Разработка программно-измерительного комплекса для контроля параметров СВЧ и ВЧ приборов

,

Министерство  образования и науки РФ

Саратовский государственный технический университет

Кафедра «Электронные приборы и устройства» 
 
 
 

Выпускная работа на тему:

Разработка  программно-измерительного комплекса для  контроля параметров СВЧ и ВЧ приборов 
 
 
 
 

                                        Выполнил студент  группы ЭЛМЭ41

                                        Гуденин А.Е.

                                        Научный руководитель:

                                        Мирошниченко А.Ю. 
 
 
 
 
 

Саратов 2011 

Содержание 

Введение 

1 Аналитический  обзор литературы

2 Анализ  патентной литературы

3.Описание комплекса.

4.Экспериментальная  часть 

Заключение

Библиографический список 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                       Введение.

Измерительная техника - один из важнейших  факторов  ускорения  научно-технического прогресса  практически во всех отраслях народного  хозяйства.При описании явлений и процессов,  а  также  свойств  материальных  тел используются  различные  физические  величины,   число   которых   достигает нескольких тысяч: электрические, магнитные,  пространственные  и  временные;

механические, акустические, оптические, химические, биологические и др.  При этом  указанные  величины   отличаются   не   только   качественно,   но   и количественно и оцениваются различными числовыми значениями. Установление  числового  значения  физической  величины  осуществляется путем   измерения.    Результатом    измерения    является    количественная характеристика в виде именованного числа  с  одновременной  оценкой  степени

приближения полученного значения измеряемой величины  к  истинному  значению физической величины. Укажем, что нахождение  числового  значения  измеряемой величины  возможно  лишь  опытным  путем,  т.  е.  в  процессе   физического

эксперимента. При  реализации  любого  процесса  измерения   необходимы   технические средства,  осуществляющие   восприятие,   преобразование   и   представление числового значения физических величин.  На практике при измерении физических величин применяются  электрические методы   и   неэлектрические   (например,   пневматические,    механические,химические и др.).

    Электрические    методы    измерений    получили    наиболее    широкое распространение,  так  как  с  их  помощью  достаточно  просто  осуществлять

преобразование,  передачу,  обработку,  хранение,   представление   и   ввод измерительной информации в ЭВМ.

    Технические средства и различные  методы  измерений  составляют  основу  измерительной  техники.  Любой производственный   процесс   характеризуется большим числом параметров, изменяющихся в широких пределах. Для  поддержания

требуемого  режима технологической установки  необходимо  измерение  указанных параметров.   При   этом,   чем   достовернее    осуществляется    измерение технологических параметров, тем лучше качество целевого выходного  продукта. Получение и обработка измерительной информации предназначены не  только для   достижения   требуемого   качества   продукции,   но   и   организации

производства, учета и составления баланса  количества вещества и  энергии.  В настоящее время важной областью применения  измерительной  техники  является автоматизация научно-технических экспериментов. Для повышения  экономичности проектируемых  объектов,  механизмов  и   машин   большое   значение   имеют экспериментальные исследования, проводимые на  их  физических  моделях.  При этом задача  получения и обработки измерительной  информации  усложняется настолько, что ее эффективное решение становится возможным  лишь  на  основе применения специализированных измерительно-вычислительных средств. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Аналитический обзор литературы.

За время  дипломной работы был проведен аналитический обзор литературы, задачей которого являлась подборка источников, описывающих методы и приборы для проведения измерений . Было найдено много публикаций. Краткое описание их приведено ниже.

Методы  измерений основных параметро приборов СВЧ

Методы измерения частоты

МЕТОД ПЕРЕЗАРЯДКИ КОНДЕНСАТОРА

  Присоединим конденсатор, емкость которого С, к источнику напряжения U. Конденсатор зарядится, и в нем накопится количество электричества q = CU. Если конденсатор переключить на магнитоэлектрический измеритель тока, то через него пройдет количество электричества q, вызвав отклонение указателя. Если конденсатор поочередно присоединять к источнику напряжения для заряда и к измерителю тока для разряда с частотой переключения f раз в секунду, то количество электричества, проходящее через амперметр при разряде, будет в f раз больше: fq = fCU = I, где I —среднее значение тока разряда. Отсюда следует, что ток в такой схеме прямо пропорционален частоте переключения и при постоянном произведении CU шкалу амперметра можно градуировать в единицах частоты:

  f=I/(CU) (2) 
 
 

  

 
 

  Рис.1.Структурная  схема

  Структурная схема конденсаторного частотомера, в котором использован этот метод (рис. 1), состоит из усилителя-ограничителя УО и Зарядно-разрядного устройства ЗРУ с магнитоэлектрическим индикатором. Кроме того, имеется генератор Г_к для калибровки частотомера на одной фиксированной частоте. На  вход частотомера поступает напряжение измеряемой частоты. В усилителе-ограничителе оно принимает форму меандра. Меандр управляет зарядно-разрядным устройством, схема которого приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема счетного устройства конденсаторного частотомера

  Транзистор  Т работает в режиме ключа: когда  он закрыт, один ii3 конденсаторов С заряжается через резистор R, а когда транзистор открыт, тот же конденсатор разряжается через транзистор. Зарядный ток протекает через магнитоэлектрический миллиамперметр, градуированный в единицах частоты. Конденсаторы С переключаются: минимальная и максимальная емкость определяет диапазон измеряемых частот, а число конденсаторов — число под-диапазонов.

