — к корпусу прибора.

Примеры конкретных разработок измерителей

Для иллюстрации рассмотрим структурные схемы ряда измерителен импульсных помех, разработанных в СКБ вычислительных машин Вильнюс).

Первый из них, регистратор импульсных помех был разработан в 1968 г. для проведения исследований импульсных помех из сети питания переменного тока [40]. В измерительной части прибора применен счетный метод измерения амплитуды и длительности импульсов. Вывод информации осуществляется на печатающее устройство. Структурная схема регистратора приведена на рис. 4.15. Прибор работает следующим образом. Измеряемый импульс помехи из сети поступает на входное устройство ВУ, которое состоит из фильтра

Рис. 4.15. Структурная схема регистратора импульсных помех РИП-1

верхних частот, подавляющего напряжения промышленной частоты, и делителей, позволяющих изменять кратность динамического диапазона измеряемых амплитуд от 10 до 100 раз. С выхода ВУ через информационный ключ ИК сигнал поступает на схемы измерения амплитуды и длительности. Схема измерения амплитуды содержит амплитудновременной преобразователь и преобразователь аналог — код выходной сигнал преобразуется в импульс, длительность которого пропорциональна амплитуде входного сигнала; являющийся генератором ударного возбуждения, выдает последовательность импульсов, число которых пропорционально длительности сигнала на выходе Импульсы с выхода ПАК] поступают на регистр счетчиков где после окончания счета информация временно запоминается.

Схема измерения длительности содержит времяамплитудный преобразователь ВАП, амплитудно-временной преобразователь и преобразователь аналог — код . Преобразователи аналогичны преобразователям На выходе преобразователя ВАП формируется импулье, амплитуда которого пропорциональна длительности входного импульса. В совокупности ВАП и АВП2 пропорционально расширяют длительность входного импульса. Примененный принцип преобразования не требует большого быстродействия элементов . С выхода ПАК2 импульсы, число которых пропорционально длительности входного сигнала, подсчитываются и запоминаются в регистре счетчиков

Для счета текущего времени прибор снабжен электронными часами ЭЧ, представляющими собой генератор импульсов. Импульсы с ЭЧ также поступают на регистр счетчиков Регистр счетчиков содержит восемь разрядов, из которых три отведены для счета и запоминания информации об амплитуде , три — о длительности и два — о текущем времени t. Каждый разряд представляет собой счетную декаду с дешифратором и индикацией на неоновых лампочках; соединен с цифропечатающей машиной ЦПМ.

Блокировка входа на время измерения и печати и последовательность работы отдельных узлов прибора обеспечиваются следующим образом. В исходном состоянии триггер Т стоит в положении 0 и ключ ИК открыт. Измеряемый сигнал проходит через ИК и ВАП и во время среза устанавливает триггер Т в положение 1. Ключ ИК запирается, и поступление сигналов в прибор прекращается. С выхода триггера высокий потенциал поступает на цепочку из трех элементов задержки . С выхода 3, с задержкой в равной времени измерения и преобразования, выдается сигнал на ЦПМ, разрешающий вывод информации с на печать. С выхода 32 с задержкой в 0,5 с, равной циклу работы ЦПМ, выдается сигнал на сброс триггеров хранящих информацию об амплитуде Umax и длительности т. Сброс триггеров хранящих информацию о текущем времени t, осуществляется

Рис. 4.16. Структурная схема и временная диаграмма работы время-амплитудного преобразователя (ВАП)

вручную кнопкой Сигнал с выхода ставит триггер Т в исходное состояние. Прибор может работать не только в автоматическом режиме, но и в однократном. Для этого тумблер В размыкается и после каждого измерения прибор ставится в исходное положение вручную кнопкой Прибор снабжен встроенным калибратором .

Принцип работы амплитудно-временного преобразователя не отличается от описанного в § 4.2.

Что касается времяамплитудиого преобразователя ВАП, то в нем преобразование длительность — амплитуда реализуется зарядом накопительной емкости от управляемого источника тока в течение времени, равного длительности импульса. Упрощенная структурная схема ВАП и временная диаграмма приведены на рис. 4.16. Временноамплитудный преобразователь содержит усилитель-ограничитель УО, дифференцирующую схему Д и усилители УО и ИУ, формирующие импульсы начало сигнала и конец сигнала по фронту и срезу входного сигнала, триггер, управляемый импульсами начало сигнала и конец сигнала и управляющий ключом К заряда накопительной емкости СИ. При поступлении на единичный вход триггера импульса начало сигнала его единичный выход открывает ключ и начинается заряд емкости от источника Е через зарядное сопротивление

Напряжение на конденсаторе растет по закону

Если постоянная времени RC существенно превышает длительность входного сигнала то амплитуда напряжения прямо пропорциональна длительности входного сигнала:

Технические характеристики

При работе по сбору статистики с помощью выяснились некоторые его недостатки. Значительная часть импульсов помех в сети питания имела длительность менее т. е. меньше разрешающей способности прибора. Малая скорость вывода обусловила большое «мертвое» время. Вывод на печать оказался неудобным при анализе данных, поскольку или обработку надо было выполнять вручную, или переводить все полученные данные на машинные носители для автоматизированной обработки на ЭВМ.

