УДК 621.317 - Ставропольский государственный аграрный

УДК 621.317
А.Б. ЕРШОВ, В.Я. ХОРОЛЬСКИЙ, А.В. ЕФАНОВ
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ МЕТОДИЧЕСКОЙ ПОГРЕЩНОСТИ
ВЫЧИСЛЕНИЯ ФУНКЦИИ «MEAM» ДЛЯ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОСЦИЛЛОГРАФАХ СЕРИИ
TPS2000 ФИРМЫ TEKTRONIX
В статье изложены способы снижения методической погрешности величины среднего значения напряжения одиночного импульса в цифровых запоминающих осциллографах серии TPS2000, определяемого в режиме автоматических измерений (функция «meam»). Рассмотрены: визуально аналитический способ; способ использования интерфейсных функций
осциллографа и программных методов расчёта средних значений импульса. Указана возможность и даны некоторые пояснения процедуры использования способа программной обработки двоичных данных.
Ключевые слова: осциллографы серии TPS2000, среднее значение напряжения одиночного импульса, функция «meam».
In article ways of liquidation of a methodical error of size of average value of pressure of a
single impulse in digital remembering oscillographs of series TPS2000, defined in a mode of automatic measurements (function «meam») are stated. Are considered: visually analytical way; a way
of use of the interface functions of an oscillograph and program methods of calculation of average
values of an impulse. Possibility is specified and some explanatories of procedure of use of a way of
program processing of the binary data are given.
Keywords: oscillographs of series TPS2000, average value of pressure of a single impulse,
function «meam».
Цифровые запоминающие осциллографы серии TPS2000 фирмы Tektronix
обеспечивают решение многих инженерных и исследовательских задач современной практики проектирования и эксплуатации систем, использующих быстротекущие и неповторяющиеся электрические процессы. Высокая частота сэмплирования (до 2 Гвыб/с) и скорость сбора данных (до 180 осциллограмм в секунду), различные режимы сбора данных (выборка, пиковое детектирование,
усреднение), множество сервисных функций и удобный интерфейс пользователя
сделали осциллографы серии TPS 2000 весьма популярными в кругу инженеров
эксплуатационников и учёных.
Блок-схема различных сервисных функций осциллографов серии TPS2000
и их связей друг с другом имеет вид, показанный на рисунке 1 /1/.
Одним из важнейших свойств осциллографов данной серии является
наличие режимов записи сигналов и автоматических измерений.
При записи сигнала (сборе данных) осциллограф преобразует сигнал в
цифровую форму и отображает его на экране. Режим сбора данных определяет
способ преобразования сигнала в цифровую форму, а параметр масштаба времени влияет на временной интервал и уровень детализации записываемого сигнала.
В режиме выборки для воссоздания сигнала осциллограф производит выборку отсчётов через равные интервалы. Данный режим в большинстве случаев
позволяет точно отобразить сигнал, однако не позволяет отследить быстрые
флуктуации сигнала, которые могут попадать в диапазон между точками регистрации отсчётов. Это может привести к искажению, а также к потере коротких
1
импульсных составляющих сигнала. В подобных случаях рекомендуется использовать режим пикового детектирования, в котором осциллограф производит
поиск максимальных и минимальных значений входного сигнала на каждом интервале между точками регистрации, и эти значения используются для отображения сигнала. Таким образом, режим пикового детектирования позволяет регистрировать и отображать короткие импульсы, которые могут быть утеряны в
режиме выборки. Однако в данном режиме может значительно повышаться уровень шума.
Каналы
По горизонтали:
усиление и
положение
Внешняя
синхронизация
Сбор
данных:
режим и
масштаб
времени
Запись
сигнала:
2500 точек
Экран
Интерфейс
комплютера
или принтера
Синхрони
зация
Рисунок 1 - Блок-схема сервисных функций осциллографов серии TPS2000
фирмы Tektronix и их связей
В режиме усреднения осциллограф производит запись нескольких периодов сигнала с последующим усреднением полученных данных и отображением
усреднённых результатов. Данный режим рекомендуется использовать для снижения уровня шума.
