Л и т е р а т у р а
1. ГОСТ Р 54500.3—2011. Руководство ИСО/МЭК 98-3:
2008. Неопределенность измерения. Ч. 3. Руководство по выражению неопределенности измерений.
2. ГОСТ Р 54500.1—2011. Руководство ИСО/МЭК 98-1:
2009. Неопределенность измерения. Ч. 1. Введение в руководство по выражению неопределенности измерения.
3. ГОСТ Р 54500.3.1—2011. Руководство ИСО/МЭК 98-3: 2008 / Дополнение 1:2008. Неопределенность измерения. Ч. 3. Руководство по выражению неопределенности измерений. Дополнение 1. Трансформирование распределений с использованием метода Монте-Карло.
4. ГОСТ Р 54500.3.2—2013. Руководство ИСО/МЭК 98-3: 2008 / Дополнение 2:2011. Неопределенность измерения. Ч. 3. Руководство по выражению неопределенности измерений. Дополнение 2. Обобщение на случай произвольного числа выходных величин.
5. РМГ 29—2013. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.
6. Вёгер В. Информация об измеряемой величине как основа формирования функции плотности вероятности // Измерительная техника. 2003. № 9. С. 3—8.
7. Lira I., Woger W. Comparison between the conventional and Bayesian approaches to evaluate measurement data // Metrología. 2006. V. 43. P. 249—259.
8. ГОСТ Р 8.736—2011. ГСИ. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения.
9. Stepanov A., Burmistrova N., Chunovkina A. Calculation of coverage intervals: Some study cases // Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing: Proc. conf., 2014. St. Peterburg, 2015. P. 132—139.
Дата принятия 17.02.2015 г.
681.3.08
Минимизация погрешности аналогового тракта системы сбора геофизических данных
М. Н. КУЛИГИН
Муромский институт Владимирского государственного университета
им. Столетовых, Муром, Россия, e-maihkaf-eivt@yandex.ru
Показана возможность исключения из обработки результатов измерений погрешностей, связанных с нестабильностью смещения нуля (температурным дрейфом) и разбросом коэффициента передачи в аналоговых трактах систем сбора данных, реализованных на базе микроконтроллера.
Ключевые слова: микроконтроллер, цифровой эквивалент, нестабильность смещения нуля, аналоговый тракт.
The possibility of exception from processing of results of measurements of errors coupled with instability of the zero shift (the temperature drift) and with the spread of transfer factor in analog tract of microcontroller based data collection systems is shown.
Key words: microcontroller, digital equivalent, zero shift instability, analog tract.
Разработка эффективных и надежных систем сбора и обработки геофизической информации очень важна. Современная цифровая система регистрации и обработки геомагнитных сигналов представляет сложный программно-аппаратный комплекс устройств [1]. При выборе рабочего диапазона частот 0,002—3 Гц аппаратуры для исследовательских целей необходимо учитывать неравномерность амплитудного спектра измеряемого входного сигнала, достигающую 40—50 дБ, и его ширину, т. е. частотный диапазон для отдельных видов геомагнитных пульсаций Земли [2].
Проанализировав параметры исследуемых геомагнитных полей и условия проведения геофизических экспериментов, можно сформулировать общие требования, предъявляемые к аппаратной части системы сбора и обработки геомагнитных сигналов [3—5]:
при синхронной регистрации компонентов поля все измерительные каналы должны быть идентичны по параметрам, а их передаточные характеристики стабильны в течение длительного периода работы;
необходимо принять меры для защиты от возможных помех при измерениях, так как сигнал помехи, как правило, многократно превышает полезный, и обеспечить стабильность амплитудно-частотных характеристик измерительных трактов регистрации геомагнитного поля, а также минимальное время переходных процессов при воздействии внешних импульсных возмущений, перегружающих измерительные тракты;
согласовать динамический диапазон геомагнитных пульсаций во всем диапазоне частот с параметрами измерительных трактов и регистрирующей микропроцессорной системы.
Выполнение перечисленных условий достигается при выборе соответствующей конструкции датчиков и современной элементной базы. Микропроцессорные системы сбора и обработки информации, поступающей с различного рода датчиков, включают тракты усиления и фильтрации аналоговых сигналов. Практическая реализация измерительных усилителей и фильтров диапазона сверхнизких частот представляет определенную сложность. Активных фильтров в интегральном исполнении для рассматриваемого диапазона частот выявить не удалось.
Теория активных фильтров к настоящему времени является завершенной, а проблемы реализации сводятся к технической задаче построения постоянной времени фильтра [6]. Разработка фильтров диапазона сверхнизких частот определена рядом требований со стороны чувствительности аппаратуры, а также достижения стабильности постоянной времени фильтра, которая определяется номиналами резисторов и конденсаторов его фильтрующих цепей [4]. Кроме того, необходимо осуществить постоянство передач всех узлов тракта с необходимой метрологической точностью и гарантировать стабильность постоянной времени с заданной точностью.
