Тестер Формула – сложный измерительный прибор с высокими

Метрологическое обеспечение тестеров “FORMULA”. (30мин.)
Тестер Формула – сложный измерительный прибор с высокими метрологическими характеристиками. Для поддержания этих метрологических характеристик на должном уровне необходимо проводить периодические поверки тестера.
В метрологическое обеспечение тестера входят документ «Методика поверки ФРМИ2.653.020
МП», калибровка Тестера, поверка Тестера и необходимые измерительные приборы для проведения калибровки и поверки. Последний пункт проще – для проведения поверки и калибровки
тестера необходимы приборы:
а) вольтметр с погрешностью не хуже 30 ppm (миллионных долей) – рекомендуется вольтметркалибратор В1-28
б) амперметр с погрешностью не хуже 0.1% - также рекомендуется использовать вольтметркалибратор В1-28
в) частотомер с возможностью измерения временных интервалов – рекомендуется Ч3-64/1
г) осциллограф – рекомендуется С1-114
д) скоростной осциллограф – рекомендуется С1-75.
Проведение поверки – сложный и трудоемкий процесс. Целью настоящего доклада является
насколько возможно подружить пользователей с поверкой тестера.
Прежде чем переходить к собственно поверке, необходимо уяснить, какими именно метрологическими характеристиками обладает тестер и как с ними бороться – поверять и калибровать.
В первую группу метрологических характеристик входят характеристики обеспечения функционального контроля – временные характеристики задания и контроль тестовой последовательности, а также точность задания и контроля уровней в процессе проведения ФК.
Основные метрологические характеристики этой группы представлены в Табл. 1 и Табл. 2
Табл. 1 основные временные параметры ФК.
Диапазон задания опорной частоты
Погрешность задания опорной частоты
Погрешность фазировки каналов
25 … 40 МГц
50ppm
2 нс
Табл. 2 Основной набор уровней напряжения драйверов и компараторов.
аименование пара- 2K
2S
2KH
LCD
CLK
метра
Диапазон высокого -2…6 райвер: 1…6, -4…10
0…7
42
ровня напряжения,
компаратор:
В
0…5.5
Диапазон низкого -5…3 райвер: 0…5, -10…6
-3…4
42
ровня напряжения,
компаратор:
В
0…5.5
Погрешность зада- (1%+
(1%+15)
(1%+
(1%+
ия уровня драйве- 30)
50)
30)
ра, мВ
Погрешность кон- (1%+
(1%+30)
(1%+ (1%+
троля, мВ
30)
50)
250)
Во вторую группу метрологических характеристик входят характеристики статического контроля – характеристики точности задания и измерения постоянных токов и напряжений.
Эта группа представлена в Табл. 3…Табл. 6.
Табл. 3 Воспроизведение напряжения постоянного тока источниками питания
Источник Пределы задания
напряжения, В
VCD
8
VCC
0…20
VEE
0…-20
Дискретность, мВ
Погрешность
16
20
20
(1%+30 мВ)
(1%+40 мВ)
(1%+40 мВ)
Табл. 4 Измерение силы постоянного тока источниками питания
Источник иапазоны измере- Пределы измерения
ния тока, мА
тока, мА
VCD
400
400
VCC, VEE
100
100
Погрешность
(1%+300
мкА)
(1%+80 мкА)
Табл. 5 Измерение силы постоянного тока DCM
иапазоны тока Пределы изме- Основная погрешность для цифрения тока
ровых и аналоговых каналов,
погрешность для источников
питания
200 мА
200 мА
(1%+150) мкА
20 мА
20 мА
(1%+15) мкА
2 мА
2,0 мА
(1%+1,5) мкА
200 мкА
200 мкА
(1%+150) нА
20 мкА
20 мкА
(1%+40) нА
2 мкА
2,0 мкА
(2%+12) нА
Табл. 6 Измерение напряжения измерителем статических параметров
Диапазоны
Пределы изме- Основная погреш- Интегральная
измерения
ения напряженость
елинейность,
напряжения, В
ния, В
мВ
8
2
8
(0,5% + 6 мВ)
8
1
4
(0,5% + 4 мВ)
8
2,67
(0,5% + 3 мВ)
8
1,33
(0,7% + 2 мВ)
20
5
20
(0,8% + 15 мВ)
20
10
(0,8% + 10 мВ)
20
1,8
6,67
(0,8% + 8 мВ)
В последнюю группу метрологических характеристик тестера входят метрологические характеристики дополнительных блоков и плат тестера, таких как, например, плата IZMER.
