Метрологическая надежность блоков ацп в структуре информационно-измерительной системы

Важнейшим показателем качества средств измерений, и в том числе информационно−измерительных систем (ИИС), является метрологическая надежность (МН), характеризующаяся способностью измерительных средств сохранять во времени метрологические характеристики (МХ) в пределах установленных норм при эксплуатации, техническом обслуживании и хранении.

Как известно, метрологическая надежность блоков, составляющих измерительный канал (ИК) информационно−измерительных систем, в конечном итоге однозначно определяет МН ИИС в целом. В современной структуре измерительного канала ИИС важное место занимает аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который характеризуется высокой точностью, сложностью и важностью выполняемых функций. Вопрос оценки показателей метрологической надежности данного блока является весьма важным для оценки метрологической надежности ИИС в целом. Показателем МН аналого−цифрового преобразователя в структуре ИИС является вероятность сохранения метрологической исправности в произвольный момент времени эксплуатации метрологический ресурс (МР), определяемый временем пересечения реализаций нестационарного случайного процесса изменения во времени МХ границ поля допуска.

Информационно-измерительные системы представляют собой сложные технические системы, предназначенные для измерения физических величин и преобразования их в цифровой вид. Они широко применяются в различных областях науки и техники, таких как автоматизация производственных процессов, медицина, телекоммуникации и другие. Одним из ключевых компонентов ИИС является блок аналого-цифрового преобразования, который выполняет преобразование аналогового сигнала в цифровой формат [1].

Метрологическая надежность блоков АЦП является важным критерием при выборе и использовании данных устройств в ИИС. Она определяется как способность АЦП обеспечивать точность и стабильность измерений в заданных условиях эксплуатации. Важными характеристиками метрологической надежности являются точность, разрешающая способность, линейность, устойчивость к внешним воздействиям и другие [2].

Существует несколько методов и подходов к оценке метрологической надежности блоков АЦП. Один из наиболее распространенных методов — это метод сравнения. Он основан на сравнении измеряемой величины с эталонными значениями и вычислении погрешности измерений. Другой метод — это метод статистической обработки данных. Он основан на анализе статистических характеристик измерений, таких как среднее значение, среднеквадратическое отклонение, дисперсия и другие [3].

Оценка метрологической надежности блоков АЦП также может быть проведена с использованием математических моделей и симуляционных методов. Математические модели позволяют описать поведение АЦП в различных условиях эксплуатации и предсказать его характеристики. Симуляционные методы позволяют провести виртуальные эксперименты с использованием моделей АЦП и оценить их метрологическую надежность.

Метрологические характеристики АЦП определяют его способность обеспечивать точность и стабильность измерений. К ним относятся: разрешающая способность, линейность, нелинейность, динамический диапазон, частотная характеристика и другие.

Разрешающая способность определяет минимальный уровень сигнала, который может быть обнаружен АЦП. Чем выше разрешающая способность АЦП, тем более точные будут результаты измерений. Разрешающая способность АЦП определяется количеством бит, используемых для представления цифрового значения сигнала. Например, АЦП с разрешающей способностью 12 бит может представить сигнал с точностью до 1/4096 его максимального значения. Если АЦП имеет низкую разрешающую способность, то результаты измерений ИИС будут менее точными [4].

Линейность характеризует способность АЦП воспроизводить входной сигнал с заданной точностью. Линейность определяет способность АЦП воспроизводить входной сигнал с заданной точностью. Если АЦП имеет низкую линейность, то результаты измерений ИИС будут искажены. Нелинейность АЦП может проявляться в виде грубых ошибок или небольших искажений в зависимости от уровня сигнала. Поэтому важно выбирать АЦП с высокой линейностью для обеспечения точности измерений ИИС. Нелинейность характеризует отклонение выходного сигнала АЦП от идеальной прямой зависимости от входного сигнала.

Динамический диапазон определяет отношение максимального и минимального сигналов, которые может измерить АЦП. Частотная характеристика определяет способность АЦП передавать сигналы различных частот без искажений [5]. Динамический диапазон ИИС зависит от динамического диапазона АЦП и других компонентов системы. Если АЦП имеет низкий динамический диапазон, то динамический диапазон ИИС будет ограничен. Это может привести к потере информации о слабых сигналах или искажению сильных сигналов. Поэтому для обеспечения широкого динамического диапазона ИИС необходимо выбирать АЦП с высоким динамическим диапазоном.

Частотная характеристика АЦП определяет способность АЦП передавать сигналы различных частот без искажений. Частотная характеристика ИИС зависит от частотной характеристики АЦП и других компонентов системы. Если АЦП имеет низкую частотную характеристику, то частотная характеристика ИИС будет ограничена. Это может привести к искажению высокочастотных сигналов или потере информации о низкочастотных сигналах. Поэтому для обеспечения широкой частотной характеристики ИИС необходимо выбирать АЦП с высокой частотной характеристикой.

Метрологические характеристики ИИС определяют его способность обеспечивать точность и стабильность измерений при использовании АЦП. К ним относятся: точность измерений, стабильность, частотная характеристика, динамический диапазон и другие. Точность измерений определяет отклонение результата измерений от истинного значения. Стабильность характеризует изменение результатов измерений во времени при постоянных условиях. Частотная характеристика определяет способность ИИС передавать сигналы различных частот без искажений. Динамический диапазон определяет отношение максимального и минимального сигналов, которые может измерить ИИС [6].

Таким образом, метрологические характеристики АЦП имеют существенное влияние на метрологические характеристики ИИС. Разрешающая способность, линейность, динамический диапазон и частотная характеристика АЦП определяют точность, стабильность, динамический диапазон и частотную характеристику ИИС соответственно. Поэтому при проектировании ИИС необходимо учитывать требования к метрологическим характеристикам АЦП и выбирать подходящие модели АЦП для обеспечения требуемой точности и стабильности измерений.

1. Козырев Геннадий Иванович, Лавров Роман Олегович, Усиков Валентин Дмитриевич ПОСТРОЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ВООРУЖЕНИЯ И ВОЕННОЙ ТЕХНИКИ // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2020. №3 (33).
2. Безбородова Оксана Евгеньевна, Бодин Олег Николаевич, Коваль Николай Сергеевич, Трофимов Алексей Анатольевич, Григорьев Алексей Валерьевич МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО БЛАГОПОЛУЧИЯ ЧЕЛОВЕКА // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2023. №2 (44).
3. Чернышова Татьяна Ивановна, Третьяков Владимир Владиславович Метод повышения метрологического ресурса аналоговых блоков информационно-измерительных систем // Вестник ТГТУ. 2015. №2.
4. Авагян Сурен Константинович Информационно-измерительные системы // Вестник науки и образования. 2020. №7-1 (85).
5. Курносов Роман Юрьевич, Чернышова Татьяна Ивановна МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ПРОЦЕДУРЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ПРИ ОЦЕНКЕ ИХ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2020. №3 (33).
6. Чернышова Татьяна Ивановна, Третьяков Владимир Владиславович Метод повышения метрологической надежности при проектировании аналоговых блоков информационно-измерительных систем // НиКСС. 2017. №1 (17).