Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах. Автоматизация измерительной установки

часть пластины над ПАВ преобразователем были вварены два штуцера из

нержавеющих трубок 3-х миллиметрового диаметра для введения в ячейку

требуемых газовых потоков, а также откачки ее на вакуум. Для исключения

попадания пыли и частиц грязи на поверхность распространения поверхностно-

акустической волны, в штуцеры были введены специальные фильтры,

используемые в качестве вкладышей во входных штуцерах газовых редукторов.

При проведении экспериментов штуцеры ячейки соединялись с соответствующими

выводами универсального газового стенда.

Описание приборов и материалов

Для измерения частоты ПАВ в работе использовался частотомер электронно-

счетный Ч3-54, характеристики которого представлены ниже:

[pic]

Рисунок 3 Внешний вид частотомера Ч3-54

Назначение:

1. Частотомер электронно-счетный 43-54 предназначен для:

- измерения частоты синусоидальных и частоты следования импульсных

сигналов;

- измерения периода синусоидальных и периода следования импульсных

сигналов;

- измерения длительности импульсов и интервалов времени;

- измерения отношения частот электрических сигналов;

- суммирования электрических сигналов;

- деления частоты электрических сигналов;

- выдачи напряжений опорных частот;

- работы со сменными блоками.

2. Прибор по условиям эксплуатации предназначен для работы в условиях:

- температура окружающей среды от 243 до 323 К (от минус 30 до +50°С);

- повышенная влажность до 98% при температуре до 308 К (+35°С).

3. Прибор питается от сети переменного тока напряжением (220 ± 22) В

частотой (50±0,5) Гц; (220±11) В или (115±6) В частотой (400-12+25 ) Гц.

4. В приборе предусмотрена возможность работы со сменными блоками и другими

приборами.

Применение сменных блоков и других приборов позволяет производить

измерение частоты в широком диапазоне и значительно расширяет возможности

прибора.

При работе со сменным блоком усилителем широкополосным ЯЗЧ-31/1 прибор

измеряет частоту синусоидальных сигналов в диапазоне от 0.1 до 60 МГц при

уровне входного сигнала от 1 мВ до 10 В.

При работе со сменным блоком преобразователем частоты ЯЗЧ-41 прибор

измеряет частоту синусоидальных сигналов в диапазоне от 0,1 до 1 ГГц при

уровне входного сигнала от 0.05 до 1 В.

При работе со сменным блоком преобразователем частот ты ЯЗЧ-42 прибор

измеряет частоту синусоидальных сигналов в диапазоне от 1 до 5 ГГц при

уровне входного сигнала от 0.2 до 10 мВт.

При работе со сменным блоком преобразователем частоты ЯЗЧ-43 прибор

измеряет частоту синусоидальных сигналов в диапазоне от 4 до 12 ГГц при

уровне входного сигнала от 0.2 до 5 мВт.

При работе со сменным блоком преобразователем частоты автоматическим ЯЗЧ-

72 прибор измеряет частоту синусоидальных сигналов от 0.3 до 7 ГГц при

уровне входного сигнала от 0.2 до 5 мВт.

При работе со сменным блоком преобразователем частоты автоматическим ЯЗЧ-

72 или преобразователем частоты ЯЗЧ-42 и преобразователем частоты Ч5-13

измеряется частота синусоидальных сигналов в диапазоне от 10 до 78.33 ГГц

при уровне входного сигнала от 0,1 до 5 мВт (10 – 37.5) ГГц, от 0.5 до 5

мВт (37.5 - 70) ГГц и от 1 до 5 мВт (70 – 78.33) ГГц.

При работе со сменным блоком преобразователем частоты ЯЗЧ-87 прибор

измеряет частоту синусоидальных сигналов и несущую частоту импульсно-

модулированных сигналов от 0.07 до 12 ГГц при уровне входного сигнала от

0.1 до 5 мВт.

При работе со сменным блоком преобразователем частоты ЯЗЧ-88 прибор

измеряет частоту синусоидальных сигналов и несущую частоту импульсно-

модулированных сигналов от 8 до 18 ГГц при уровне входного сигнала от 0.4

мВт до 5 мВт.

5. Прибор может применяться для настройки, испытаний и калибровки

различного рода приемо-передающих трактов, фильтров, генераторов, для

настройки систем связи и других устройств.

Технические данные

1. Прибор измеряет:

. по ВХОДУ А частоту синусоидальных сигналов:

- в диапазоне от 0.1 Гц до 420 МГц при напряжении входного сигнала от

0.1 до 100 В эфф.;

- в диапазоне от 120 до 150 МГц при напряжении входного сигнала от 0.2

до 3 В эфф.;

. по ВХОДУ Д частоту синусоидальных сигналов в диапазоне от 50 до 300 МГц

при напряжении входного сигнала 0.2 до 3 В эфф.;

. по ВХОДУ А частоту следования импульсных сигналов любой полярности,

имеющих не более двух экстремальных значений за период, в диапазоне от

0.1 Гц до 120 МГц при напряжении входного сигнала от 0,3 до 100 В.

2. Относительная погрешность измерения частоты синусоидальных и импульсных

сигналов (f в пределах значений, рассчитанных по формуле:

[pic]

где (0 - относительная погрешность по частоте внутреннего кварцевого,

генератора или внешнего источника, используемого вместо внутреннего

генератора;

fизм – измеряемая частота, Гц;

tcч – время счета, с.

3. Номинальное значение частоты кварцевого генератора - 5 МГц. Пределы

корректировки частоты кварцевого генератора при выпуске прибора не менее

±5•10-7 относительно номинального значения частоты.

Действительное значение частоты кварцевого генератора при выпуске прибора

установлено с погрешностью в пределах ±2•10-8 относительно номинального

значения частоты после времени установления рабочего режима.

4. Максимальная относительная погрешность по частоте кварцевого генератора

после времени установления рабочего режима не должна быть более:

± 1.5(10-7 в течение 1 месяца;

±2.5(10-7 в течение 6 месяцев;

±5(10-7 в течение 12 месяцев,

Время 1, 6 и 12 месяцев отсчитывается с момента установки действительного

значения частоты с погрешностью в пределах ±2(10-8.

5. Относительное изменение среднего значения частоты выходного сигнала

кварцевого генератора за 1 сутки в пределах:

после времени установления рабочего режима ±2(10-8;

после 24 часов непрерывной работы ± 1(10-8;

после 72 часов непрерывной работы ±5(10-8.

6. Среднеквадратическая относительная случайная вариация частоты кварцевого

генератора при окружающей температуре, поддерживаемой с точностью ±1°С,

после времени установления рабочего режима не должна быть более:

±1(10-10 за 1 с;

±1(10-10 зa 10 с;

±3(10-9 за 1 ч.

7. Температурный коэффициент частоты кварцевого генератора в пределах:

±1(10-9 на 1°С (для приборов с приемкой представителя заказчика);

±3(10-9 на 1°С (для остальных потребителей).

8. Прибор измеряет по ВХОДУ Б единичный и усредненный (коэффициент

усреднения равен 10, 102, 103 и 104) период сигналов синусоидальной, и

импульсной формы любой полярности при длительности импульсов не менее 0.1

мкс в диапазоне частот от 0 до 1 МГц. Напряжение входного сигнала:

от 0.1 до 100 В эфф. для сигнала синусоидальной формы;

от 0.3 до 100 В для сигнала импульсной формы.

9. Относительная погрешность измерения периода (т синусоидальных сигналов

должна быть в пределах значений, рассчитанных по формуле:

[pic]

где (0 - относительная погрешность по частоте внутреннего кварцевого,

генератора или внешнего источника, используемого вместо внутреннего

генератора;

n - число усредняемых периодов (множитель периода);

Ттакт - период частоты заполнения (метки времени);

Тизм - измеряемый период;

(з - относительная погрешность уровня запуска, определяемая по

формуле:

[pic]

где Uш - амплитуда шумового сигнала, В;

Uc - амплитуда входного сигнала, В.

Значения относительной погрешности (з в зависимости от

соотношения [pic]приведены ниже

| |20 |40 |60 |

|[pic], дБ | | | |

|(з |3(10-2 |3(10-3 |3(10-4 |

Относительная погрешность измерения периода импульсных сигналов при

длительности фронтов импульсов не более половины периода сигнала заполнения

- в пределах значении, определяемых по формуле:

[pic]

10. Прибор измеряет отношение частот электрических сигналов.

Диапазон высшей из сравниваемых частот (ВХОД А) от 10 Гц до 150 МГц.

Диапазон низшей из сравниваемых частот (ВХОД Б) от 0 до 1 МГц.

Напряжение и форма входных сигналов соответствуют приведенным в пп. 1 и

8.

11. Относительная погрешность измерения отношения частот [pic] - в пределах

значении, определяемых по формуле:

[pic]

для сигнала низшей (f2) из сравниваемых частот синусоидальной формы или

импульсного сигнала при длительности фронтов более половины периода

высшей (f1) из сравниваемых частот и в пределах значений, определяемых

по формуле:

[pic]

для импульсного сигнала низшей из сравниваемых частот с длительностью

фронтов не более половины периода высшей из сравниваемых частот.

12. Прибор производит по ВХОДУ А счет числа (суммирование) электрических

колебаний в диапазоне частот от 0 до 150 МГц за время, устанавливаемое

вручную.

Напряжение и форма входного сигнала соответствуют п. 1.