Из представленных таблиц видно, что тестер обладает весьма высокими характеристиками,
причем этих характеристик много. Особенно если учесть, что для иллюстрации данного докла-
да выбраны только основные, а не все таблицы. Обеспечить такую уйму точных данных невозможно без калибровки – процесса исключения систематических погрешностей.
Поэтому несколько слов о калибровке. Процесс калибровки тестера максимально автоматизирован, но некоторые правила надо знать. Первым всегда калибруется измеритель статических
параметров и измерительные источники – плата SVPN. Для проведения этой калибровки необходимо отсоединить от разъёма SVPN тестера подключенный к нему адаптер. Допускается
проводить калибровку при подключенном универсальном адаптере ФРМИ3.443.012 или
ФРМИ3.481.112, или адаптере на 256 каналов ФРМИ3.481.111, если в адаптер не вставлено
никакой платы с контактирующим устройством. В оболочке после ввода пароля обслуживающего персонала надо выбрать пункт меню «Система-Параметры(2)-Калибровка-SVPN». После
чего калибровка платы запустится на автоматическое выполнение. В процессе выполнения
калибровки SVPN на монитор выводится окно с бегущей строкой. По окончании калибровки
платы SVPN это окно закрывается и тестер готов к дальнейшей работе.
Следующим пунктом калибровки является калибровка ЦАПов, задающих уровни драйверов и
контроля канальной электроники. Для проведения этой калибровки к тестеру необходимо
подключить гирлянду калибровочных заглушек. Схема этой гирлянды приведена в «Методике
поверки ФРМИ2.653.020 МП», а сами заглушки входят в комплект тестера. Допускается вместо
калибровочных заглушек использовать адаптер на 256 каналов ФРМИ3.481.111, если в адаптер
не вставлено никакой платы с контактирующим устройством. После присоединения калибровочных заглушек и ввода пароля обслуживающего персонала надо выбрать пункт меню «Система-Параметры(2)-Калибровка-ЦАПов». После чего калибровка запустится на автоматическое
выполнение. В процессе выполнения калибровки на экран монитора выводится таблица с данными об измеренных значениях по каждому уровню каждой платы канальной электроники –
ПИН-платы.
В случае нормального завершения калибровки выдается приглашение обновить файл калибровочных коэффициентов. Если выбрано сохранение файла, то появляется заставка «Идет Обработка Данных Калибровки…» и начинает бежать строка. Процесс идет довольно долго, но
связано это не с записью на диск, а с перепроверкой полученных результатов – фактически идет
уточнение калибровочных коэффициентов. По окончании процесса заставка убирается, процесс
прекращается, но таблица с данными калибровки доступна для изучения. После просмотра (или
без оного) эту таблицу следует закрыть. Если же от перезаписи фала калибровочных коэффициентов отказаться, то процесс калибровки прекращается, но таблица также остается для просмотра. Процесс можно запустить повторно, не закрывая таблицу результатов.
Если в процессе калибровки получены неудовлетворительные результаты, об этом выдается
сообщение и предлагается «Отказаться», «Закрыть», «Повторить» или «Игнорировать». В
последнем случае файл калибровки будет перезаписываться, не смотря ни на что.
Далее проводится калибровка задержек – фазировка каналов. И в целом процесс запуска калибровки очень похож на только что описанный, за исключением пункта меню, который теперь
«Система-Параметры(2)-Калибровка-Задержек». В появившемся окне следует нажать кнопку
«Калибровать все». Окно немножко помигает, после чего надо нажать кнопку «Channels» и в
открывшемся окне – кнопку «Компараторы». По окончании калибровки задержек компараторов
станет активной кнопка «Драйверы». Ее тоже следует нажать. По окончании калибровки файл
калибровочных коэффициентов запишется автоматически. А окно можно закрыть.
Здесь следует сделать одно важное замечание. В случае использования нескольких наборов
РМВ фазировка может нарушить расстановку положений фронтов тестовой последовательности, если положение фронтов не кратно целым квантам ФК.