  Значение  напряжения, до которого заряжается конденсатор данного поддиапазона, в зависимости от измеряемой частоты и значения емкости конденсатора изменяется, и градуировка шкалы частотомера нарушается. Для устранения этого явления в зарядно-разрядном устройстве предусмотрена стабилизация напряжения заряда, которая осуществляется стабилитроном Дз; напряжение питаниятакже стабилизируется с помощью стабилитронов Д1 и Д2 Нижний предел измеряемых частот составляет 10 Гц;

при более  низких частотах подвижная часть  магнитоэлектрического индикатора будет совершать механические колебания в такт с измеряемой частотой. Верхний предел зависит от постоянной времени цепи заряда, определяемой не только сопротивлением резистора R и минимальной емкостью конденсатора С, но и монтажными емкостями элементов зарядно-разрядного устройства, и не превышает 1 МГц. Погрешность измерения зависит от класса точности миллиамперметра, остаточной нестабильности напряжения заряда конденсатора и составляет 1-2 %.

резонансный метод

  Резонансный метод измерения частоты заключается  в сравнении измеряемой частоты  с собственной резонансной частотой градуированного измерительного колебательного 

Рис. 3. Структурная схема измерения частоты резонансным методом

контура. Этот метод применяется в диапазоне  высоких и сверхвысоких частот. Структурная  схема его реализации приведена  на рис. 3. Источник напряжения измеряемой частоты fx с помощью элемента связи ЭСв соединяется с прецизионным измерительным контуром ИК, который настраивается в резонанс с частотой f_x Момент резонанса фиксируется по максимальному показанию индикатора, присоединенного к контуру через второй элемент связи. Измеряемая частота определяется по градуированной шкале микрометрического механизма настройки с большим числом отсчетных точек. Контур и индикатор конструктивно объединены в устройство, называемое резонансным частотомером. Если шкала механизма настройки градуирована в длинах волн, то такое устройство называют резонансным волномером.

  Схема резонансного частотомера (рис. 4) позволяет  выявить источники погрешности  измерения. Погрешность градуировки  определяется качеством механизма  настройки;

ее можно  уменьшить путем предварительной  градуировки шкалы частотомера с помощью образцовой меры. Нестабильность частоты измерительного контура возникает вследствие изменения его геометрических размеров под влиянием изменения температуры окружающей среды; ее можно вычислить по следующей формуле:

где Df — отклонение частоты от резонансной под влиянием изменения температуры на DT, К; a — линейный температурный коэффициент расширения материала контура; k — конструктивный коэффициент. Нестабильность настройки контура возникает также при изменении вносимых реактивных сопротивлений со стороны источника fx и индикатора. Активные вносимые сопротивления уменьшают добротность контура.

Рис.4 резонансная кривая колебательного контура

  Уменьшение  влияния вносимых сопротивлений  достигается ослаблением связи с источником fx и индикатором.

  Неточность  фиксации резонанса определяется значением  добротности контура  Q нагруженного измерительного контура и разрешающей способностью индикатора. Из уравнения резонансной кривой (рис. 4) можно получить формулу для расчета относительной погрешности от неточности фиксации резонанса:

(3)

где U₀ — показание индикатора при резонансе; U_p — показание при расстройке измерительного контура на Df.

  Измерительный контур резонансного частотомера в зависимости от диапазона частот, для которого он предназначен, выполняется с сосредоточенными или распределенными параметрами. Резонансные частотомеры с сосредоточенными параметрами в настоящее время полностью вытеснены цифровыми частотомерами, а с распределенными параметрами широко применяются в диапазоне СВЧ.

  Резонансные частотомеры характеризуются диапазоном измерения частот, погрешностью и  чувствительностью, т.е. минимальной  мощностью, поглощаемой от источника  измеряемой частоты, необходимой для уверенного отсчета показаний индикатора при резонансе.

метод сравнения

  Метод сравнения для измерения частоты  получил широкое распространение, благодаря его простоте, пригодности для использования практически в любом диапазоне частот и сравнительно высокой точности результата измерения. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности образцовой частоте. Следовательно, для измерения частоты f_x. методом сравнения необходимо иметь источник образцовых частот f_обр индикатор равенства или кратности f_x. и f_обр. В качестве источника образцовых частот применяют образцовые меры частоты, так называемые стандарты частоты, с нестабильностью Ю-⁹—10~¹¹ за 1 сут.

  Для градуировки генераторов измерительных  сигналов используют синтезаторы частоты  и другие генераторы, погрешность установки частоты которых на порядок, а нестабильность частоты за 30 мин — на 3 порядка меньше, чем у градуируемого генератора.