Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Требования к маломощным измерительным генераторам заданной электрической мощности и обзор известных технических средств,с помощью которых они могут быть реализованы
1.1 Области использования ИГЗМ 12
1.2 Требования к ИГЗМ 19
1.3 Принципы и подходы, используемые при реализации генераторов заданной электрической мощности
1.4 Основные технические параметры известных технических решений
Выводы и постановка задач исследования 29
Глава 2. Исследование аналоговых измерительных генераторов заданной электрической мощности
2.1 Анализ технических возможностей некоторых структур аналоговых генераторов заданной электрической мощности
2.2 Элементы и узлы измерительных генераторов заданной электрической мощности
2.3 Моделирование функциональных узлов измерительных генераторов заданной электрической мощности
2.4 Погрешности аналоговых генераторов заданной электрической мощности
Выводы по главе 64
Глава 3. Исследование цифровых измерительных генераторов заданной электрической мощности
3.1 Математические модели цифровых измерительных генераторов заданной электрической мощности
3.2 Описание предложенной структуры измерительного генератора заданной электрической мощности
3.3 Анализ влияния параметров однокристальных микро-ЭВМ на технические характеристики ИГЗМ
3.4 Анализ погрешностей функциональных узлов цифровых ИГЗМ 82
3.4.1. Аналого-цифровое преобразование 82
3.4.2. Цифро-аналоговое преобразование 85
3.5. Погрешность преобразования цифрового ИГЗМ 87
Выводы по главе 90
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования. Описание выполненной конструкции измерительного генератора заданной мощности 92
4.1 Описание выполненной конструкции 92
4.2 Влияние величины и характера сопротивления нагрузки на метрологические характеристики разработанного генератора
4.3 Особенности организации и технические возможности структур ИГЗМ, работающих в ИИС с программным управлением через платы сбора данных ПК
4.4 Методика инженерного проектирования маломощных ИГЗМ с делительными устройствами
Выводы по главе 114
Заключение 117
Список литературы
- Принципы и подходы, используемые при реализации генераторов заданной электрической мощности
- Элементы и узлы измерительных генераторов заданной электрической мощности
- Описание предложенной структуры измерительного генератора заданной электрической мощности
- Влияние величины и характера сопротивления нагрузки на метрологические характеристики разработанного генератора
Введение к работе
Актуальность. В различных технологических системах и при управлении технологическими процессами требуется получение объективной, воспроизводимой при повторных измерениях информации об электрических параметрах исследуемых объектов. Одной из задач в подобных системах, используемых в медицине, биологии, ботанике, электрохимии, является измерение электрического сопротивления или проводимости. Определение этих параметров имеет большое значение при исследовании теплозависимых нелинейных компонентов, исследования состояния жидких сред, биологических объектов и т.п. При измерении данных параметров невозможно обойтись без воздействия на исследуемый объект электрической энергией. Как правило, измерения проводятся в режиме заданного тока или падения напряжения. Но при этом не принимается во внимание то, что количество энергии, которое рассеивается в объекте в форме джоулевой теплоты, зависит от параметров самого объекта, то есть игнорируется теплозависимость и энергозависимость объекта. Таким образом, измерительные преобразователи, работающие в различных режимах, покажут разные значения измеряемого параметра для одного и того же объекта. Возникающая неопределенность энергетического режима измерения осложняет задачу получения высоких метрологических характеристик измерительных преобразователей и воспроизводимости измерений. При создании оборудования для технологических и медицинских установок (гальванообработка, электрофорез и пр.) также необходима определенность энергетического режима. Поэтому, для получения результатов, воспроизводимых при повторных измерениях, необходимо, чтобы объект находился при определенной температуре, и в нем рассеивалось постоянное значение электрической мощности.