Для априорной численной оценки целесообразности использования того
или иного режима записи сигнала целесообразно воспользоваться частотой выборки сигнала записи, определяемой длительностью регистрируемого сигнала и
соответствующим масштабом временной развёртки. Например для осциллографа TPS2024 частота сэмплирования составляет 2 Гвыб/с. Длина записи – 2500
выборок. Для регистрации сигнала длительностью до 100 мкс необходимо использовать масштаб временной развёртки М 10.0 μс, при этом частота выборки
сигнала записи f сз составит
2500
f сз 
 25 ( Мвыб / с) .
100  10  6
При данной частоте выборки сигнала записи минимальная длительность
гарантированно регистрируемой флуктуации сигнала  tc составит
2
 tc 
 0,08 ( мкс) .
25  10 6
Большие удобства пользователю осциллографов серии TPS2000 обеспечивает наличие режима автоматических измерений. С помощью меню MEASURE
(Измерения) можно одновременно выполнить до пяти автоматических измерений, в том числе измерение среднеарифметического значения амплитуды по
2
всему зарегистрированному сигналу (функция «Meam» (Среднее)) и измерение
среднеквадратического значения амплитуды первого завершённого периода
сигнала. Поскольку для измерений используются данные в точках дискретизации сигнала, точность этого метода выше, чем при использовании координатной
сетки или курсоров.
Результаты автоматических измерений отображаются в полях области
экранных сообщений. Значения этих полей обновляются при регистрации осциллографом новых данных.
При записи результатов автоматических измерений значения функции
«Meam» следует обратить внимание, что осциллограф производит автоматические вычисления данной функции по всему зарегистрированному сигналу (см.
выше и рис. 2).
Рисунок 2 – Осциллограмма одиночного импульса с изображением
значений результатов автоматических измерений функции «Meam»
Для недостаточно квалифицированного пользователя данные обстоятельства предопределяют наличие большой методической погрешности измерений.
Для минимизации данной погрешности необходимо посредством изменения
масштаба временной развёртки совместить точки начала и окончания импульсного процесса с первой и последней выборками записываемого сигнала. Однако
полное совмещение вследствие дискретности установки масштаба временной
развёртки невозможно. На практике величина погрешности может составлять
десятки процентов.
При общетеоретическом подходе величина погрешности определяется базовым выражением для среднего значения периодического сигнала /2/
1T
U ср   u (t )dt .
(1)
T0
Для непериодического сигнала выражение (1) преобразуется к виду
1 t2
U ср 
(2)
 u (t )dt ,
 и t1
где  и  длительность импульса;
3
t1, t 2  моменты начала и окончания импульсного процесса.
Выражение (2) для выборочных значений импульсного процесса запишется в виде:
1 i t 2
(3)
U ср 
 ui (t ) ,
и
i  t1
u i  выборочные значения напряжения импульса в точках дискретизации.
Из выражения (3) видно, что величина методической погрешности зависит
от формы импульса и определяется величиной сомножителя, стоящего перед
знаком суммы.
Для ликвидации вышеуказанной методической погрешности необходимо
производить суммирование выборочных значений не по всему зарегистрированному сигналу, а только по сигналу импульса. Следует также отметить, что
фирма производитель осциллографов данной серии никаких пояснений по данным обстоятельствам не даёт, кроме того, никаким образом не указывает на существование данных обстоятельств.
Из представленных разъяснений также следует, что существует несколько
вариантов учёта данной погрешности. Наиболее простым способом является визуально аналитический способ. Суть данного способа сводится к тому, что по
записанной осциллограмме импульсного процесса определяется количество выборочных значений, приходящихся на непосредственно импульсный процесс
nи , а затем по формуле
n u
(4)
U ср  и meam ,
2500
где u meam  результат автоматических измерений функции «meam», определяется действительное значение среднего напряжения импульса. Однако данный
способ не может обеспечить достаточно высокую точность.
Значительно большую точность обеспечивает способ использования интерфейсных функций осциллографа и программных методов расчёта средних
значений импульса. При использовании данного способа с помощью интерфейсных функций осциллографа данные выборочных значений зарегистрированного сигнала передаются в какую-либо программу для их последующей обработки. По мнению авторов на практике наиболее удобной для данных целей
оказалась программа Microsoft Excel (см. рис. 3). Суть обработки данных во
внешней программе состоит в определении тем или иным способом дискретных
отсчётов зарегистрированного сигнала, соответствующих началу и окончанию
импульсного процесса, выделению этих данных и их последующую обработку в
соответствии с выражением (3). Следует также отметить, что для практики
крайне важным обстоятельством данной процедуры является учёт формы представления данных, а также то, что пока формат данных не будет изменён он сохраняется, даже при нажатии кнопки DEFAULT SETUP (Настройки по умолчанию). Форматы данных осциллографов серии TPS2000 приведены в таблице 1.