13. Прибор измеряет по ВХОДАМ В и Г интервал времени в диапазоне от 0.1 мкс

до 105 с при внутренних частотах заполнения 103, 104, 105, 106, 107 и 108

Гц, частота внешнего сигнала заполнения от 0 до 150 МГц.

Напряжение входного сигнала импульсной формы соответствует приведенному в

п. 8.

14. Относительная погрешность измерения интервалов времени при длительности

фронтов измеряемых импульсов не более половины периода сигнала заполнения

не должна превышать значения, определяемого по формуле:

[pic]

где (0 - относительная погрешность частоты кварцевого генератора или

внешнего источника, используемого вместо внутреннего кварцевого

генератора;

(изм - измеряемый интервал, мс;

и при длительности фронтов более половины сигнала заполнения не должна

превышать значения, определяемого по формуле:

[pic]

где (ф1, (ф2 - длительность фронтов импульсов, определяющих начало и

конец счета, мс.

15. Входное сопротивление и входная емкость прибора по ВХОДАМ А и Б не

менее 1 МОм и не более 70 пФ.

При нажатой кнопке «50 (» входное сопротивление прибора по ВХОДУ А - 50

Ом.

16. Прибор измеряет в режиме КОНТРОЛЬ собственные опорные частоты 1, 10,

100 кГц, 1, 10, 100 МГц с целью проверки работоспособности прибора.

17. Прибор обеспечивает непосредственный отсчет результатов измерения в

цифровой форме с индикацией единиц измерения (MHz, KHz, mS, (S),

переполнения (П), децимальной точки. В режиме ПАМЯТЬ прибор обеспечивает

хранение результата измерения на время цикла измерения.

18. Время счета прибора при измерении частоты по ВХОДУ А 10-3, 10-2, 10-1,

1 и 10 с. При измерении частоты по ВХОДУ Д время счета удваивается.

19. При автоматическом пуске прибор обеспечивает возможность плавной

установки времени индикации результатов измерения от 0.1 до 5 с; с

допустимым отклонением +50% от указанных величин; при ручном и внешнем

пуске время индикации неограниченное.

20. Прибор делит по ВХОДУ Б частоту входного сигнала в диапазоне от 0 до 1

МГц с коэффициентом деления 1, 10, 102, 103 и 104.

Напряжение и форма входного сигнала соответствуют приведенным в п. 8.

Форма выходного сигнала - положительный импульс длительностью не менее

0.1 мкс, амплитудой не менее 2 В на нагрузке 10 кОм.

21. Прибор выдает сигналы опорных частот: 0.1; 1, 10, 100 Гц, 1, 10, 100

кГц, 1 и 10 МГц, имеющие форму положительных импульсов со скважностью не

более 5 и амплитудой не менее 2 В на нагрузке 10 кОм; 5 и 50 МГц

напряжением; не менее 0.5 В на нагрузке 1 кОм на конце кабеля

соединительного (4.850.597-21). Форма сигнала - близкая к синусоидальной.

22. Прибор работает от внешнего источника опорной частоты 5 МГц ±100 Гц

напряжением от 0.5 до 3 В на нагрузке 100 Ом вместо внутреннего

кварцевого генератора.

23. Прибор выдает на регистрирующее устройство информацию о значении

измеряемой величины в потенциальном виде в параллельном двоично-

десятичном коде 8-4-2-1 с уровнями напряжений на нагрузке 10 кОм;

от +2,4 до +4,5 В - логическ. «1»;

от 0 до +0,5 - логическ. «0».

24. Прибор принимает внешний сигнал запрета работы напряжением от 0 до +0.4

В.

25. После окончания счета прибор выдает командный сигнал для запуска

регистрирующего устройства - положительный перепад напряжением с уровнями

логического «0» от 0 до +0.5 В, логической «1» от +2.4 до +4.5 В на

нагрузке10 кОм.

26. Прибор имеет автоматический, ручной и внешний сброс-пуск. Внешний сброс-

пуск осуществляется импульсом положительной полярности, амплитудой от

+2.4 до +4.5 В, на нагрузке 10 кОм, длительностью не менее 10 мкс при

крутизне фронта не менее 0.5 В/мкс.

27. Прибор обеспечивает возможность дистанционного управления

переключателями: РОД РАБОТЫ, ВРЕМЯ СЧЕТА-МНОЖИТЕЛЬ, МЕТКИ ВРЕМЕНИ, «50

(», «1V/10V», БЛОК, «150 MHz;/5 MHz», а также уровнями срабатывания

усилителей по ВХОДУ А и ВХОДУ Б.