Многолетние исследования, проводимые на кафедре информационно-измерительной техники УГАТУ под руководством доктора технических наук
В.Г. Гусева, позволили установить, что при построении устройств, предназначенных для измерения параметров теплозависимых компонентов, целесообразно применять измерительные цепи, обеспечивающие неизменное значение мощности, рассеиваемой в объекте измерений, независимо от его электрического сопротивления. Такой подход обеспечивает определенность термодинамического состояния и неизменность теплового возмущения вносимого в объект измерения. Электронные устройства, которые обеспечивают неизменное значение электрической мощности, рассеиваемой в произвольном сопротивлении нагрузки, подключенной к их выходу, с погрешностью, не превышающей заданное значение, называют измерительными генераторами заданной мощности (ИГЗМ). В опубликованных работах рассмотрены общие принципы построения ИГЗМ и некоторые эскизные структуры аналоговых и цифровых генераторов. Их авторами проведены первые экспериментальные исследования. Однако разработанные ранее структуры не в полной мере удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям: в медицине при исследовании кожного покрова пациентов необходимы ИГЗМ, работающие в динамическом диапазоне сопротивлений нагрузки 10, имеющиеся схемы генераторов рассчитаны на работу в узком динамическом диапазоне 3. Схемы существующих цифровых ИГЗМ имеют низкую надежность и сравнительно большое время установления значения мощности, неудовлетворительную погрешность поддержания заданной мощности: при скорости изменения сопротивления нагрузки 500 кОм/с (для медицинских применений при основной погрешности 1,8-2,8 % динамическая погрешность превышает основную в несколько раз). Не изучено влияние характера реактивной составляющей сопротивления нагрузки на режим работы генераторов, что не позволяет точно определить области их применения. Отсутствуют данные об устойчивости аналоговых структур ИГЗМ и требования к параметрам функциональных узлов, входящих в их состав, которые необходимо соблюдать для ее обеспечения. Вопросы построения усилителей
7 мощности достаточно изучены, поэтому необходимо исследование ИГЗМ, в которых значение мощности получается только с использованием компонентов интегральной электроники (для сопротивлений до 1 МОм это значение не превышает 2 мВт).
Таким образом, необходимо дальнейшее развитие теории ИГЗМ и изучение технических возможностей уже имеющихся и разработка новых улучшенных структур генераторов данного типа, проведение экспериментальных исследований, позволяющих установить технические характеристики конкретных решений, создание научной базы для проектирования подобных генераторов. Решение этих научно-технических задач позволит разработать универсальные микроэлектронные функциональные узлы ИГЗМ, которые позволят улучшить достоверность и воспроизводимость получаемой информации о параметрах теплозависимых объектов, что обеспечит качественное изменение уровня знаний о закономерностях их функционирования.
Актуальность поставленных и решаемых задач, подтверждается включением в тематику НИР по темам: 1. "Измерительные генераторы заданной мгновенной электрической мощности" (грант Минобразования РФ 2002 г.); 2. "Создание информационной системы нового типа для оперативного получения информации о психофизиологическом состоянии военнослужащих и операторов ответственных установок" (программа сотрудничества Минобразования и Минобороны РФ 2002-2003 гг.) выполненных на кафедре ИИТ при участии автора.
Цель работы: развитие теории измерительных генераторов заданной электрической мощности, создание новых структур, обеспечивающих улучшенные технические характеристики, исследование технических возможностей и путей их достижения.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи: 1. Уточнены основные требования, предъявляемые к ИГЗМ. Разработана классификация генераторов заданной мощности и выявлены принципы их
8 построения. Исследованы функциональные узлы ИГЗМ для определения их основных характеристик и технических возможностей при их использовании в различных структурах ИГЗМ.
Выявлены факторы, препятствующие удовлетворению предъявляемым к ИГЗМ требований по точности обеспечения заданной мощности и диапазону рабочих сопротивлений нагрузки. Созданы структуры ИГЗМ, удовлетворяющие указанным требованиям.
Разработаны математические модели, позволяющие определить основные технические характеристики ИГЗМ, с их помощью установлены пути улучшения точности и быстродействия ИГЗМ, создана методика проектирования генераторов заданной электрической мощности.
Исследованы вопросы устойчивости работы ИГЗМ с аналоговыми перемножителями и делителями, разработаны рекомендации по применению различных вариантов схем ИГЗМ в зависимости от области применения, выявлены требования к функциональным узлам, входящим в состав ИГЗМ, выполнение которых обеспечит устойчивую работу устройств.
Проведены экспериментальные исследования ИГЗМ с целью определения его метрологических характеристик и способов их улучшения, оценено влияние нагрузок различного типа (активной и комплексной составляющей) на характеристики ИГЗМ с целью выявления ограничений на максимальные значения реактивной составляющей сопротивления нагрузки аналоговых ИГЗМ.
Во введении обоснована актуальность выполненной научной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научные результаты, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность.