В заключении проводится калибровка платы IZMER. Данная калибровка проводится при наличии в составе тестера платы IZMER. Поскольку эта плата прецизионных измерений и обеспечиваемая ей точность превосходит все остальные блоки тестера, то ее калибровка возможна только по внешнему прибору. Калибровка проводится в ручном режиме. Для проведения калибров-
ки к разъёму IZMER подключают поверочный (калибровочный) кабель, который подключают к
образцовому прибору. После ввода пароля обслуживающего персонала выбирают пункт меню
«Система-Параметры(2)-Калибровка-IZMER». В появляющиеся окошки следует вводить показания образцового вольтметра. Для корректной калибровки значения следует вводить с точностью как минимум до ста микровольт. При калибровке АЦП следует выбрать метод – по образцовому вольтметру или с использованием нормального элемента. Затем также вводить требуемые значения в появляющиеся окошки.
А теперь перейдем собственно к поверке тестера. Список всех поверочных процедур и последовательность их проведения приведены в Табл. 7.
Табл. 7 Порядок проведения поверки.
№ п.п.
При
первичВид испытаний
ной
оверке
Проверка внешнего вида, принадлежностей, комплектности
+
Проверка конфигурации управляющей ЭВМ
+
Проверка индикации и конфигурации измерительной систе+
мы
Проверка возможности формирования тестовой последова+
тельности.
Проверка погрешности воспроизведения напряжения посто+
нного тока и проверка ограничения напряжения постоянного тока DCM
Проверка погрешности воспроизведения напряжения посто+
янного тока источниками питания
Проверка погрешности измерения напряжения постоянного
+
тока DCM
+
Проверка погрешности измерения силы постоянного тока,
проверка погрешности воспроизведения силы постоянного
тока и проверка ограничения силы постоянного тока DCM
Проверка погрешности измерения и ограничения силы по+
стоянного тока источниками питания
Проверка выдачи сигналов состояния (SVPN)
+
Проверка воспроизведения и измерения напряжения посто+
янного тока PMU
Проверка ограничения и измерения силы постоянного тока
+
PMU
Проверка выдачи сигналов состояния (PMU)
+
Проверка задания частоты ФК
+
роверка задания временных параметров задания и контроля +
сигнала
Проверка параметров задания и контроля сигналов (вх. ток,
+
Rвых, ток ограничения, уровни)
Проверка параметров задаваемых сигналов (фронт, срез)
+
Проверка параметров задаваемых сигналов (выброс, входная +
емкость, время переключения в третье состояние)
Проверка параметров активной нагрузки
+
0.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
При
периоической
оверке
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
*
+
0.
1.
Проверка разброса времён переключения
+
+
роверка погрешности воспроизведения напряжения блоком +
+
формирования входного напряжения АЦП (DAC16)
+
2. роверка погрешности воспроизведения напряжения блоком +
+
формирования опорного напряжения (DAC20)
+
3. Проверка погрешности измерения напряжения блоком пре+
+
цизионного измерения напряжения (ADC20)
4. Проверка параметров генераторов сигналов произвольной
+
+
формы (DAC12.1, DAC12.2)
5. Проверка блока измерения импульсных сигналов (ADC12)
+
+
6. Проверка блока контроля временных интервалов (CLKIN)
+
+, *
7. Проверка дополнительных погрешностей воспроизведения
+
апряжения постоянного тока и измерения силы постоянного
тока DCM
+
+, *
8. Проверка выдачи и приема управляющих сигналов, выдачи
напряжений постоянного тока, выдачи и приема управляющих сигналов по оптоизолированному каналу, выдачи сигналов «START FK» и «MEAS».
Большая часть поверочных процедур в настоящее время автоматизирована и сведена в отдельный пункт меню общей программной оболочки тестера. Однако работа по уточнению и автоматизации поверки не прекращается. Наша цель – полностью автоматическое проведение поверки.
Так же как и калибровка, поверка делится на несколько этапов. П. 1 – 3 Табл. 7 – это первый и
самый простой этап поверки – опробование. Пояснений не требует.
Второй этап – поверка платы SVPN. Поверка проводится с использованием внешнего образцового измерителя напряжения и тока. Процедура может выполняться как в ручном, так и в автоматическом режиме. В последнем случае в качестве образцового прибора может выступать
только вольтметр-калибратор В1-28. Для проведения поверки разъём SVPN тестера с помощью
специального поверочного кабеля, который входит в комплект тестера, надо соединить со
входом образцового прибора. После ввода пароля обслуживающего персонала выбрать в меню
пункт «Система-Параметры(2)-Поверка-Выполнение поверки». В открывшемся окне выбрать
закладку SVPN.
Как уже отмечено, процесс поверки сложный и трудоемкий, да к тому же еще и весьма кропотливый. В процессе ручной поверки не допускается никаких ошибок при вводе измеренных
величин.
