Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2012
Derek MacLachlan, Keithley Instruments
Test & Measurement World
Этап 3
На этом этапе происходит создание самой системы и проверка ее характеристик, включая ряд методов, которые могут быть использованы для улучшения качества измерений.
После того, как разработчик выбрал соответствующее оборудование, кабели и приспособления, а также установил, что характеристики этого оборудования соответствуют необходимым требованиям, пришло время собрать саму установку, проверяя ее работоспособность на каждом шаге. Необходимо убедиться, что не истек поверочный период каждой части испытательного оборудования, который, как правило, равен одному году. Если прибор будет использоваться для измерения напряжения, закорачивая щупы между собой, можно определить погрешность смещения и непосредственно сопоставить ее с величиной, указанной в документации. Перед использованием амперметра наблюдение за уровнем тока при разомкнутых щупах покажет погрешность смещения. И вновь, найденное смещение можно сравнить со значением, приведенным в документации. Затем к системе подключаются кабели и проверка производится снова. Тоже самое повторяется после добавления крепежного оборудования и испытуемого устройства. Если характеристики системы не соответствуют требованиям приложения, такой метод пошаговой проверки должен помочь выявить источники проблем.
Затем следует проверить синхронизацию системы и убедиться, что задержки соответствуют временам установления. Недостаточные временные задержки между измерениями часто могут быть причиной снижения точности и воспроизводимости. Практически, это является одним из наиболее распространенных источников ошибок в измерительных системах, что особенно заметно при проведении тестов на высокой скорости, вследствие чего результаты отличаются от величин, полученных при измерениях по методу «шаг за шагом» или вручную.
Хотя индуктивность может влиять на время установления, основным источником задержек, все же, является емкость системы. При ручных измерениях задержка от 0.2 до 0.5 секунд будет почти незаметна, но в автоматизированных системах шаги, как правило, измеряются миллисекундами, или меньше, и даже простейшим измерительным установкам для получения точных результатов после смены воздействия могут потребоваться задержки от пяти до десяти миллисекунд.
Большим системам с огромным количеством кабелей (следовательно, с большой емкостью, вносимой проводами) могут потребоваться более значительные задержки или использование специальных защитных ограждений. Коаксиальный кабель обычно имеет емкость 100 пФ на метр. Общепринятым решением является обеспечение в процессе измерений задержек, достаточных для установления измеряемого сигнала. В основном требуются паузы длиной в несколько миллисекунд, но для некоторых приложений требуются более продолжительные задержки. Для этих целей большинство приборов компании Keithley имеют программируемую задержку запуска.
Защитное ограждение (другое название – охранное кольцо) является одним из методов борьбы с емкостью, снижающим ошибки, обусловленные утечкой, и уменьшающим время отклика. Защитное ограждение состоит из подключенного к низкоимпедансному источнику проводника, окружающего вывод высокоимпедансного сигнала. Потенциал экрана поддерживается равным напряжению сигнала или близким ему.
Основные источники погрешностей измерений
Несмотря на то, что все системы уникальны, имеются следующие наиболее распространенные источники погрешностей:
 |
|
| Рисунок 3а. | |
- Сопротивление выводов. При измерении сопротивлений, особенно малых, необходимо учитывать сопротивление щупов. В примере, изображенном на Рисунке 3а, измерение сопротивления производится двумя проводами. Прибор подключает к своим входным клеммам внутренний источник стабильного тока и измеряет падение напряжения на тестируемом резисторе. Этот метод даст хорошие результаты, если сопротивление резистора будет намного больше сопротивления щупов. Однако несложно понять, что произойдет, если измеряемое сопротивление будет близко к сопротивлению щупов, или даже меньше его. Эту проблему можно устранить, производя замеры с помощью четырех проводов (Рисунок 3б). Теперь падение напряжения будет измеряться только на резисторе, а не на резисторе и щупах. Как правило, входное сопротивление вольтметра очень высоко по сравнению с измеряемым сопротивлением, поэтому сопротивление щупов в цепи вольтметра уже не играет никакой роли. Если все же измеряемое сопротивление очень велико и близко к входному сопротивлению вольтметра, может потребоваться электрометр или другой прибор со сверхбольшим сопротивлением входа.