В первой главе дан обзор принципов и технических приемов, используемых при создании ИГЗМ, проанализированы недостатки и преимущества различных технических решений. Показаны области использования ИГЗМ и сформулированы основные требования, предъявляемые
9 к ним. Сформулированы основные задачи исследования.
Вторая глава посвящена анализу структур аналоговых ИГЗМ и изучению их технических возможностей. Разработаны рекомендации по применению отдельных структур ИГЗМ в зависимости от диапазона изменения сопротивлений нагрузки. Исследованы технические возможности функциональных узлов ИГЗМ. Выявлено, что имеющиеся совмещенные управляемые источники напряжения и преобразователи ток-напряжение (УИН-ПТН) не в полной мере удовлетворяют требованиям, изложенным в главе 1. Сформулированы рекомендации по улучшению характеристик совмещенных управляемых источников напряжения и преобразователей ток-напряжение (УИН-ПТН), разработана оригинальная схема УИН-ПТН, удовлетворяющая упомянутым требованиям. Проведено компьютерное и макетное моделирование отдельных функциональных узлов ИГЗМ, получены количественные оценки влияния на их характеристику преобразования значения сопротивления и тока нагрузки. Получены количественные оценки влияния на характеристику преобразования погрешностей электронных элементов. Даны рекомендации по уменьшению погрешности характеристики преобразования отдельных функциональных узлов и генератора в целом.
В третьей главе рассматриваются цифровые генераторы электрической заданной мощности. Приводятся математические модели данных генераторов. Описаны оригинальные структурные схемы ИГЗМ на основе ОМЭВМ со встроенными ЦАП и АЦП, позволяющие создать высокоточные и достаточно быстродействующие (с рабочей полосой частот до 30 кГц) генераторы с минимальным числом компонентов, не требующие сложной настройки. Предложены возможные алгоритмы их работы и способы повышения быстродействия и увеличения выходной мощности. Рассматриваются их технические возможности и метрологические характеристики. Выявлено, что погрешность цифровых ИГЗМ на основе ОМЭВМ с встроенными ЦАП и АЦП
10 не превышает 0,1-1,9% в зависимости от типа и числа разрядов ЦАП и АЦП, типа процессора микроконтроллера и его тактовой частоты.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований разработанного ИГЗМ, подтверждающие правильность теоретических выводов и допущений, принятых при разработке математической модели и анализе характеристики преобразования ИГЗМ. Предложена инженерная методика проектирования измерительных генераторов мощности. Описаны особенности организации и технические возможности структур ИГЗМ, работающих в ИИС с программным управлением через платы сбора данных ПК. Впервые исследовано влияние нагрузок различного характера (индуктивных, емкостных) на работу ИГЗМ. Исследованы переходные процессы установления заданной мощности на сопротивлении нагрузки и предложены способы их нормирования. Разработана методика инженерного проектирования измерительных генераторов заданной мощности с делительными устройствами. Выявлены ограничения, которые накладывает на ГЗМ работа в подобных устройствах под управлением программ, выполняющихся в многозадачных операционных системах.
Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в следующем:
исследованы ИГЗМ, предназначенные для работы в составе измерительных цепей малой мощности;
разработаны математические модели цифровых генераторов заданной мощности и исследованы их основные характеристики;
исследовано влияние погрешности преобразования различных функциональных узлов на характеристику преобразования прибора в целом;
- исследованы технические возможности различных структур ИГЗМ.
Практическая ценность работы.
Разработаны оригинальные структурные схемы цифрового и аналогового ИГЗМ.
Исследованы существующие схемы совмещенных УИН-ПТН, предложены рекомендации по их улучшению. Разработана оригинальная принципиальная схема совмещенного преобразователя ток-напряжение и управляемого источника напряжения.
Разработана принципиальная схема аналогового многодиапазонного ИГЗМ с управлением через плату сбора данных компьютера.
На основе проведенных исследований создан аналоговый ИГЗМ, удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к генераторам заданной мощности.
Предложена методика инженерного проектирования ИГЗМ
В заключении приводятся основные положения, выносимые на защиту, и выводы по работе.
Общий объем диссертационной работы составляет 141 лист машинописного текста. Работа содержит 35 иллюстраций, 15 таблиц и 3 приложения. Список литературы содержит 75 единиц наименований.
На защиту выносятся:
Структурные схемы аналоговых и цифровых измерительных генераторов заданной мощности.
