Реферат: Разработка аппаратной части систем измерения скалярных параметров СВЧ устройств на базе современных микроконтроллеров
Вся эта техника требует высококвалифицированного персонала, рабочих площадей и значительных материальных затрат для поддержания ее в рабочем состоянии и периодической поверки. Подсчитано, что стоимость годовой эксплуатации измерительной техники приблизительно равна 15% от стоимости самого прибора. Причем эта величина мало зависит от интенсивности использования прибора, так как ее основными составляющими являются амортизационные отчисления, ремонтные и аттестационные затраты.
Таким образом, повышение многофункциональности измерительной аппаратуры, а особенно дорогостоящих СВЧ приборов, превратилось не только в техническую, но и актуальную экономическую проблему. Разрабатываемое устройство позволяет резко сократить парк измерительных СВЧ приборов, причем метрологические и эксплуатационные возможности нового прибора значительно расширятся по отношению к заменяемым.
Благодаря стремительному развитию микросхемотехники в настоящее время появилась элементная база для создания приборов, отвечающих современным требованиям по быстродействию и точности измерения параметров СВЧ сигнала.
Основанием для разработки системы автокалибровки и измерения скалярных параметров СВЧ устройств послужили более высокие требования к точности измерений и наложение более жестких ограничений во времени (порядка 400 мкс) по отношению к существующим системам.
1Описание технологического процесса
1.1Классификация аппаратуры измерения комплексных параметров СВЧ сигнала
Приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными параметрами (группа «Р-») разделяется на следующие виды:
Р1- линии измерительные;
Р2- измерители коэффициента стоячей волны (КСВ);
Р3- измерители полных сопротивлений;
Р4- измерители комплексных коэффициентов передач;
Р5- измерители параметров и линий передач;
Р7- измерители добротности.
Приборы группы «Р-» можно разделить на две основные подгруппы: измерители на основе анализа картины стоячей волны и измерителей на основе анализа отношений падающих, прошедших и отраженных от исследуемого объекта сигнала. К первой подгруппе относятся линии измерительные (Р1-) и измерители полных сопротивлений (Р3-). Функциональные возможности обоих видов измерителей одинаковы. Преимуществом приборов Р3-, особенно на сравнительно низких частотах, являются малые габариты.
Усовершенствование измерительной аппаратуры на основе развития методов построения и элементной базы привело к тому, что многие приборы имеют более широкие функции. Например, приборы Р2-, предназначенные для измерения коэффициента стоячей волны (КСВ), измеряют и ослабление (усиление).
1.2Основные характеристики применяемых измерительных приборов
В настоящее время на вооружении находится большое количество СВЧ радиоизмерительных приборов, разработанных и освоенных в производстве 8 – 10 лет назад. Среди них наиболее распространены измерители КСВ и ослабления (Р2-71). Для сравнения приведем в Таблица 1.1 некоторые основные технические характеристики приборов: (Р2-71) и разрабатываемого (по ТЗ).
Таблица 1.1 - Сравнительные характеристики приборов
| Основные технические характеристики | Приборы, находящиеся в применении | Разрабатываемый прибор |
| Прибор Р2-72 | ||
| Диапазон рабочих частот | 12,05 – 17,44 ГГц | 0,01 – 37,5 ГГц |
| Пределы измерения КСВ | 1,05 - 5,00 | 1,03 – 5,00 |
| Погрешность измерения КСВ | 5К % | 5К % |
| Масса | 45 кг | не более 20 кг |
1.3Краткое описание процесса измерения
В настоящее время используются, как уже отмечалось выше, несколько устаревшие средства измерения КСВ. Они представляют собой стационарные, довольно громоздкие устройства с полностью ручным управлением. Для производства одного измерения (измерение в одной точке) необходимо вручную установить на генераторе СВЧ сигнала необходимую входную частоту, произвести настройку на необходимый диапазон измерительного прибора (класса Р2-), считать измеренное значение с устройства индикации прибора, произвести простейшие расчеты и записать полученный результат в бланк записи измерений. Для проведения анализа состояния исследуемого СВЧ прибора, которым, к примеру, может служить антенна радиолокационной станции, необходимо произвести измерения в нескольких точках при различных значениях входных частот. Обычно этих точек от 300 до 600 в зависимости от исследуемого диапазона входных частот. Очевидно, что подобный способ измерений морально устарел и занимает к тому же очень много времени (к примеру, для снятия одной характеристики из 600 точек высоко квалифицированному оператору необходимо около 10 часов). Упрощенная схема вышеописанной измерительной системы приведена на рисунке 1.1.
Процесс измерений на разрабатываемой системе максимально упрощается, по сравнению с вышеописанным. Не считая подготовительных операций (подключение прибора к сети и к объекту исследования), весь процесс настройки (автокалибровки) системы и, собственно, измерения происходит в автоматическом режиме под управлением оператора ЭВМ, то есть весь процесс настройки (калибровки) системы и сам процесс измерения происходят под централизованным контролем управляющего компьютера, который представляет собой не какое-либо специализированное оборудование, а самый обыкновенный ПК на базе Pentium процессора с поддержкой шины USB. Упрощенная структурная схема всей разрабатываемой системы приведена на рисунке 1.2.
1.4Экономическое обоснование
Резкий рост цен на услуги и энергоносители привел к тому, что даже простое складирование громоздких измерительных приборов требует больших денежных средств. Как показывает многолетний опыт эксплуатации измерительной СВЧ техники, коэффициент загрузки большинства приборов не превышает 10% . Низкий коэффициент использования объясняется отсутствием многофункциональности разработанных ранее приборов. В метрологических службах находятся приборы, эксплуатируемые несколько дней в году, или находящиеся на рабочих местах, но редко используемые для активного измерения.
В то же время вся эта техника требует квалифицированного персонала, рабочих площадей и значительных материальных затрат для поддержания ее в рабочем состоянии и периодической поверки.
Известно, что стоимость годовой эксплуатации измерительной техники приблизительно ровна 15% от стоимости самого прибора. Ее величина мало зависит от интенсивности использования прибора, так как ее основными составляющими являются амортизационные отчисления, ремонтные и аттестационные затраты.
Произведем расчет одного из возможных вариантов получения экономического эффекта от внедрения разрабатываемой системы измерения параметров СВЧ сигнала
Для полноценного анализа поведения СВЧ объекта во всем диапазоне изменения частот необходимо провести измерения в определенном количестве точек (от 300 до 600 в зависимости от исследуемого диапазона входных частот), затем анализ измеренных результатов и представление их в виде графика. В зависимости от исследуемых параметров СВЧ сигнала (амплитуды, частоты, коэффициента стоячей волны (КСВ), фазы, коэффициента передачи и коэффициента отражения) измерения производятся на приборах класса Р2- или Р4-, но для простоты будем считать что время одного измерения на обоих приборах одинаково.
Для производства одного измерения на существующем оборудовании высоко квалифицированному оператору необходимо затратить около одной минуты с учетом производства простейших расчетов, занесения результата в бланк записи измерений и установки следующей входной частоты вручную. Для построения окончательной характеристики СВЧ объекта (измерение в 600 точках) ему необходимо:
600 точек 1 мин. = 600 мин или 10 час.
Предположим, что заработная плата такого специалиста составляет 1500 руб. в месяц, тогда при 255 рабочих днях в году будет произведено (если предположить, что все 8 часов в день оператор производит измерения):
255 дней 8 час/день 60 мин/час = 122400 мин
в данном случае равное числу измерений или будет построено: