Испытательная лаборатория. К вопросу оценки аналоговых сигналов. О необходимых параметрах средств измерения.

Автор: Кондратьев А.В.

На протяжении многих лет практической работы по выполнению специальных исследований самых разнообразных технических средств одним из самых сложных видов СИ были и остаются СИ НЧ АЭП. Напомним, что сии аббревиатуры означают измерение сигналов в отходящих от ТС линиях в речевом диапазоне частот (или «на портах»). И сигналы эти возникают под воздействием на оные ТС звука, то есть под воздействием падающей на ТС звуковой волны. Оставим рассуждения о том, как именно эти сигналы возникают. Об этом уже писано-переписано.

Обратимся к более общим вопросам, относящимся к чистой технологии. Уже далеко не один год приходится спорить и доказывать, как коллегам (в основном в сети, заочно), так и тем, кто занимается разработкой и выпуском средств измерений (средств контроля). Причём споров много, вот только аргументация оставляет желать лучшего. Слова, слова, слова…

Тема инженерная и единственное, чем можно и должно доказывать свою правоту являются цифры. Либо определяемые задачей и условиями её исполнения, либо экспериментальные данные. Причём в последнем случае крайне важную роль играют условия, при которых получены эти данные.

Именно поэтому считаю данную публикацию, несомненно, дискуссионной. Не то, чтобы я не был уверен в изложенном. Как раз наоборот. Но не исключаю, что в каких-то частностях чего-то не увидел, истолковал недостаточно полно и т.д. Да и вообще, зачастую, сколько специалистов – столько мнений. Так что к обоснованной критике готов, это в общих интересах.

В тематике НЧ АЭП вопрос, чем мерять однозначно вытекает из:

• что нужно измерять;
• особенности действующей методики;
• условия измерения (на стенде и на объекте);
• схемы измерения

Вот с первых «трёх китов» и начнём. Схемы измерения – это совсем отдельная тема и, боюсь, пристойно осветить её в открытой публикации не представляется возможным. Приобретайте и читайте новое издание группы компаний МАСКОМ. Там это изложено довольно подробно.

Итак – что измеряем? Это несложно J Измеряем (обязаны измерять) в соответствии с действующими НМД, и в согласии с физикой – значения напряжения переменного тока (строгая формулировка из ГОСТ-ов в области метрологии). Весьма редко – силу тока (того же, переменного). Величины измеряемых значений располагаются в диапазоне от первых десятков нВ (то есть порядка хх·10^-8 В) до первых единиц В. Я не описался, именно таков типовой динамический диапазон измеряемых сигналов – до 160 дБ, как ни «жутко» для инженера это звучит.

Не буду голословным, обосновываю:

Минимальные значения определяются тем, что от нас требует действующий НМД – эти самые «первые десятки нВ». Установленные значения «норм» читатель знает (а не знает – значит не положено ;) ). Мысленно представим себе некий «сигнал» АЭП, который равен норме. Даже не равен – всегда хочется иметь некий «запасец» по защищённости, ну, хотя бы процентов 30%, спокойнее на душе. Прикинули? Теперь обычное правило метрологии, корректной может считаться измеренная величина, если она превышает уровень помех в тракте измерения, хотя бы на 3-6 дБ (вообще-то, по классике – не менее, чем на 10 дБ). Значит нужно иметь возможность (об уровне помех мы ещё поговорим) измерять сигналы, которые ниже нашей, самой малой нормы, где-то децибел на 15, как минимум. Вот и обосновали значение минимально допустимой реальной чувствительности средства измерения. Если хотите цифру – я бы её вообще не стал называть, чтобы не оставлять никаких шансов попытке «сконструировать» из этого значение нормы. Пусть так и останется – первые десятки нВ.

Теперь о верхнем пределе. Он определяется совсем иным. Собственно сигналы АЭП редко превышают значения первых десятков мВ (то есть порядка хх·10^-3 В). И не они тут важны. Сложность в том, что все измерения выполняются в условиях огромного числа наводок на измеряемую линию (порт). И главными из них, непосредственно попадающими в рабочий диапазон, являются наводки от промышленной электросети 220В/50 Гц. Разумеется, со всеми её гармониками. Вот значения этих наводок и составляют от сотен мВ до единиц В.