Математические модели генераторов заданной мощности, учитывающие влияние параметров однокристальных микроЭВМ на технические характеристики ИГЗМ.
Результаты исследования характеристик преобразования ИГЗМ, полученных с помощью разработанных математических моделей и компьютерного моделирования.
Методика инженерного проектирования приборов данного типа.
Принципы и подходы, используемые при реализации генераторов заданной электрической мощности
Так как сведений о поведении кривых, характеризуемых уравнениями (1.1.4), (1.1.5), в литературе нет, и в однозначном виде их получение вряд ли возможно, будем ориентироваться на сведения, известные из поляриметрии или вольтамперометрии. Полярограмма раствора (при отрицательном напряжении на измерительном электроде с малой площадью поверхности, роль которого выполняют капли ртути) имеет вид [14], приведенный на (рис. 1.1.2,а). Эта кривая, перестроенная в координатах Р и /, приведена на (рис. 1.1.2,6). Из кривой (рис. 1.1.5,6) видно, что в определенных пределах приэлектродная мощность остается почти постоянной при изменениях электрического тока. Измерительная цепь вместе с объектом оказывается кусочно-линейной. Поэтому при небольших колебаниях электрического тока / при постоянной электрической мощности, приложенной к измерительному объекту, небольшие изменения сопротивления Яж должны давать стабильные и хорошо воспроизводимые результаты. При больших изменениях сопротивления жидкости 7?ж градуировочная характеристика будет кусочно-линейной, но воспроизводимой при многократных измерениях. Если ориентироваться на значения токов и напряжений, используемых при полярографии (напряжения до 2-2,2 В, электрический ток максимальный порядка 10 мкА), то максимальная мощность, при которой градуировочная характеристика кусочно-линейная, будет наблюдаться при мощности, существенно не превышающей Ртах 2-№ 5 Вт. Таким образом, режим заданной электрической мощности, которая увеличивается от минимального значения до Ртах, может достаточно эффективно использоваться для проведения вольтамперометрических измерений. При этом характерные участки вольтамперограммы должны быть выражены более четко и лучше воспроизводимы, чем при использовании других методов вольтамперометрии (разверток приложенного напряжения или тока).
Если приложенное электрическое напряжение больше 2,2 В, то обычно начинается восстановление ионов фонового электролита, и полярографическая кривая изменений тока и напряжения в дальнейшем уже не наблюдается. В этом случае, мощность, рассеиваемая на приэлектродном слое, будет изменяться нелинейно. Чем больше электрическое сопротивление жидкости, тем меньше электрический ток в цепи и меньше та часть электрической мощности, которая рассеивается на приэлектродных участках. Пока преждевременно делать какие-либо выводы об этих зависимостях. Но можно с определенностью сказать, что при использовании ИГЗМ будет наблюдаться определенность с энергетическим режимом взаимодействия объекта измерений и измерительной цепи. Если между электродами будет малое расстояние, то почти вся приложенная электрическая мощность будет рассеиваться в приэлектродных слоях. Поэтому, если в станках для электрохимической обработки металлов использовать генератор заданной мощности, то качество процесса электрорастворения должно быть существенно лучше, чем при использовании других электрических режимов. Соответственно, существенно более простым будет управление режимом поддержания межэлектродного промежутка у соответствующих станков. Для точного измерения электропроводности жидкостей можно построить измерительную цепь, в которой будет уменьшено влияние приэлектродных участков и неопределенности термодинамического состояния. Структура ее показана на рис. 1.1.3.
Особенностью ИГЗМ является то, что информация о падении напряжения на измеряемом участке снимается с дополнительных потенциальных электродов 3, расположенных в измерительной ячейке рядом с токовыми электродами 2.
При таком техническом решении ИГЗМ 1 развивает такую мощность, при которой на участке между потенциальными электродами рассеивается заданное значение электрической мощности. Его значение не зависит от приэлектродных процессов вблизи токовых электродов 2. Значение падения напряжения на участке жидкости, на котором рассеивается заданная мощность, в делительном устройстве 5 делится на напряжение, пропорциональное току в цепи. Для его получения в состав цепи введен преобразователь ток-напряжение.
Элементы и узлы измерительных генераторов заданной электрической мощности
Основными наиболее важными параметрами ГЗМ являются: - мощность воздействия; - погрешность обеспечения заданной мощности; - быстродействие.
