621.317.757; 621.376.3.
РАБОЧИЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ
ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ
Ю. Д.БОЛМУСОВ, В. А.МАРТЫНОВ, Е. Л.СКВОРЦОВ, Н. В.КУВАЕВА
Ввиду наличия большого парка измерителей девиации и модуляции, а также установок 1 разряда для поверки средств измерений девиации частоты в середине 80-х годов было разработано [1] автоматизированное рабочее место для поверки средств измерения девиации частоты (АРМ ИДЧ), которым был оснащен ряд территориальных органов Росстандарта и ведомственных метрологических служб. По техническим характеристикам АРМ ИДЧ имел статус рабочего эталона (РЭ) единицы девиации частоты (ДЧ). АРМ ИДЧ строился на базе вычислительного устройства «Электроника ДЗ-28» с использованием большого количества стандартных (8 типов) приборов и нестандартных (7 типов) блоков, управляемых по каналу общего пользования. К настоящему времени АРМы ИДЧ, имеющиеся в эксплуатации, практически полностью выработали свой технический ресурс и морально устарели. Кроме того, они не обеспечивают поверку образцовых установок нового поколения К2-54 и К2-56.
Взамен АРМ ИДЧ разработана малогабаритная поверочная установка для средств измерения девиации частоты (рабочий эталон единицы девиации частоты - РЭЕДЧ ) нового поколения.
РЭЕДЧ обеспечивает воспроизведение, хранение и передачу размера единицы девиации частоты средством измерения параметров частотно-модулированных (ЧМ) колебаний. Эталон может быть использован для комплексной поверки эталонных средств измерения (установки К2-38, К2-54, К2-56) по следующим параметрам:
- погрешности воспроизведения или измерения размера девиации частоты;
- частотному шуму и фону (паразитной девиации частоты);
- коэффициенту сопутствующей амплитудной модуляции (АМ) при частотной модуляции;
- коэффициенту гармоник закона ЧМ;
- уровню напряжения выходных ВЧ сигналов;
- погрешности установки модулирующих частот. Эталон может быть использован для поверки рабочих средств (измерители модуляции СКЗ-43, СКЗ-45, СКЗ-46 и др.). Укрупненная структурная схема РЭЕДЧ приведена на рисунке. Основу РЭЕДЧ составляют четыре вновь разработанных функционально и конструктивно законченных малогабаритных модуля: калибратор ДЧ, компаратор ДЧ, измеритель уровня сигналов и сопутствующей AM (СПАМ), устройство управления (УУ), размещенных в одном корпусе, а также персональный компьютер (ПК).
Калибратор ДЧ, представляющий собой активную многозначную меру единицы девиации частоты, построен на базе ЧМ автогенератора с
ультралинейной модуляционной характеристикой и малыми частотными шумами [2].
Автогенератор генерирует ЧМ колебания на фиксированной несущей частоте 50 МГц и обеспечивает воспроизведение значений девиации при синусоидальной ЧМ в пределах от 10 Гц до 1000 кГц в диапазоне модулирующих частот 0,0кГц. Для расширения пределов воспроизводимых значений девиации в области малых значений, в калибраторе ДЧ также формируется ЧМ сигнал на несущей частоте 5 МГц с использованием масштабного преобразователя девиации на базе цифрового делителя частоты [3]. Модуляция ЧМ автогенератора (в режиме внутренней ЧМ) осуществляется от встроенного генератора низких частот (НЧ), работающего на 12 фиксированных частотах диапазона 20 Гц - 200 кГц. Генератор НЧ характеризуется малым уровнем нелинейных искажений (коэффициент гармоник 0,01 - 0,03 %) и высокой стабильностью амплитуды выходного сигнала.
Автоматизированная калибровка девиации частоты на всех модулирующих частотах осуществляется в реперной точке 1000,0 кГц на несущей частоте 50 МГц. Для установки значений девиации в пределах 100 Гц - 990 кГц (на частоте 50 МГц) и 10 Гц-99 кГц (на частоте 5 МГц) используется образцовый делитель модулирующего напряжения.
Калибровка девиации частоты в калибраторе происходит по методу электронно-счетного частотомера [4]. Структурная схема вычислительного частотомера, реализованного в эталоне, алгоритмы измерения и калибровки близки к описанным в [5]. Отличия заключаются в том, что вся структурная схема вычислительного частотомера реализована на базе аппаратных и программных средств однокристального микропроцессора (МК). Кроме того, алгоритмы измерения девиации частоты частотомером и калибровки девиации усложнены с целью исключения ряда выявленных в прессе исследований методических и аппаратурных составляющих систематической погрешности воспроизведения единицы ДЧ.