Почему так важен уровень наводок? А потому, что и полезный сигнал и помеха действуют на входе средства измерения одновременно. Для работы в линейном режиме входные цепи обязаны пропускать этот динамический диапазон без искажений (без ограничения, без компрессии). Средств измерения, которые отвечали бы этому требования в мире крайне немного. Причём сразу оговоримся, что нановольтметр Unipan (на котором основывались все методики 80-х годов) таким динамическим диапазоном по сквозному тракту не обладал. Его предусилители – да, приближались. Входные цепи – меньше требуемого.

И ещё одно. Все современные средства измерения построены уже «в цифре». То есть после первичной обработки (усиления, подавления помех) сигнал поступает на АЦП. Так вот мало какой типовой АЦП способен оцифровать сигнал с динамикой больше 80 дБ. Есть «хитрые» схемы включения двух АЦП, но применяют их редко и всё равно, это «нечестные» децибелы J Возникают иные ограничения при применении таких схем. Есть модели и с большей динамикой, но цена растёт стремительно…

Каков же выход? Всё не так страшно J

Первое – оператору всё время помнить о том, что его средство измерения не господь и не всесильно. Постоянно помнить о его динамическом диапазоне и так строить схему эксперимента, чтобы максимально снизить уровень помех (в первую очередь – «сетевых»). Обычно, таким образом, удаётся снизить требования к динамическому диапазону средства измерения децибел на 20-30 (уже нужно не 160, что-то порядка 130 дБ). Как именно – читайте наше пособие. Это уже более специальные вопросы.

Я подчеркнул не зря, что таким динамическим диапазоном должны обладать входные цепи. Сразу после них (что включать в понятие «входные цепи» - вопрос для конструктора. Как правило, это первые 1-2 каскада входного усилителя) можно (вообще-то нужно!) принять меры по подавлению сигналов со столь большими амплитудами. Благо, они почти детерминированы. Как только удаётся их подавить, то для того, что осталось, требуемый динамический диапазон спадает до значений 50-80 дБ, что реализуется уже без всяких сложностей (в том числе и при оцифровке).

Вопрос только в том, как именно построить это подавление. Оно должно быть весьма эффективным, узкополосным (надо минимально «задевать» всё остальное, кроме сетевых помех) и, желательно, адаптивным. Частота электросети у нас тоже «плавает»…

Пожалуй, о том, что нам должно измерять, сказано достаточно. Определился динамический диапазон сигналов, диапазон частот и так знаем, двигаемся дальше.

Что нам предписывает методика? Частично мы этого уже коснулись.

Нам предписывается измерять в отходящих линиях и «на портах», то есть на контактах всяких произвольных разъёмов, на исследуемом ТС имеющихся.

А вот тут начинаются разночтения. В изначальной методике 78 года уточнений на этот счёт «писаных» просто нет. Придётся обратиться к практике, так сказать «к традиции». А она такова. Всё сообщество «сишников» разделилось на две когорты. Одни считают, что измерять надо только в отходящих линиях (я намеренно не касаюсь того, в каких именно. У нас открытое обсуждение в плане физики и метрологии). Вторые считают, что измерять нужно только «на портах», то есть при отсоединённой линии, в режиме «ХХ» для данного порта. Примерно так же делятся мнения и в части того, нужно исследовать ТС в режиме его обычной эксплуатации или в обесточенном состоянии. Кстати на последний вопрос методика отвечает однозначно – в ОБОИХ режимах!

Оставим эту дискуссию «на другой раз», сейчас мы не об этом (лично я считаю, что и в первом случае правильно – измерять в обоих вариантах!). Примем за аксиому, что средство измерения ОБЯЗАНО обеспечивать возможность измерения «и так, и эдак». Тогда обратимся к следующим параметрам при измерении. Есть средство измерения и есть источник сигнала.

Мы должны измерять напряжение. Обязательным условием измерения этой физической величины является требование, чтобы входное сопротивление средства измерения не менее, чем в 10 раз превышало выходное сопротивление источника сигнала. Это не моё утверждение, это общая физика и … Методика. Такое требование там записано «чёрным по белому». Зададимся себе вопросом, а каково максимальное выходное сопротивление нашего потенциального «источника сигналов»?