Мощность воздействия одинакова для генераторов на основе как цифровых, так и аналоговых микросхем, так как данные структуры отличаются в основном, блоками, осуществляющими деление (умножение) электрических сигналов, а воздействие во всех случаях осуществляется с помощью аналоговых УИН или УИТ.
Максимальная мощность Р в случае использования УИН зависит от значения напряжения на его выходе wBblx и сопротивления нагрузки RH. Использование в УИН только интегральных компонентов, например ОУ 1408УД1 [45] позволяет получить ивьк=±22 В при напряжении питания ±27 В. Составим таблицу получаемых мощностей для различных сопротивлений нагрузки. С учетом применения нагрузки, не соединяемой с общей шиной, и использования инверторов напряжения на основе операционных усилителей мощность воздействия Р4х будет больше в четыре раза, а ток нагрузки ін2 -соответственно в два раза больше.
Как видно из таблицы 1.4.1 максимальная мощность, которая может быть получена для RH=\0 кОм, Р4х= 193,6 мВт; Ян=100 кОм, Р4х= 19,36 мВт; RH=500 кОм, Р4 =3,872 мВт; RH=l МОм, / =1,936 мВт. При этом рабочие токи нагрузки могут изменяться от минимального /=0,022 мА, до максимального /„2=4,4 мА при минимальном сопротивлении нагрузки Лн=10кОм.
Но нельзя не отметить, что получая максимальную мощность в нагрузке приходится жертвовать быстродействием генератора в целом, так как скорость нарастания выходного сигнала SR и частота единичного /у усиления у ОУ данного типа малы (2 В/мкс и 0,8 МГц соответственно). Таким образом, мощные ГЗМ не будут являться быстродействующими. Для получения более быстродействующих систем необходимо пользоваться УИН на базе быстродействующих ОУ, у которых амплитуда выходного напряжения не превышает ±15 В. Системы ГЗМ на основе цифровых микросхем будут обладать заведомо меньшим быстродействием, в виду того, что в структурах ЦАП и АЦП с разрядностью 12 и более бит на преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую и обратно будет уходить не менее нескольких сотен наносекунд и это без учета возможной обработки сигнала в цифровой форме (фильтрация, корректировка характеристик преобразования и т.д.). Но цифровые ГЗМ обладают большей устойчивостью по сравнению с аналоговыми из-за того, что в них возможность попадания без преобразования сигнала пропорционального входному параметру (току или падению напряжения на нагрузке) в результате цифровой обработки практически отсутствует.
Погрешность обеспечения заданной мощности зависит в каждом отдельном случае от значений рабочего диапазона сопротивлений нагрузки RH и мощности Р. Ориентировочные данные, которые позволяют оценить погрешности аналоговых и цифровых ИГЗМ приводятся в работе [18]. Так для аналоговых ГЗМ называется значение основной погрешности ±10% для токов нагрузки /н=1-5 мА и 1,8-2,4% для цифровых структур с делителем на ЦАП.
Для генераторов с множительным устройством соответственно 1,9-2,8% в зависимости от ЦАП, АЦП и разрядности шины данных. Как представляется на данном этапе исследования возможно создание более точных аналоговых ИГЗМ. ГЗМ с пределом основной погрешности не хуже ±5% в более широком диапазоне токов нагрузки и минимальным набором компонентов на базе аналоговых делителей сигналов можно реализовать на основе новых технических решений и последних достижений микроэлектроники (например, погрешность ИС делителя AD734 (Analog Devices, США,) не превышает 1% при работе с напряжениями 0,1-10 В).
1. Возможно существенное улучшение достоверности и воспроизводимости информации о параметрах сложных нелинейных и теплозависимых объектов (например, в медицине, гальванообработке и др.) путем создания измерительных цепей, обеспечивающих получение заданного значения электрической мощности, рассеиваемой на объекте при любом значении его параметров.
2. Структуры и свойства ИГЗМ изучены недостаточно, что затрудняет создание эффективных преобразовательных устройств. Отсутствуют данные о: - технических возможностях отдельных структур ИГЗМ и путях их реализации; - влиянии характера сопротивления нагрузки на режим работы ИГЗМ; - устойчивости аналоговых ИГЗМ и требованиях по ее обеспечению. 3. Имеющиеся структуры ИГЗМ не в полной мере удовлетворяют предъявляемым требованиям, в частности по динамическому диапазону изменения сопротивления нагрузки (аналоговые) и по быстродействию (цифровые).