Компаратор ДЧ построен по принципу супергетеродинного ЧМ приемника с усилителем-ограничителем на промежуточной частоте и двумя прецизионными частотными детекторами (ЧД). Малошумящий ЧД включается, когда в компараторе устанавливаются пределы измерения 50 Гц и менее. Широкополосный ЧД используется при значениях девиации 0,0кГц и обеспечивает высокую линейность детектирования (малый уровень нелинейных искажений). В низкочастотном тракте компаратор ДЧ содержит набор фильтров с стандартными полосами пропускания по модулирующим частотам 0,02 - 3,4 кГц; 0,3 - 3,4 кГц; 0,0кГц; 0,3 -20 кГц; 0,0кГц; 0,кГц и два типа детекторов: пиковый детектор и детектор среднеквадратических значений. Сигналы с детекторов поступают для измерения на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) УУ.
При значениях девиации от 500 кГц до 1000 кГц компарирование осуществляется цифровым измерителем по методу электронно-счетного частотомера.
Компарирование малых значений ( менее 100 Гц) может производится с использованием пикового или среднеквадратического детектирования. Кроме основного назначения, компаратор ДЧ используется:
- в качестве демодулятора при измерении коэффициентов гармоник ЧМ сигналов (при поверке эталона и ОСИ);
- в качестве измерителя малых значений паразитной девиации частоты (при поверке эталона и ОСИ);
- в качестве образцового измерителя модуляции при определении диапазона модулирующих частот и пределов воспроизводимых значений девиации (апробирование эталона и ОСИ перед поверкой). Компаратор ДЧ имеет режим автоматизированной калибровки от калибратора ДЧ во всех полосах пропускания модулирующих частот. Это превращает его в измеритель девиации частоты с основной погрешностью близкой к погрешности калибратора ДЧ (~ 0,2%).
Измеритель уровня сигналов и СПАМ предназначен для измерения уровней выходных напряжений в диапазоне частот 10 кГц - 1000 МГц и коэффициента сопутствующей AM у ЧМ сигналов
Измеритель содержит систему коммутации ВЧ сигналов, широкополосную детекторную секцию согласованную (50 0м) по входу для измерения ВЧ напряжений, а также набор детекторов (амплитудный, пиковый) и масштабных усилителей для измерения СПАМ методом амплитудного детектирования [6]. Линеаризация характеристик детекторов в диапазоне напряжений 0,05 - 0,5 В, частот 0,01 -1000 МГц и коэффициентов AM (0,1-5%) осуществлена программными средствами ПК.
Устройство управления выполнено на основе однокристального высокопроизводительного микроконтроллера (МК). УУ выполняет следующие измерительные и управляющие функции в составе эталона:
- управление узлами и модулями эталона по семи последовательным каналам управления;
- измерение постоянного напряжения по семи аналоговым входам;
- измерение частоты по четырем цифровым каналам;
- измерение девиации частоты;
- хранение постоянных и перепрограммируемых данных, калибровочных коэффициентов в энергонезависимой памяти;
- связь с внешним ПК по интерфейсам RS-232 и RS-485. В состав УУ, кроме однокристального МК, входят 12-ти разрядный высокоскоростной АЦП, энергонезависимое запоминающее устройство, мультиплексоры входов и интерфейсов, драйверы интерфейсов. Работой высокоскоростного АЦП управляет МК.
Связь УУ с ПК может быть организована по любому из интерфейсов. По интерфейсу RS-485 может быть реализована сеть управления внешними приборами, не входящими в состав РЭ, т. е. организовано построение еще более мощных измерительных систем.