Отбросим сразу варианты с подключённой линией. В этом случае, как правило, эти значения достаточно низки (50, 100, 150, 600, 1500 Ом). Некритичный для нас вариант, тут всё простенько…А вот в режиме «ХХ», или на обесточенной линии, или «по разбитым парам»? Очень часто это сотни и тысячи кОм (если не Мом!). Вы полагаете случайно был выбран тогда, «на заре времён», именно Unipan, у которого есть предусилитель с входным 10 Мом? Поверьте – нет, не случайно... И сегодня в требованиях к средствам измерения у «других регуляторов» напрямую записано – не ниже 10 Мом. И на практике всегда проверяли, когда качество работы контролировали.

Вот из объективных данных выкристаллизовался и второй параметр средства измерения – входное сопротивление. Я ещё добавлю, это уже чистая эмпирика, входная ёмкость не более 10^-15 пФ. С кабелем – не более 100 пФ. Собственно, несложно посчитать и самому, формула в любом справочнике, ёмкостное сопротивление конденсатора (модуль) с такой ёмкостью на частоте порядка 10 кГц (получите около 160 кОм, уже мало!). Но меньшую ёмкость обеспечить сложно, да и ёмкостная компонента выходного сопротивления источника, обычно, того же порядка. Так что более-менее…

Двигаемся дальше.

Полагаю, не требует многословных обоснований, что средство измерения должно быть селективным? Причём с достаточно хорошей и варьируемой селективностью. Что, собственно, определяет эти параметры?

А вот что.

В одной из предыдущих публикаций уже приводилась иллюстрация реального спектра сигналов в этой частотной области ( часть 21)

В линиях и «на портах» это выглядит абсолютно так же. И указанные там условия–критерии абсолютно те же. Вывод – аналогичный. Полоса пропускания средства измерения должна иметь возможность регулирования, по крайней мере, от 1 до 15-20 Гц. Не помешает, если будут возможности «подрезать» с помощью встроенного ФВЧ рабочий диапазон «снизу», начать его герц с 300 (а не с 800-100) и с помощью ФНЧ – «сверху», килогерц до 3-5 (а не 10-12, как без него). Практически бывает очень полезно. Причём чем круче будут скаты АЧХ всех фильтров – тем лучше. Практика разработки таких решений показала, что реализовать активные аналоговые фильтры с порядком выше восьмого не получается (точнее – стоимость решения слишком высока). А цифровые методы применимы ограниченно. Ведь всё это, крайне желательно, сделать ДО АЦП! Тогда и только тогда удаётся резко снизить динамический диапазон сигналов до размера «входных ворот» типового АЦП. И при этом обеспечить входной диапазон не меньше 130-140 дБ (160 – это «голубая мечта»…).

Проиллюстрировать изложенное удобно графически. На рисунке 34.1 приведён условный спектр помех, включая «сетевые».

Именно такую «картину» мы видим на экране приличного анализатора спектра с полосой пропускания (постоянной!) не более 3-10 Гц. Чем шире будет полоса пропускания, тем больше будут «замазываться», сглаживаться пики и подтягиваться выше провалы.

Поскольку в полосах подавления измерять нельзя, то они должны быть как можно «уже» (мы добились не более 1 Гц). Это возможно только при автоподстройке частоты фильтров, их высоких порядках и программном учёте искажений Ку в зонах, помеченных серой заливкой. Остальные частоты (более высокие гармоники) сети подавлять не имеет смысла – они вполне укладываются в динамический диапазон порядка 125-130 дБ.

Красная штрих-пунктирная линия показывает, как был выполнен ФВЧ на входе в одном из протестированных нами изделий. Его влияние простиралось до, примерно, 700 Гц и никак не было скомпенсировано. То есть прибор на частотах ниже 700 Гц (при измерениях в электросети) откровенно врал…

И последнее в именно этом разделе, посвящённом формированию требуемой АЧХ тракта измерения. МОЖНО обойтись и без этого. По «старинке», Unipan-ом, вручную. Как и любым другим, «незаточенным» анализатором. Так же вручную отстраиваясь от сетевых помех. Можно, только Вам работать будет много сложнее, я-то все этапы прошёл сам, крутя ручки всего, чем только меряли АЭП за 30 с лишним лет. Можно обойтись стандартным анализатором (в какой-то мере). Вот я, лично, считаю, что не нужно усложнять себе жизнь! На это и без вас найдётся «желающих»… Есть возможность работать хорошо «заточенным» под задачу средством – им и надо работать. При этом сознание освобождается от кучи ненужной работы и можно полностью сосредоточится на достижении результата. Но выбирать – каждому самому…

С требованиями по селективности и динамике закончили.