Анализ и систематизация известных способов и методов, которые можно применить при проектировании и создании ИГЗМ, позволили сформулировать задачи исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.
Описание предложенной структуры измерительного генератора заданной электрической мощности
После того, как ток в первичном преобразователе ПТН преобразуется в напряжение, необходимо осуществить преобразование аналоговых сигналов в цифровой код, необходимый для дальнейшей обработки сигналов процессором ОМЭВМ в цифровой форме. Такое преобразование можно охарактеризовать уравнением: uBV . и вх дг = int вх -г т max АЦП . я . где int - функция целой части числа; /Ацп - максимальное входное напряжение АЦП; Nmax - код, определяемый числом разрядов АЦП; q=Nmax/UAuyi - шаг ступени квантования АЦП.
В результате указанного преобразования, вследствие квантования входной величины во времени (динамическая погрешность) и по уровню, появляется погрешность преобразования. Динамическая погрешность возникает при преобразовании сигналов, меняющихся во времени, и характеризуется частотой квантования, временем преобразования, а также апертурной погрешностью. Погрешность, появляющуюся в результате квантования по уровню, можно разделить на две составляющие: погрешность цифрового отсчета, обусловленную конечным числом разрядов преобразователя, - 8(q) и инструментальную погрешность преобразователя - S(U). Тогда уравнение (3.4.1.1) можно переписать в виде:
Инструментальная погрешность S(U) определяется неидеальностью элементов аналого-цифрового преобразователя и определяется следующими составляющими: смещением характеристик преобразования от начала шкалы (напряжение смещения нуля), погрешностью преобразования в конечной точке шкалы преобразования (отклонение коэффициента преобразования от номинального значения), а также нелинейностью и дифференциальной нелинейностью.
Под динамической погрешностью АЦП - S(tJ понимают разность между фиксированным на выходе АЦП значением выходной величины Л"вых(1г J iVBblx и ее истинным значением XftJ в рассматриваемый момент времени t„ без учета статических погрешностей и погрешности дискретизации b(q).
Различают следующие два вида динамической погрешности АЦП [9]: 1. Динамическую погрешность, обусловленную инерционностью отдельных узлов АЦП и определяемую величиной и длительностью переходных процессов, происходящих в АЦП. 2. Динамическую погрешность, обусловленную изменением входного сигнала за время преобразования Г (см. формулу 3.3.3.4).
Так как во многих случаях за время преобразования Т происходит изменение входной величины UBX, возникает динамическая погрешность, которая оценивается скоростью изменения входного сигнала за время преобразования и определяется выражением: S(tn) T- -. (3.4.1.3)
С учетом областей применения ГЗМ, перечисленных в главе 1 можно считать, что скорость изменения сопротивления нагрузки не превысит значения 500 кОм/с. Данные по динамической погрешности встроенных АЦП рассмотренных ранее ОМЭВМ рассчитанные для мощности генератора 0,01 мВт и диапазона сопротивлений нагрузки от 10 до 1000 кОм сведены в таблицу 3.5.1.
Так как напряжение, поступающее на вход АЦП пропорционально току в нагрузке, то максимальное изменение этого напряжения для одного значения заданной мощности будет происходить в районе минимального сопротивления нагрузки. При расчете максимальное входное напряжение АЦП принималось равным 2,5 В и исходя из этого был выбран коэффициент преобразования ПТН чтгн=70000 В/А. Как видно из формулы большие значения динамической погрешности получаются при возрастании времени преобразования Т.
В общем случае полную погрешность АЦП можно представить как алгебраическую сумму всех составляющих: АЦП.= )+ ) + 4). (3-4.1.4) или un=V ) + ) + (0- (3-4.1.5)
Оценка погрешности АЦП максимальным значением используется тогда, когда необходимо знать значение каждого измерения с заданной точностью, что требуется при измерениях постоянных или медленно меняющихся напряжений в ИИС. Оценка погрешности АЦП среднеквадратичным значением используется в том случае, когда необходимо знать ошибку, вносимую АЦП в многоканальные ИИС, или ошибку преобразования широкополосных входных сигналов. Данные, полученные из уравнений (3.4.1.3) и (3.4.1.4) для различных АЦП, представлены в таблице 3.5.1. Из данных таблицы можно сделать следующие выводы: - динамическая погрешность обеспечения заданной мощности составляет приблизительно 30% от общей погрешности ИГЗМ или более; - на погрешность обеспечения мощности ИГЗМ основное влияние оказывает разрядность ЦАП и АЦП, а не разрядность процессора.