Обмен данными между осциллографом и компьютером может производится по имеющимся в осциллографах серии TPS2000 интерфейсам RS-232 и
Centronics.
где
4
Для передачи данных с осциллографа на компьютер применяется приложение Open Choice Desktop поставляемое вместе с осциллографом. Если приложение не работает, то необходимо протестировать интерфейс RS-232. Может
потребоваться также программа эмуляции терминала, позволяющая пользователю просматривать передаваемые символы. Чтобы строки не перекрывались,
следует включить режим повтора (echo) и разрешить использование символа
возврата каретки (CRLF).
Рисунок 3 – Ликвидация методической погрешности вычисления функции
«meam» для одиночного импульса напряжения с использованием программы
Microsoft Excel
Таблица 1
Формат
файла
Расширение
BMP
BMP
PCX
PCX
TIFF
RLE
EPSIMAGE
TIF
RLE
EPS
Описание
Используется по умолчанию. В основе этого
формата лежит алгоритм сжатия без потерь.
Формат совместим с большинством текстовых
редакторов и электронных таблиц.
Формат, используемый в графическом редакторе
Paintbrush (MS-DOS)
Формат Tagged Image File Format
Формат с кодированием Run-Length Encoding
Формат Postscript
5
В заключение отметим возможность использования самого эффективного
(в тоже время, самого сложного) способа программной обработки данных, представленных в двоичной форме.
Чтобы использовать порт RS-232 для передачи двоичных данных необходимо использовать аппаратную сигнализацию (RTS/CTS). При аппаратной сигнализации сохранность данных гарантируется. Все восемь бит двоичных данных
содержат значимые сведения. Чтобы убедится, что все восемь бит получены или
переданы, следует настроить внешнее устройство RS-232 для получения восьмибитовых символов (установить длину слова для RS-232 равную восьми битам).
Для проверки состояния отправленных команд необходимо ввести запрос
STB? и просматривать строку ответа /3/.
Когда осциллограф фиксирует сигнал прерывания, проходящий через порт
RS-232 на экране появляется команда DCL (длиной в три знака), за которой следует символ конца строки. При этом, фактически действия осциллографа совпадают с действиями при получении команды <DCL> (очистить устройство) порта GPIB, при использовании которой очищается содержимое буферов ввода и
вывода и ожидается следующая команда. Сигналы прерывания не изменяют
настройку параметров осциллографа или хранящиеся данные и не прерывают
функционирование передней панели или выполнения функций, не связанных с
программированием.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Tektronix, Inc. 14200 SW Karl Braun Drive P.O. Box 500 Beaverton, OR
97077 USA. Цифровой запоминающий осциллограф серии TPS 2000. Руководство по эксплуатации.
2. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники: В
2-х т. Том 1. – 3-е изд. Перераб. и доп. – Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние,
1981. – 536 с.
3. Tektronix, Inc. 14200 SW Karl Braun Drive P.O. Box 500 Beaverton, OR
97077 USA. Руководство по программированию цифровых осциллографов серии
TDS200, TDS1000, TDS2000, TPS2000 (071-1075-XX).
Ершов Андрей Борисович
Ставропольский государственный аграрный университет, электроэнергетический факультет, г. Ставрополь
Доцент кафедры электроснабжения и эксплуатации электрооборудования,
кандидат технических наук
Тел. (8652) 72-93-03, +7 (918) 750-54-01
E-mail: 7112828@rambler.ru
Хорольский Владимир Яковлевич
Ставропольский государственный аграрный университет, электроэнергетический факультет, г. Ставрополь
6
Профессор кафедры электроснабжения и эксплуатации электрооборудования, доктор технических наук, профессор
Тел. (8652) 23-25-52,
Ефанов Алексей Валерьевич
Невинномысский технологический институт Северо-Кавказского государственного технического университета, г. Невинномысск
Заведующий кафедрой информационных систем электропривода и автоматики, кандидат технических наук, доцент
Тел. (4862) 42-22-31,
E-mail: sdp@rekom.ru
7