28 августа 2012
О лаборатории специальных исследований
Часть 33
К вопросу оценки ПЭМИН цифровых сигналов (продолжение)
На протяжении многих лет практической работы по выполнению специальных исследований самых разнообразных технических средств одним из самых сложных видов СИ были и остаются СИ НЧ АЭП. Напомним, что сии аббревиатуры означают измерение сигналов в отходящих от ТС линиях в речевом диапазоне частот (или «на портах»). И сигналы эти возникают под воздействием на оные ТС звука, то есть под воздействием падающей на ТС звуковой волны. Оставим рассуждения о том, как именно эти сигналы возникают. Об этом уже писано-переписано.
Обратимся к более общим вопросам, относящимся к чистой технологии. Уже далеко не один год приходится спорить и доказывать, как коллегам (в основном в сети, заочно), так и тем, кто занимается разработкой и выпуском средств измерений (средств контроля). Причём споров много, вот только аргументация оставляет желать лучшего. Слова, слова, слова… Тема инженерная и единственное, чем можно и должно доказывать свою правоту являются цифры. Либо определяемые задачей и условиями её исполнения, либо экспериментальные данные. Причём в последнем случае крайне важную роль играют условия, при которых получены эти данные.
Именно поэтому считаю данную публикацию, несомненно, дискуссионной. Не то, чтобы я не был уверен в изложенном. Как раз наоборот. Но не исключаю, что в каких-то частностях чего-то не увидел, истолковал недостаточно полно и т.д. Да и вообще, зачастую, сколько специалистов – столько мнений. Так что к обоснованной критике готов, это в общих интересах.
В тематике НЧ АЭП вопрос, чем мерять однозначно вытекает из:
- что нужно измерять;
- особенности действующей методики;
- условия измерения (на стенде и на объекте);
- схемы измерения
Вот с первых «трёх китов» и начнём. Схемы измерения – это совсем отдельная тема и, боюсь, пристойно осветить её в открытой публикации не представляется возможным. Приобретайте и читайте новое издание группы компаний МАСКОМ. Там это изложено довольно подробно.
Итак – что измеряем? Это несложно. Измеряем (обязаны измерять) в соответствии с действующими НМД, и в согласии с физикой – значения напряжения переменного тока (строгая формулировка из ГОСТ-ов в области метрологии). Весьма редко – силу тока (того же, переменного). Величины измеряемых значений располагаются в диапазоне от первых десятков нВ (то есть порядка хх·10-8 В) до первых единиц В. Я не описался, именно таков типовой динамический диапазон измеряемых сигналов – до 160 дБ, как ни «жутко» для инженера это звучит.
Не буду голословным, обосновываю:
Минимальные значения определяются тем, что от нас требует действующий НМД – эти самые «первые десятки нВ». Установленные значения «норм» читатель знает (а не знает – значит не положено ;) ). Мысленно представим себе некий «сигнал» АЭП, который равен норме. Даже не равен – всегда хочется иметь некий «запасец» по защищённости, ну, хотя бы процентов 30%, спокойнее на душе. Прикинули? Теперь обычное правило метрологии, корректной может считаться измеренная величина, если она превышает уровень помех в тракте измерения, хотя бы на 3-6 дБ (вообще-то, по классике – не менее, чем на 10 дБ). Значит нужно иметь возможность (об уровне помех мы ещё поговорим) измерять сигналы, которые ниже нашей, самой малой нормы, где-то децибел на 15, как минимум. Вот и обосновали значение минимально допустимой реальной чувствительности средства измерения. Если хотите цифру – я бы её вообще не стал называть, чтобы не оставлять никаких шансов попытке «сконструировать» из этого значение нормы. Пусть так и останется – первые десятки нВ.
Теперь о верхнем пределе. Он определяется совсем иным. Собственно сигналы АЭП редко превышают значения первых десятков мВ (то есть порядка хх·10-3 В). И не они тут важны. Сложность в том, что все измерения выполняются в условиях огромного числа наводок на измеряемую линию (порт). И главными из них, непосредственно попадающими в рабочий диапазон, являются наводки от промышленной электросети 220В/50 Гц. Разумеется, со всеми её гармониками. Вот значения этих наводок и составляют от сотен мВ до единиц В.