Ввод, вывод, обработка, отображение и хранение всей информации осуществляется входящим в состав эталона ПК. Для управления эталоном
разработана специальная прикладная программа «Эталон-ЧМ», работающая в операционной системе «Windows-98». Программа «Эталон-ЧМ» обеспечивает:
- работу с составными частями эталона: калибратором ДЧ, компаратором ДЧ, измерителем уровня ВЧ напряжений, измерителем СПАМ как с отдельными функционально законченными приборами, так и их совместную работу друг с другом;
- методики автоматизированной поверки ОСИ К2-38, К2-54 и К2-56 с хранением (архивом) и выводом на печать результатов поверки (протоколы поверки, свидетельство о поверке);
- методику автоматизированной автономной поверки эталона с сохранением и выводом на печать результатов поверки;
- программу диагностики функционирования всех составных частей эталона;
- сервисные программы, расширяющие возможности РЭ. Методики автоматизированной поверки ОСИ и эталона построены в форме меню (выбор поверяемого параметра) и таблиц протоколов поверки, в которых указаны параметры поверяемых точек и границы допусков. После щелчка «мыши» ПК по окну протокола «ИЗМЕРЕНО», все измерения далее (усреднение отсчетов по текущему значению, вычисление СКО и т. д.) производятся автоматически. В графе «ИЗМЕРЕНО» появляется результат измерений, а в графе «ГОДНОСТЬ» результат «ГОДЕН» или «НЕ ГОДЕН».
Метрологическое обеспечение РЭ базируется на известных методах [6], доработанных с учетом конкретной структуры и нормируемых метрологических характеристик эталона. РЭЕДЧ полностью обеспечен методами и средствами его автономной поверки по всем нормируемым параметрам. Один раз в три года РЭЕДЧ должен проходить сличение по погрешности воспроизведения единицы девиации частоты с Государственным специальным эталоном.
Построение РЭЕДЧ на базе специальных разработанных малогабаритных модулей, использование новых схемно-конструктивных решений, новейшей элементной базы в узлах с повышенными метрологическими характеристиками, использование быстродействующих алгоритмов калибровки и измерений в сочетании с персональным компьютером, математической и статистической обработкой результатов измерения, позволило в сравнении с АРМ ИДЧ:
- в 2-4 раза уменьшить погрешность воспроизведения единицы ДЧ;
- более чем на два порядка расширить пределы компарирования в области малых значений ДЧ;
- в 3-5 раз уменьшить время поверки ОСИ К2-38 и К2-56;
- кардинально повысить надежность и более чем в 10 раз уменьшить габариты, массу и потребляемую мощность.
Основные метрологические характеристики эталона:
- неисключенная относительная систематическая погрешность воспроизведения единицы девиации частоты —(0,15 - 0,2) • 10 -3;
- случайная относительная погрешность воспроизведения единицы девиации частоты (СКО) -3*10-4 ;
- случайная погрешность передачи размера единицы девиации частоты -
(3-5)* 10-4;
- погрешность измерения частоты встроенным частотомером в диапазоне 20 Гц-2 МГц - (± 10-4F +0,1) Гц;
- погрешность измерения ВЧ напряжений в диапазоне частот (0,01 — 1000) МГц - ±(%;
- погрешность измерения СПАМ - (0,1 М+ 0,03) %.
Рабочий эталон «РЭЕДЧ-1» введен в эксплуатацию в ФГУ «Нижегородский центр стандартизации, метрологии и сертификации» и обеспечивает метрологическое обслуживание всех типов имеющихся в обращении СИ параметров ЧМ колебаний, в т. ч. эталонные установки 1 разряда нового поколения.
ЛИТЕРАТУРА
1. и др. / Измерительная техника№ 9.- с.51,
2. , Павленко параметров формы и спектра радиотехнических сигналов : Сб. науч. труд. ВНИИФТРИ. - М., 1985. С.5.
3. /Измерительная техника№ 8.- с.58.
4. , Шпаньон параметров частотно-модулированных колебаний. - М.: Радио и связь, 1986.
5. и др. /Измерительная техника№ 4.- с.56.
6. , , Соколовский обеспечение измерителей модуляции. Под ред. и . - М.: Воениздат, 1992.
Р Е Ф Е Р А Т
В статье дан анализ современного состояния в области измерений частотно-модулированных сигналов, приводятся сведения о разработке рабочего эталона единицы девиации частоты нового поколения - РЭЕДЧ.
В статье показано, что в эталоне использованы новаторские схемно-конструктивные решения и новейшая элементная база, приводится структурная схема эталона, изложены основные принципы его построения, приведены метрологические характеристики.
Дан анализ источников погрешностей воспроизведения и передачи размера девиации частоты. Показано, что новый полностью автоматизированный эталон значительно превосходит эталонные средства предшествующих поколений по всем метрологическим и эксплуатационным характеристикам, обеспечивает метрологическое обслуживание всех типов имеющихся в обращении СИ параметров ЧМ колебаний.