 |
|
| Рисунок 3б. | |
- Термо-ЭДС в соединениях. В любой измерительной установке, соединения, сделанные из неоднородных металлов, будут образовывать термопару. Термопара, по сути, представляет собой устройство, состоящее из двух неоднородных металлов, вырабатывающее напряжение, которое меняется в зависимости от температуры. Это свойство полезно при измерении температуры, но в обычных установках оно приводит к появлению нежелательного напряжения, зависящего от окружающей температуры. В Таблице 1 приведено несколько вариантов сочетания металлов и генерируемых ими термоэлектрических потенциалов. Даже при соединении меди с медью будет достаточно различий в сплавах двух частей, чтобы возникла термо-ЭДС. Если величина таких ошибок будет существенна по сравнению с измеряемым значением, устранить этот эффект поможет метод компенсации смещения.
Таблица 1. Термоэлектрические потенциалы
|
Материал
|
Потенциал
|
|
Cu – Cu
|
≤0.2 мкВ/°C
|
|
Cu – Ag
|
0.3 мкВ/°C
|
|
Cu – Au
|
0.3 мкВ/°C
|
|
Cu – Cd/Sn
|
0.3 мкВ/°C
|
|
Cu – Pb/Sn
|
1…3 мкВ/°C
|
|
Cu – Si
|
400 мкВ/°C
|
|
Cu – Ковар
|
40 мкВ/°C
|
|
Cu – CuO
|
1000 мкВ/°C
|
Средства компенсации смещения встроены во многие приборы компании Keithley. Когда эта опция активирована, цикл измерения состоит из двух фаз (Рисунок 4). В первой фазе происходит измерение напряжения с включенным источником стимулирующего тока, во второй – с выключенным. Вычитание из результата, полученного на первом этапе, величины, измеренной на втором этапе, даст искомую ошибку, возникающую за счет термо-ЭДС. Такой метод эффективно устраняет проблемы снижения точности из-за температурного дрейфа.
 |
|
| Рисунок 4. | |
- Внешние помехи. Внешние помехи в процессе измерения сигнала привносят ошибки, как по постоянному, так и по переменному току. Наиболее распространенным источником шумов являются сети частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от того, в какой стране производятся измерения. Дополнительные милливольты шума не являются чем-то необычным, особенно когда замеры проводятся вблизи люминесцентных ламп. Составляющие шума, наложенного на измеряемый сигнал постоянного тока, могут привести к очень неточным и нестабильным результатам. Как показано на Рисунке 5, измеренная величина будет сильно зависеть от того, где выполнено измерение относительно синусоиды. Большинство современных приборов позволяет пользователям задать период интегрирования входного сигнала по отношению к числу периодов сети (number of power line cycles – NPLC). Иными словами, при установке 1 NPLC постоянная времени интегрирования составит 20 мс (50 Гц) и 16.67 мс (60 Гц), что устранит влияние шумов любой электросети. Такая функция дает существенное улучшение характеристик прибора.
 |
|
| Рисунок 5. | |
- Теоретические пределы измерений. Законы физики устанавливают фундаментальный предел того, насколько слабым может быть регистрируемый сигнал, поскольку каждая система генерирует определенные шумы, как по току, так и по напряжению. На Рисунке 6 показаны уровни напряжения, измерить которые невозможно, а также уровни, приближающиеся к теоретическим границам измерения.
 |
|
| Рисунок 6. | |
Этап 4
После того, как измерительная система была построена и проверена, можно, наконец, приступать к проведению измерений, в результатах которых пользователь теперь будет уверен. Однако важно регулярно проверять характеристики установки. Из-за старения компонентов точность приборов с течением времени будет снижаться, поэтому необходимо следить за тем, чтобы калибровка выполнялась с установленной периодичностью.