Влияние величины и характера сопротивления нагрузки на метрологические характеристики разработанного генератора
Разработанная система измерения параметров локальных зон кожного покрова включает в себя: - Электроды с разными площадями поверхности, выполненные из одинакового материала. Один имеет большую площадь (индифферентный). Другой - маленькую (активный). Большая площадь необходима для получения усреднённого электродного потенциала между электродом и кожным покровом, имеющим разные потенциалы в каждой малой зоне. С помощью электрода с малой площадью поверхности определяется потенциал локальной зоны относительно среднего потенциала кожного покрова. - основной внешний блок измерения; - плата сбора данных ЛА-4; - программный комплекс.
Для измерения параметров предусмотрено два цикла: первый, в котором происходит процесс поиска биологически активной точки и непосредственно цикл измерения. Активизация цикла измерения возможна двумя способами: с клавиатуры ПК и нажатием на микропереключатель в активном электроде.
Любой из циклов может включать в себя комбинацию из следующих режимов: 1. измерение напряжения холостого хода между электродами; 2. измерение тока короткого замыкания между электродами; 3. воздействие на сопротивление между электродами заданной электрической мощностью.
Длительность режимов и порядок их следования задаются с помощью программного комплекса, более подробно он описан в приложении 2. Идеология работы данной ИИС непосредственно не относится к теме данной работы, и её описание приводить мы не будем (с ним можно будет ознакомиться в одном из первых номеров журнала «Медицинская техника» за 2004 год).
Работа ИИС, в состав которой входит ИГЗМ под управлением программы выполняющейся в многозадачной операционной системе накладывает ограничение на минимальное время воздействия импульса заданной мощности. При вычислениях реального времени осуществляется считывание количества тактов процессора. Так как время выполнения одного такта зависит от частоты процессора (для 100 МГц « 10 не), то с учетом выполнения некоторого программного кода для расчетов и того факта, что программа выполняется под многозадачной системой, минимальный временной интервал для процессоров с частотой порядка 200-300 МГц будет 0,5 - 1 мс. Таким образом, необходимо включать блок задания точных временных интервалов как один из внешних блоков на плате ИГЗМ и программировать режим его работы через цифровой порт, либо использовать встроенные во многие платы сбора данных таймеры.
Методика инженерного проектирования маломощных генераторов заданной электрической мощности с делительными устройствами
Необходимо отметить, что методика расчета ГЗМ, которая приведена в работе [33] не в полной мере обладает той универсальностью о которой заявлено и достаточно сложна для практического применения. В ходе разработки и расчета экспериментальных генераторов с делительными устройствами автором, а также руководстве студентами при выполнении квалификационных работ с применением ИГЗМ на кафедре ИИТ появилась необходимость в создании более простой методики расчета и проектирования, которую можно предложить для использования специалистам и студентам. Данная методика рассчитана как на проектирование генераторов заданной средней, так и мгновенной мощности, и не в какой мере не претендует на универсальность. Предполагается, что структурная схема ГЗМ содержит аналоговое делительное устройство, УИН, ПТН, блок опорного напряжения задатчика мощности, а также опционально блок формирования временных интервалов для генераторов с мгновенной заданной мощностью. Подобная структурная схема несмотря на то, что в ней уже заданы почти все блоки позволяет разработчику, за счет грамотного выбора функциональных узлов, получить быстродействующий ГЗМ с погрешностью 2-10% (в зависимости от диапазона сопротивлений нагрузки, чем он больше, тем выше погрешность). Исходными данными для расчета генератора являются: 1. диапазон изменения сопротивления нагрузки. 2. значение заданной мощности, рассеиваемой в нагрузке. 3. значение основной погрешности, обеспечения заданной мощности. 4. тип подключения нагрузки генератора относительно общей шины (последовательно или симметрично).
Прежде чем перейти непосредственно к расчету необходимо отметить, что область применения генератора накладывает определенные ограничения на тип подключения нагрузки (например, для таких областей как гальванообработка, или там, где присутствуют сильные электромагнитные помехи нежелательно подключение нагрузки симметрично относительно общей шины, хотя это и позволяет увеличить мощность воздействия (за счет применения инверторов напряжения в четыре раза)).