28. Прибор обеспечивает свои технические характеристики после времени

установления рабочего режима, равного 2 ч. Время готовности прибора без

гарантированной погрешности частоты внутреннего кварцевого генератора или

работе с внешним источником опорной частоты - не более 1 мин; при работе

прибора в интервале температур от 263 до 243 К (от минус 10 до минус

30°С) - не более 10 мин.

29. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением

(220±22) В частотой (50±0.5) Гц, (220±11) или (115 ± 6) В частотой (400-

12+28) Гц. Допустимое содержание гармоник до 5%.

30. В приборе обеспечена возможность автоматического подключения цепи

питания кварцевого генератора к внешнему источнику постоянного напряжения

+(27±3) В с потребляемым током не более 0.37 А.

31. Мощность, потребляемая прибором от сети при финальном напряжении, не

превышает 100 ВА.

32. Прибор сохраняет свои технические характеристики в течение 16 ч

непрерывной работы.

33. Нормальные условия эксплуатации:

температура окружающей среды - (293±5)К (20±5) 0С;

относительная влажность воздуха - (65±15)%;

атмосферное давление - (100±4) кПа (750±30) мм рт. ст.

34. Рабочие условия эксплуатации:

температура окружающей среды - от 243 до 323 К (от минус 30 до плюс

50°С);

повышенная влажность - до 98% при температуре до 308K (+35°C);

атмосферное давление - (100±4) кПа (750±30) мм рт. ст.

35. Предельные условия:

температура окружающей среды - от. 223 до 338 К (от минус 50 до +65°С);

пониженное атмосферное давление – 61.33 кПа (460 мм рт. ст.). После

пребывания в предельных условиях время выдержки прибора в нормальных

условиях не менее 2 часов.

36. Габаритные размеры прибора 490х136х480 мм. Масса прибора (без упаковки)

не более 16 кг.

37. Наработка на отказ прибора - не менее 3000 ч

38. Средний срок службы прибора - не менее 10 лет. Средний ресурс - не

менее 10000 часов.

Сопряжение частотомера с ЭВМ

Особенности задачи

Одной из задач данной диссертации является повышение автоматизации

установки, то есть сопряжение ее ЭВМ.

Задачей сопряжения было получение и обработка выходного сигнала

частотомера на терминале ЭВМ. Так как частотомер не имел интерфейса для

непосредственного сопряжения его с ЭВМ, встала необходимость преобразования

выходного сигнала, представленного в параллельном двоично-десятичном коде 8-

4-2-1 в последовательный код, приемлемый для интерфейса RS-232C ЭВМ.

Выбор в пользу применения интерфейса RS-232C обусловлен наличием

следующих факторов:

. относительная удаленность объекта обмена информацией (внешнего

устройства) от компьютера (стандартом оговорена длина кабеля до 15 м при

наличии общего контура заземления, однако во многих практических случаях

она может быть существенно увеличена, хотя и с некоторым снижением

рабочих скоростей);

. сравнительно (по отношению к параллельным методам и локальным

вычислительным сетям) невысокая скорость обмена данными (максимально

возможная скорость передачи данных стандартного последовательного порта

компьютера составляет 115200 бит/сек, что ограничивает скорость обмена

величиной около 10 Кбайт/сек);

. применение стандартного интерфейса для подключения к компьютеру без его

вскрытия.

Далее приведена информация, пользуясь которой разработчик сможет

осуществить сопряжение проектируемого устройства с компьютером при помощи

интерфейса RS-232C

Интерфейс RS-232C предназначен для подключения к компьютеру

стандартных внешних устройств (принтера, сканера, модема, мыши и др.), а

также для связи компьютеров между собой. Основными преимуществами

использования RS-232C по сравнению с другими интерфейсами являются

возможность передачи на большие расстояния и гораздо более простой

соединительный кабель. В то же время работать с ним несколько сложнее.

Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт

обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в

одну, так и в другую сторону (дуплексный режим).

Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем

для подключения RS-232C. Назначение контактов разъема приведено в таблице

1.

|Цепь |Контакт (25-контактный |Контакт (9-контактный |I/O |

| |разъем) |разъем) | |

|FG |1 |' |- |

|-TxD |2 |3 |0 |

|-RxD |3 |2 |I |

|RTS |4 |7 |0 |

|CTS |5 |8 |I |

|DSR |6 |6 |I |

|SG |7 |5 |- |

|DCD |8 |1 |I |

|DTR |20 |4 |0 |

|RI |22 |9 |I |

Таблица 1 Назначение контактов разъемов интерфейса RS-232C

(I - входной сигнал компьютера, О - выходной сигнал).

Назначение сигналов следующее.

FG - защитное заземление (экран).

-TxD - данные, передаваемые компьютером в последовательном коде (логика

отрицательная).

-RxD - данные, принимаемые компьютером в последовательном коде (логика

отрицательная).

RTS - сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.

CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи.

Страницы: 1, 2, 3, 4