Поэтому в следующей разработке — анализаторе импульсных помех — была предпринята попытка получить интегральные распределения амплитуд и длительностей импульсов непосредственно на индикаторном табло прибора. Одновременно были снижены нижние пределы динамических диапазонов по амплитудам до 0,2 В и по длительностям до 12 не, что позволило применить прибор для исследования импульсных помех в линиях связи ЦТС. Измерительная часть прибора представляет собой десятиканальный селектор. Анализирующая часть состоит из десяти -разрядных двоичных счетчиков (рис. 4.17), выполненных на быстродействующих ИС типа ТТЛ (задержка переключения менее 12 не). Индикация состояния каждого разряда счетчиков осуществляется светодиодами, образующими поле индикаторного табло. Пороговые элементы ПЭ, образующие входные селекторы, выполнены на туннельных диодах. Входы всех десяти ПЭ, уровни срабатывания которых отличаются друг от друга на 0,2 В, подключены к согласованной нагрузке выносного активного щупа, содержащего

Рис. 4.17. Структурная схема анализатора импульсных помех

эмиттерный повторитель ЭП. Выходы ПЭ соединены со счетчиками

Схема управления У обеспечивает синхронную работу анализирующей части прибора и электронных часов ЭЧ. При переполнении счетчика часов или счетчика ПЭ с наименьшим значением порога входы всех счетчиков закрываются и цикл работы прибора заканчивается.

Технические характеристики АИП-1

Основным недостатком прибора является то, что он не приспособлен для анализа амплитуд пачек импульсов. От этого недостатка свободен разработанный в 1978.г. регистратор импульсных помех

Прибор предназначен для измерения значений ряда параметров импульсных сигналов, наведенных импульсными электрическими полями на антенну регистратора. Вместе с тем он может применяться для анализа стационарных и нестационарных последовательностей импульсных помех в информационных линиях связи и в сети питания.

Регистратор измеряет и фиксирует значения следующих параметров пачек импульсов, поступивших на его вход: максимальную амплитуду пачки импульсов, длительность пачки, суммарную длительность импульсов, количество импульсов, время между пачками.

Регистратор представляет собой автоматизированную измерительную систему, в состав которой входят измеритель импульсных сигналов устройство управления перфоратором перфоратор ленточный, комплект приспособлений (пробников, антенн и т. п.)

Результаты измерений выводятся на ленточный перфоратор. Объем выводимой информации об одном процессе — 21 строка. Кроме вывода на перфоленту снабжен индикационным -разрядным

Рис. 4.18. Структурная схема регистратора

цифровым табло. В целях уменьшения потребляемого тока и габаритов на табло индицируется только выбранный по желанию оператора параметр. Питание осуществляется от сети или от аккумуляторной батареи. При автономном питании регистратор работает в однократном режиме измерения без вывода на Печать. При сетевом питании прибор работает как в однократном, так и в автоматическом режимах измерения.

В регистраторе применены селектирующий метод измерения амплитуд сигналов и счетный метод измерения временных параметров.

Структурная схема регистратора приведена на рис. 4.18. Наведенный в антенне А сигнал поступает через емкостный делитель на истоковый повторитель ИП, обладающий большим входным сопротивлением. Эмиттерный повторитель ЭП служит для согласования выходного сопротивления ИП с волновым сопротивлением коаксиального кабеля, связывающего выносной пробник с измерителем ИР-1. С ЭП сигнал попадает на регистр из десяти пороговых элементов ПЭ. После селекции элементами ПЭ сигнал подается на регистр из десяти ключей запирающих измерительные цепи регистратора на время анализа и вывода результатов измерения на перфоратор П. Ключи управляются схемой управления У. Пройдя ключи, информация запоминается на регистре из десяти быстродействующих триггеров РТ — по одному на каждый канал селекции. В исходное состояние РТ устанавливается схемой У. Позиционная информация с РТ переводится в двоично-десятичный код шифратором при этом учитывается состояние только старшего разряда из совокупности триггеров, изменивших свое состояние. С младшего разряда регистра ключей импульсы подаются также на счетчик импульсов и схему измерения суммарной длительности импульсов в пачке . Последняя

представляет собой преобразователь аналог-код, работающий по принципу заполнения суммарного временного интервала счетными импульсами.

Счетные импульсы подаются от высокочастотного генератора Сигналы генератора применяются также для измерения длительности пачки. Счетчик предназначен для подсчета количества импульсов заполнения при измерении суммарной длительности импульсов в пачке. Счетчик подсчитывает количество импульсов заполнения при измерении длительности пачки. Счет начинается, когда открывается ключ управляемый схемой У. Низкочастотный генератор и делитель частоты предназначены для получения последовательности импульсов с частотой 1 Гц, которые подсчитываются счетчиком часов Для вывода информации с шифратора счетчиков Счтп и на ленточный перфоратор служит коммутатор управляемый схемой управления ленточным перфоратором УЛП. Последняя управляется схемой управления У и сигналами с перфоратора П. Визуальную индикацию результатов измерения обеспечивают коммутатор КЗ, схема управления коммутатором индикации УИ, дешифраторы ДИ и цифровые семисегментные полупроводниковые индикаторы И. Питание регистратора от сети производится через сетевой фильтр Ф. Источники питания обеспечивают необходимым питанием схемы регистратора.

В регистраторе приняты все возможные меры по повышению собственной помехозащищенности путем фильтрации сетевого напряжения, качественного экранирования корпусов и кабелей, корректного соединения корпуса с общей шиной источника питания.

Технические характеристики