Формирование и измерение параметров сложных тестовых сигналов

Проблема совершенствования средств формирования и измерения параметров тестовых сигналов, несмотря на свою многолетнюю историю, остается актуальной и в современных условиях. От точности задания и стабильности параметров тестовых сигналов во многом зависят метрологические характеристики средств измерений и контроля параметров электрорадиоэлементов, электрических цепей и датчиков, а также средств тестирования узлов радиоэлектронного оборудования.

Значительный вклад в разработку методов и средств формирования и измерения параметров электрических сигналов внесли JI. И. Волгин, В. С. Гутников, В. Ю. Кнеллер, К. JI. Куликовский, Е. А. Ломтев, А. И. Мартяшин, П. П. Орнатский, П. П. Чураков, Э. К. Шахов, В. М. Шляндин и др. [1 — 10].

В области генерации и измерения параметров электрических сигналов достигнуты значительные успехи. Хорошие характеристики (но и высокую стоимость) имеет промышленное генераторное и измерительное оборудование таких известных фирм, как Tektronix, Agilent Technologies, ROHDE&SCHWARZ.

При построении современных средств измерений, контроля и тестирования на первый план выдвигается задача интегрирования этих средств в автоматизированные информационно-измерительные и управляющие системы путем создания аппаратно-программных комплексов, обеспечивающих:

— программно управляемое выполнение серии тестовых испытаний с вариацией формы, амплитуды и частоты следования сигналов;

— измерение параметров выходных сигналов, их математическую обработку и представление результатов измерений;

— сопровождение процессов формирования и измерения параметров сигналов их математическим или схемотехническим моделированием с учетом реальных параметров элементной базы и внешних влияющих факторов.

Программно управляемое формирование тестовых сигналов позволяет:

— предельно упростить аппаратную часть комплекса, избавиться от сложных и громоздких коммутирующих устройств и, тем самым, существенно уменьшить габариты устройства;

— сократить время, необходимое для изменения режима работы;

— практически снять или существенно ослабить ограничения, накладываемые на форму тестового сигнала.

Последний фактор особенно важен при построении многофункциональных аппаратно-программных комплексов для измерения параметров многоэлементных электрических цепей различных конфигураций [11, 12], поскольку подбор формы тестового сигнала позволяет создавать оптимальные условия преобразования сопротивления электрических цепей в напряжение.

При решении ряда измерительных задач целесообразно применение сложных тестовых сигналов, позволяющих избавиться от паразитных выбросов напряжения большой амплитуды при воздействии тестовых импульсов на дифференцирующую измерительную цепь. При этом из схемы измерительного преобразователя исключаются вспомогательные цепи (в частности, ключи), предназначенные для подавления этих выбросов и являющиеся источниками дополнительных погрешностей. Однако возможности использования сложных тестовых сигналов при построении измерительных аппаратно-программных комплексов практически не исследованы, отсутствует методическое обеспечение применения таких сигналов, не разработаны методики их формирования и измерения параметров.

Цель работы — упрощение аппаратной реализации и повышение точности измерительных преобразователей параметров электрических цепей за счет использования сложных тестовых сигналов.

Основные задачи исследования:

1. Разработать методику формирования и расчета параметров сложных тестовых сигналов.

2. Синтезировать сложные тестовые сигналы, при воздействии которых на дифференцирующую измерительную цепь не возникает выбросов напряжения большой амплитуды.

3. С целью развития методического обеспечения исследований изме рительных преобразователей параметров электрических цепей разработать методику создания моделей сложных тестовых сигналов.

4. Исследовать особенности реализации узлов аппаратной части комплекса для формирования и измерения параметров сложных тестовых сигналов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы математического анализа, теории электрических цепей, методы схемотехнического моделирования электронных схем. Основные теоретические результаты проверены и подтверждены экспериментальными исследованиями, а также путем математического и схемотехнического моделирования.

Научная новизна.

1. Предложена методика формирования и расчета параметров сложных тестовых сигналов, отличающаяся требованием непрерывной дифференцируемое&tradeсигнала на общих границах измерительного и предшествующего ему, а также следующего за ним дополнительных интервалов.

2. Разработана методика создания Spice-модели сигнала путем сложения результатов стробирования функций, моделирующих сигнал на заданных временных интервалах. Получены Spice-модели ряда сложных тестовых сигналов, предназначенных для работы с дифференцирующими измерительными цепями.

3. Предложена методика оценки времени установления выходного напряжения ЦАП с погрешностью, не превышающей заданного значения.

Практическая значимость.

Полученные в работе результаты составляют методическую основу использования сложных тестовых сигналов при построении аппаратнопрограммных комплексов для измерения параметров электрических цепей. Разработанные модели и методики моделирования сигналов и аппаратных средств их формирования расширяют возможности применения программ схемотехнического моделирования при проектировании средств измерений и контроля параметров электрических цепей и датчиков, а также средств тестирования электронных схем.

На защиту выносятся:

1. Методика формирования сложных тестовых сигналов и расчета их параметров, особенностью которой является требование непрерывной дифференцируемости сигнала на общих границах измерительного и предшествующего ему, а также следующего за ним дополнительных интервалов.

2. Результаты синтеза сложных тестовых сигналов с линейными измерительными интервалами и экспоненциальными или ко синусоидальными дополнительными интервалами, а также результаты исследования воздействия таких сигналов на дифференцирующую измерительную цепь.