Итак, следующее – уровень собственных шумов тракта измерения.

Понятно, что он должен быть ниже самого слабого из измеряемых сигналов. Но это общая фраза, требующая ряда необходимых уточнений.

Давайте договоримся сразу, во избежание дальнейших недоразумений. Будем оперировать двумя объективными физическими величинами:

1. Спектральная плотность шумов, приведённая «ко входу», в значениях

2. Величина СКЗ (среднеквадратическое значение) шумов, приведённое «ко входу» в некой установленной полосе пропускания, нВ.

Причём будем принимать как аксиому, что одна из этих величин легко пересчитывается в другую через «корень из полосы пропускания».

Так вот, не требует доказательств (надеюсь!), что если мы измеряем некий «монохроматический» сигнал (а именно этого от нас требует действующий НМД), то его значение от полосы пропускания не зависит. Зато уровень помех – точно зависит и именно пропорционально корню квадратному из полосы пропускания. Уже полоса – меньше помех… Но сужать полосу до самого нижнего предела – становится сложнее найти сигнал, не «потерять» его. Вот тут можно спорить, у каждого свои критерии. Но я берусь утверждать, что оптимальная полоса пропускания для поиска 10-12 Гц, для измерения 1-3 Гц.

Исходя из этого, прикинем, выше мы определили, что тракт обязан измерять уверенно первые десятки нВ. Ну, для примера, возьмём точно «с потолка» - начиная с 50 нВ. Вот так мне хочется J

Итак, отстранившись от всех внешних помех, я утверждаю (и имею к этому основания!), что оператор увидит на «картинке» спектра сигнал в 50 нВ (например, включая/выключая акустическое воздействие) только если уровень «шумодорожки» не превышает 35 нВ (то есть как раз не спектральная плотность, а именно измеренный их уровень!). Это будет (с учётом полосы, например, в 10 Гц) соответствовать спектральной плотности шумов не выше 11нВ/√Гц. Это максимум (по значениям шумов). Лучше бы не выше 5 нВ/√Гц.

И вот тут-то самое сложное «место». Вот такой уровень приведённых «ко входу» шумов (собственных) средство измерения должно иметь не при короткозамкнутых входах!!!! А при нагрузке на «нешумящий» резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению прибора (такой ещё найти надо)! Помните, желательно не менее 10 Мом (но меньше 2 Мом – уже несерьёзно вообще)…

И именно тут всё только начинается. Пусть меня простят (или не простят ;) ) коллеги – производители средств измерения, но при таком испытании НИ ОДНО средство измерения, появившееся на рынке для целей контроля АЭП и тестировавшееся у меня, не то чтобы единиц – десятков нВ/Гц не обеспечивает :(

Кому интересен «шум» при «КЗ», если в реальной работе «нагрузка» будет в сотни кОм и мегомы с пропорционально «подросшим» шумом? Действительно, исторически, что в нашей стране и в мировой практике было принято определять уровень собственных шумов именно при короткозамкнутом входе. Но пользователю прибора (комплекса, системы) от этого не легче, ему мерять надо, а не вход замыкать…

Следующий параметр, точнее – функция, относится не столько к метрологии, сколько именно к исполнению требований методики. Это способность прибора выполнять измерения в линиях промышленной электросети под напряжением. Свойство совсем не тривиальное! Здесь «сетевая помеха» не 0,1 и не 1 В, а 210-230В. Таким образом, рабочий динамический диапазон существенно меняется и сдвигается «вверх». К счастью десятки нВ «ловить» не нужно, требования норм таковы, что в этом случае чувствительность тракта должна быть не хуже, например, сотен мкВ. Зато подавление частоты электросети и её гармоник требуется не менее, чем на 120 дБ (весьма неслабо!). И, при этом, крайне желательно, минимально подавлять все остальные частоты. Кроме того необходимо помнить и об электробезопасности, здоровье (а то и жизнь) оператора на первом месте. Отметим, что задача чуть упрощается тем, что линии электропитания с точки зрения речевого диапазона частот линии низкоомные. Поэтому входное сопротивление сетевого пробника не обязательно должно быть сверхвысоким. Пары сотен кОм вполне хватает, и то, только для предотвращения излишнего тока утечки промышленной частоты.