Почему так важен уровень наводок? А потому, что и полезный сигнал и помеха действуют на входе средства измерения одновременно. Для работы в линейном режиме входные цепи обязаны пропускать этот динамический диапазон без искажений (без ограничения, без компрессии). Средств измерения, которые отвечали бы этому требования в мире крайне немного. Причём сразу оговоримся, что нановольтметр Unipan (на котором основывались все методики 80-х годов) таким динамическим диапазоном по сквозному тракту не обладал. Его предусилители – да, приближались. Входные цепи – меньше требуемого.
И ещё одно. Все современные средства измерения построены уже «в цифре». То есть после первичной обработки (усиления, подавления помех) сигнал поступает на АЦП. Так вот мало какой типовой АЦП способен оцифровать сигнал с динамикой больше 80 дБ. Есть «хитрые» схемы включения двух АЦП, но применяют их редко и всё равно, это «нечестные» децибелы J Возникают иные ограничения при применении таких схем. Есть модели и с большей динамикой, но цена растёт стремительно…
Каков же выход? Всё не так страшно J
Первое – оператору всё время помнить о том, что его средство измерения не господь и не всесильно. Постоянно помнить о его динамическом диапазоне и так строить схему эксперимента, чтобы максимально снизить уровень помех (в первую очередь – «сетевых»). Обычно, таким образом, удаётся снизить требования к динамическому диапазону средства измерения децибел на 20-30 (уже нужно не 160, что-то порядка 130 дБ). Как именно – читайте наше пособие. Это уже более специальные вопросы.
Я подчеркнул не зря, что таким динамическим диапазоном должны обладать входные цепи. Сразу после них (что включать в понятие «входные цепи» - вопрос для конструктора. Как правило, это первые 1-2 каскада входного усилителя) можно (вообще-то нужно!) принять меры по подавлению сигналов со столь большими амплитудами. Благо, они почти детерминированы. Как только удаётся их подавить, то для того, что осталось, требуемый динамический диапазон спадает до значений 50-80 дБ, что реализуется уже без всяких сложностей (в том числе и при оцифровке).
Вопрос только в том, как именно построить это подавление. Оно должно быть весьма эффективным, узкополосным (надо минимально «задевать» всё остальное, кроме сетевых помех) и, желательно, адаптивным. Частота электросети у нас тоже «плавает»…
Пожалуй, о том, что нам должно измерять, сказано достаточно. Определился динамический диапазон сигналов, диапазон частот и так знаем, двигаемся дальше.
Что нам предписывает методика? Частично мы этого уже коснулись.
Нам предписывается измерять в отходящих линиях и «на портах», то есть на контактах всяких произвольных разъёмов, на исследуемом ТС имеющихся.
А вот тут начинаются разночтения. В изначальной методике 78 года уточнений на этот счёт «писаных» просто нет. Придётся обратиться к практике, так сказать «к традиции». А она такова. Всё сообщество «сишников» разделилось на две когорты. Одни считают, что измерять надо только в отходящих линиях (я намеренно не касаюсь того, в каких именно. У нас открытое обсуждение в плане физики и метрологии). Вторые считают, что измерять нужно только «на портах», то есть при отсоединённой линии, в режиме «ХХ» для данного порта. Примерно так же делятся мнения и в части того, нужно исследовать ТС в режиме его обычной эксплуатации или в обесточенном состоянии. Кстати на последний вопрос методика отвечает однозначно – в ОБОИХ режимах!
Оставим эту дискуссию «на другой раз», сейчас мы не об этом (лично я считаю, что и в первом случае правильно – измерять в обоих вариантах!). Примем за аксиому, что средство измерения ОБЯЗАНО обеспечивать возможность измерения «и так, и эдак». Тогда обратимся к следующим параметрам при измерении. Есть средство измерения и есть источник сигнала.
Продолжение следует