Поверка – это процесс, результаты которого имеют юридическую силу, поэтому программное
обеспечение по поверке написано таким образом, что не допускает никаких изменений результатов поверки. Но ошибки все же возможны. Чтобы как-то разрешить эту дилемму, предприняты следующие меры.
Во-первых, при вводе результата измерения, не соответствующего требования паспорта, выдается предупреждение, предлагающее проверить введенное значение. Обычно это неправильный
знак (плюс вместо минуса) или неправильный порядок (амперы вместо миллиампер). Можно
исправить введенное значение, если обнаружена ошибка ввода, если ошибка не обнаружена,
следует подтвердить ввод, но результат поверки будет отрицательный.
Во-вторых, ручные поверки, имеющие много пунктов, разбиты на блоки. В случае, если несмотря на предупреждение, введен ошибочный результат измерения достаточно повторить
поверку этого блока, а не всей платы.
Поэтому, после выбора закладки SVPN следует выбрать либо «Начать поверку» – выполнение
поверки всей платы. Либо выбрать пункт меню «Блок» и соответствующий блок для поверки.
Если в комплекте тестера приобретена опция автоматической поверки, то после выбора закладки SVPN надо проверить подключение вольтметра-калибратора В1-28 к вычислительному
блоку тестера по кабелю канала общего пользования, включить галочку «Автоматическая» и
«Начать поверку». Приблизительно через полчаса поверка закончится и выдаст результат.
Никаких ошибок при этом не возникает.
Далее проводится поверка временных характеристик тестера. Поверка проводится во многом
аналогично. Но поверочный прибор – частотомер Ч3-64/1, а закладки – Freq, РМВ и Delay.
Причем именно в такой последовательности. Каждая закладка требует своего подключения
тестера к образцовому прибору. Более подробно это расписано в методике поверки. В настоящее время завершаются работы по автоматической поверке времен, что также позволит сократить возможное количество ошибок при поверке.
Потом – закладка «Channels». Поверка полностью автоматизирована, не требует внешних
приборов, но проводится при подключенных калибровочных заглушках, о которых уже шла
речь, и может занимать немало времени – для многоканальных тестеров до часа.
Следующий пункт – поверка фронтов и срезов каналов тестера. Этот пункт не поддается автоматизации из-за требований подключения всех каналов к осциллографу поочередно и без искажений временных характеристик каналов. Приходится перебирать каналы щупом осциллографа
поочередно вручную.
При наличии в тестере платы IZMER – её очередь следующая. Закладка так и называется IZMER, а отличия от процедуры поверки SVPN заключаются в том, что количество замеров
сравнительно невелико – чуть больше 20 – и поэтому нет разбивки на блоки. И еще одно отличие – поверка платы IZMER очень требовательна к количеству вводимых знаков. Даже более
требовательна, чем калибровка этой платы.
Завершает поверку закладка «USER». Эта поверка также полностью автоматизирована, и требует подключения к тестеру специального поверочного кабеля из комплекта тестера. Проходит
быстро.
В заключении хочу остановиться на такой составляющей погрешности измерения тестера, как
нелинейность. Эта составляющая нормируется для некоторых диапазонов измерения напряжения. Для пояснения ее смысла взглянем на Рис. 1. На нем изображены возможные положения
реальной передаточной характеристики измерителя, для которого понятие нелинейность отсутствует. Не возбраняются крутые загибы и даже скачки в обратную сторону.
А на Рис. 2 изображено то же, но в случае нормирования нелинейности. Отличия огромные.
Здесь даже заштрихованная область имеет другой смысл. Это не положение передаточной
характеристики, а положение трубок передаточных характеристик. Опираясь на погрешность
нелинейности можно, в первую очередь резко снизить погрешность разностных измерений.
Воспроизведу пример из руководства по эксплуатации. Если надо померить значение высокого
выходного уровня логической микросхемы 564 серии при напряжении питания 10 В. То эта та
еще задача, ибо норма – не меньше 9.95 В. Прямые измерения этой величины с помощью DCM
тестера дают погрешность около 50 мВ – т.е. столько же сколько вся зона годности. Если же
померить сначала уровень питания, а потом – выходной уровень, то без нелинейности погрешность только возрастет. А вот при нормированной нелинейности погрешность разности следует
вычислить как процент от полученной разности (в данном случае полпроцента) плюс погрешность нелинейности. Для данного примера погрешность разности почти полностью определяется погрешностью нелинейности и составит немногим больше 5 мВ. А это вполне удовлетворительно.
Рис. 1
Рис. 2