И ещё несколько параметров измерительной системы (комплекса), которые не бросается в глаза, но при практической работе весьма существенны.

Первое - мощность канала формирования акустического тест-сигнала. Один из самых распространённых приёмов при практических измерениях заключается в превышении заданного НМД звукового давления тест-сигнала.

Предположим, методика требует от нас испытаний при звуковом давлении ХХ дБ. Создаём тест-сигнал (обдуваем исследуемое ТС) и убеждаемся, что уровень помех в тракте (не важно каких и откуда взявшихся) выше заданной «нормы» эдак дБ на 10… а «сигнала» не видно L. Поднимаем звуковое давление тест-сигнала на 20 дБ (хх+20), предполагаем, что и результат, сигнал АЭП тоже должен бы возрасти на столько же (в проблематике давно принято и, большей частью – доказано, что процессы АЭП линейны). Сигнал появился над шумами? Измерили, уменьшили на те же 20 дБ, сравнили с нормой. Не появился? Значит он не более, чем равен помехам. Уровень такого, гипотетического сигнала, «равного» помехе уже можно уменьшать всё на те же 20 дБ и т.д.

Приём, с успехом применяющийся в течении десятилетий и не потерявший актуальности. Более того, в 30% случаев единственный, дающий результат. Но для его применения акустический канал должен иметь возможность «разогнать» звуковое давление до, желательно, 105-110 дБ (долговременная мощность, на «синусе»). Выполнить это возможно только с колонкой объёмом не менее 100-150 литров (вес, размер!) и с подводимой мощностью никак не меньше 150 Вт (особенно это касается низкочастотной части рабочего диапазона!). С мини-колонкой работать можно. Но Вы сами себе резко «обузите» Ваши возможности. Знать и понимать это – надо!

О канале измерения звукового давления акустического тест-сигнала особо говорить нечего. Шумомер с микрофоном, ничего особенного. Конечно, очень удобно, когда он входит в ту же измерительную систему и его показания автоматически учитываются при расчёте результатов. Но это можно и вручную. Есть только один аспект, о котором мало кто знает. Сегодняшние шумомеры (все, за исключением «древнего» ВШВ) – цифровые. При их проектировании никто не задавался параметрами их собственного ПЭМИН. Всяких тактовых генераторов внутри полно, корпус пластиковый и… У меня не раз выяснялось, что шумомер (не все модели!) является источником мощной широкополосной помехи как раз в рабочем диапазоне частот. И в пространстве и по линии электропитания. Такую вероятность не учитывать нельзя.

И, наконец, последнее и тоже более, чем важное. Это уже по условиям эксплуатации.

Что на стенде, что при работе в не очень-то приспособленных условиях (как правило!) на объекте - в любом случае, схема раскладки измерительного и испытуемого оборудования такова, что большая часть оборудования измерительной системы находится в акустическом поле источника тест-сигнала. Причём под очень солидным звуковым давлением порядка 90-100 дБ.

Все блоки и кабели измерительного комплекса (системы) находятся в том же акустическом поле (по большей части). Следовательно, при МАКСИМАЛЬНОМ звуковом давлении и входной нагрузке всё те же несколько МОм ни один блок, ни один кабель не имеет права сам «микрофонить» больше, чем на уровне собственных шумов тракта измерения. Это – закон. Отличить АЭП «от входного кабеля» и «от исследуемого ТС» невозможно в принципе…

Из всего, с чем я имел дело (работал, тестировал) наш «Талис-НЧ-М1» («Талис-НЧ-Лайт») в большинстве случаев этому требованию, практически, удовлетворяет. Всё остальное (включая, кстати, Unipan!) не удовлетворяет (повторюсь, бывает измерительный блок сам «молчит», а входной кабель ведёт себя как Соловей-разбойник…). Хотя нам это и «обошлось» в пару «лишних» лет разработки и кое с чем возимся и по сегодняшний день.