Для обеспечения высокого качества работы активных фильтров в схемах следует использовать резисторы с допуском не более ± 1% и конденсаторы с допуском не более ± 2 % [6]. При разработке многодиапазонных фильтров уль-
транизких частот с сопряженными границами задача реализации постоянной времени в 100 с и более трудновыполнима на практике, так как требуются неэлектролитические конденсаторы и резисторы больших номиналов [7]. Применение конденсаторов емкостью 5—20 мкФ связано с увеличением габаритных размеров и собственной утечки конденсатора, а резисторы больших номиналов (1—10 МОм) обладают значительным температурным дрейфом. Теоретическое обоснование нового подхода к решению вопроса о сопряжении границ многодиапазонных фильтров с учетом специфики ультранизкочастотного диапазона изложено в [4, 8].
На рис. 1 показана функциональная схема микропроцессорной системы, разработанная с учетом реализации принципа минимизации погрешности, рассмотренного далее. Ядром системы является микроконтроллер ADuC842 (Analog Devices, USA), управляющий ее остальными блоками по заданному алгоритму, основная задача которого — оцифровка поступающей из внешней среды информации и сохранение ее в энергонезависимой памяти. Один из таймеров микроконтроллера выполняет функцию часов реального времени, служащих для формирования временных меток в буферной энергонезависимой flash-памяти.
Блок датчиков состоит из преобразователей напряжен-ностей электрического и магнитного полей в напряжение и блока инструментальных усилителей, обозначенных треугольниками (см. рис. 1). Блок усилителей выполняет пред-
Рис. 1. Функциональная схема микропроцессорной системы сбора геофизической информации: АМ — аналоговый мультиплексор, т. е. восьмиканальный аналоговый коммутатор; ЭП, МП — преобразователи в напряжение напряжен-
ностей электрического и магнитного полей, соответственно
варительное усиление и частичную фильтрацию сигналов, полученных с датчиков. Блоки коммутации каналов осуществляют выбор либо канала измеряемого сигнала с аналогового датчика, либо канала образцового сигнала. Применение блоков коммутации обусловлено принципом минимизации погрешности, вносимой аналоговым трактом системы. Блок формирования образцового сигнала — встроенный в систему генератор диапазона сверхнизких частот. Для его реализации используется цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) микроконтроллера. Он необходим для проведения калибровки измерительного тракта системы и минимизации вносимой погрешности. Этот блок — генератор синусоидального сигнала — имеет высокую стабильность амплитуды сигнала [9].
Блок полосовых фильтров предназначен для увеличения уровней сигналов датчиков до значений, которые может обрабатывать аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Эти блоки также формируют необходимый частотный диапазон измеряемого сигнала 0,002—3 Гц. Восьмиканальный мультиплексор и 12-разрядный АЦП встроены в микроконтроллер и позволяют с точностью 0,61 мВ преобразовывать сигналы с динамическим диапазоном изменения порядка 72 дБ. Блок SDX-09 предназначен для преобразования двух-полярного измеряемого сигнала в однополярный.
Блок управления и индикации, включающий LCD-дисплей и пятикнопочную клавиатуру, предусмотрен для запуска (остановки) процесса оцифровки, настройки времени, даты и операций с файловой системой flash-карты. Блок связи с персональным компьютером (ПК) предназначен для считывания оцифрованных данных из буферной памяти системы (flash-карты) для записи на жесткий диск компьютера и управления устройством с ПК. Связь происходит по последовательному интерфейсу RS-232 или USB.
Ниже рассмотрено программно-аппаратное решение, которое при незначительном усложнении схемы аналогового тракта системы сбора данных позволяет исключить аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности, обусловленной нестабильностью передаточных характеристик и постоянных времени аналогового измерительного тракта.
Рис. 2. Функциональная схема, поясняющая принцип минимизации погрешности:
1 — аналоговые усилители и фильтры; 2 — АЦП; 3 — микроконтроллер; AD — активный датчик (датчик с предусилителем); АК — аналоговый коммутатор
Принцип минимизации погрешности поясняется функциональной схемой, показанной на рис. 2. В схему каждого канала системы включен аналоговый коммутатор. Переключение коммутатора выполняет микроконтроллер 3 с частотой 180 Гц, формируемой одним из встроенных таймеров. Цифровой эквивалент N неизвестного входного напряжения их в общем случае может быть определен с погрешностью, связанной с нестабильностью коэффициента передачи измерительного тракта к (мультипликативная составляющая погрешности) и нестабильностью начального смещения измерительного тракта Ес (аддитивная составляющая погрешности):
N1 = X(Ux + Ес
(1)
Для получения результата без погрешностей необходимо провести следующие действия [10, 11 ]:
переключить трехканальный аналоговый коммутатор АК в положение а
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.