Далее, у любой колонки есть поля рассеяния. Кроме звукового давления она, к сожалению, ещё и излучает тот же сигнал, но в виде электрической и магнитной компонент поля.

Так вот, с абсолютной уверенностью, подтверждаемой сотнями и тысячами экспериментов за более чем 35 лет (и не только мною!) утверждаю, что если колонка (совместно со своим кабелем, усилителем мощности и т.д.) имеет поля рассеяния (перпендикулярно фронтальной плоскости, на расстоянии 1 м – типовые условия испытания), заметно превышающие значения:

0,01 мкА/м

1-3 мкВ/м

то таким «акустическим излучателем» пользоваться нельзя. Наводка «по полям», которую будет крайне трудно отделить от истинных сигналов АЭП, просто не позволит получить объективные результаты (она много больше «истинного» АЭП). К большому сожалению, чувствительность всех ТС именно к наводкам значительно больше чувствительности к «микрофонному» эффекту. Эти цифры взяты не с потолка, а «вымучены» рядом не самых простых экспериментов. И потребовало это немало времени…

По этому, подчёркиваю – важнейшему параметру, ни одна из прошедших у нас испытания колонок не годилась (марки и модели не называю…). Даже приблизительно. Кроме тех моделей, которые были разработаны у нас и с учётом всего изложенного. Кстати, не каждый экземпляр укладывается, всяко бывает. Но всё равно УЭК много-много «тише» возможных альтернатив. Об обычных покупных изделиях говорить вообще не имеет смысла, «свистят» они жутко…

Вроде, по основным параметрам – всё.

Итак, подведём итоги и составим табличку требуемых параметров «идеального» средства измерения для НЧ АЭП.

Таблица 1 – Сводные параметры средства измерения

Теперь представим себе, что у некого изделия какие-то из вышеприведённых параметров хуже. Совсем нельзя работать? Наверное, не столь категорично J Что-то измерить можно. А уж устраивает ли именно Вас это «урезанное что-то» - решайте сами.

Мала чувствительность (велики собственные шумы) – ну, значит сильно «микрофонящее» ТС выявите, а по другим, более «тихим», вывода сделать не будете иметь возможности.

Низкое входное сопротивление? Значит можно измерять только низкоомные источники. На высокоомных будет погрешность. Если потратить уйму времени можно эту погрешность определить и скорректировать результаты.

«Сильно свистит» колонка или усилитель – вот это уже хуже, действительно, такой акустический канал бесполезен. Все результаты под ооочень большим сомнением.

Ну и т.д.

Для пользователя, «сишника», важно понимать, чем ему придётся работать, важно знать исходя из чего, оценить и выбрать. Чего потом, при работе, ожидать от измерительной техники.

А для производителя средств контроля важно информировать потенциального покупателя обо ВСЕХ параметрах изделия и именно в тех режимах, в которых ему практически работать. И не случайно только на нашем форуме выложены и методики поверки, и описания типа и т.д. наших изделий. Впрочем, они скажут сами за себя ;) PR заниматься здесь я не собираюсь и примеры изделий одной фирмы приведены только потому, что больше сослаться не на что. А жаль…

О реальных параметрах того, что я испытывал «чужое» - я промолчу, коллеги обидеться могут, хотя это объективно. Но, вот совершенно искренне считаю, что у нас давно пора появиться фирмам, которые сами не являются «игроками» на рынке услуг. А только берут технику (что средства защиты, что средства контроля), объективно и одинаково их испытывают и открыто публикуют результаты тестов. «За бугром» это весьма распространено, согласитесь, прекрасное подспорье для выбора и … нешуточный стимул для конкуренции. Выигрывает, как и положено – потребитель (все мы!).

И последнее, коллеги, любящие собирать для измерений собственные «конструкторы» из разнообразного оборудования. Да не оставит Вас своим благоволением боги специальных исследований! Все вышеприведённые критерии и оценки продолжают работать и в этом случае. Проверьте свои «сборки» именно так, в таких схемах измерения. Тогда и только тогда Вы имеете право быть уверенными, что измеряете именно АЭП и именно того устройства, к порту которого подключились ;)

Мы отвечаем за тех, которых измерили ;)