3. Spice-модели ряда сложных тестовых сигналов, при воздействии которых на дифференцирующую измерительную цепь не возникает выбросов напряжения большой амплитуды. •.

4. Виртуальные приборы для формирования и измерения параметров тестовых сигналов.

Реализация результатов работы.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета при проведении лекционных, практических и лабораторных занятий по курсам «Техническая диагностика РЭС», «САПР в схемотехнике», «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС» в виде разделов лекционных курсов, методик проектирования и моделирования электронных схем, а также при курсовом и дипломном проектировании по специальности 210 302.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения на международных научно-технических конференциях: «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Измерения-2008)» (Пенза, 2008 г.) — «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2007, 2008, 2009 гг.), «Надежность и качество» (Пенза, 2008, 2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 1 -в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 85 наименований и четырех приложений. Объем работы: 120 страниц основного машинописного текста, включающего 2 таблицы и 62 рисунка.

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи диссертации, научная новизна и практическое значение результатов работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор формирователей традиционно используемых тестовых сигналов, рассмотрены требования, предъявляемые к средствам и методике моделирования сигналов и их формирователей. Обоснована целесообразность применения сложных тестовых сигналов для преобразования сопротивления электрических цепей в напряжение. Сформулированы принципы построения аппаратно-программного комплекса для формирования и измерения параметров сложных тестовых сигналов. Обоснована необходимость разработки методик формирования и моделирования сложных тестовых сигналов.

Во второй главе предложена методика формирования сложных тестовых сигналов и расчета их параметров. Рассмотрен ряд примеров практической реализации этой методики. Разработан виртуальный прибор для формирования тестовых сигналов.

В третьей главе рассмотрены вопросы исследования измерительных преобразователей параметров электрических цепей со сложными тестовыми сигналами. Предложена методика создания Spice-моделей сложных импульсных сигналов, задаваемых произвольным математическим описанием на фиксированных временных интервалах. Получены модели сложных сигналов для Spice-совместимых программ схемотехнического моделирования. Выполнено моделирование индуктивной измерительной цепи со сложным тестовым сигналом.

Четвертая глава посвящена исследованию аппаратной части комплекса для формирования и измерения параметров сложных тестовых сигналов.

В Заключении приведены основные результаты и выводы по работе.

В Приложениях приведены тексты заданий на моделирование сложных сигналов и измерительных преобразователей, макромодели используемых микросхем, Акт о внедрении результатов диссертационной работы.

Выводы по главе 4.

1. Разработан виртуальный прибор для измерения параметров тестовых сигналов, позволяющий детально исследовать их форму.

2. Для создания математической сигнала разработана программа аппроксимации его осциллограммы путем подбора параметров заданных на локальных участках функций известного видадля создания Spice-модели сигнала — программа аппроксимации кусочно-линейной функцией PWL.

3. Для обоснованного выбора частоты дискретизации ЦАП формирователя тестовых сигналов предложена методика оценки времени установления выходного напряжения ЦАП с погрешностью, не превышающей заданного значения.

4. Предложены методика моделирования и макромодель выходного канала платы сбора данных, обеспечивающие приемлемую сходимость результатов моделирования динамических свойств канала и экспериментальных данных.

Заключение

Основные результаты и выводы по работе.

1. При построении измерительных преобразователей параметров электрических цепей могут применяться сложные тестовые сигналы, для формирования и расчета параметров которых предложена методика, отличающаяся требованием непрерывной дифференцируемости сигнала на общих границах измерительного и предшествующего ему, а также следующего за ним дополнительных интервалов.

2. В соответствии с предложенной методикой синтезированы сложные тестовые сигналы с линейными измерительными интервалами и экспоненциальными или косинусоидальными дополнительными интервалами. При воздействии таких сигналов на дифференцирующую измерительную цепь не возникает выбросов напряжения большой амплитуды, что позволяет:

— упростить схему измерительного преобразователя, исключив из нее вспомогательные цепи (в частности, ключи), предназначенные для подавления этих выбросов;

— повысить точность измерений за счет исключения источников дополнительных погрешностей, обусловленных неидеальностью упомянутых вспомогательных цепей;

— устранить импульсные помехи по шинам питания и общему проводу, создаваемые выбросами напряжения на фронтах импульсов.

3. Для исследования измерительных преобразователей со сложными тестовыми сигналами разработана методика создания Spice-модели. сигнала путем сложения результатов стробирования функций, моделирующих сигнал на заданных временных интервалах, и получены Spice-модели ряда сложных тестовых сигналов, предназначенных для работы с дифференцирующими измерительными цепями.

4. На примере преобразования параметров последовательной Ж,-цепи в результате проведенного моделирования с использованием разработанных моделей показано, что применение сложных тестовых сигналов позволяет: существенно уменьшить амплитуду выброса напряжения на катушке индуктивности (в рассмотренном примере в 36 раз) — сократить время установления затухающих колебаний в начале измерительного интервала (в 1,6 раз) — уменьшить амплитуду первого максимума затухающих колебаний (в 4,5 раз).

5. В среде Lab VIEW созданы виртуальные приборы: для формирования тестовых сигналов, задаваемых математическим описанием на временных интервалахдля измерения параметров тестовых сигналов.

6. На основании проведенного исследования динамических погрешностей формирователя тестовых сигналов: предложена методика оценки времени установления выходного напряжения ЦАП с погрешностью, не превышающей заданного значенияпредложены методика моделирования и макромодель выходного канала платы сбора данных.

7. Полученные в диссертационной работе результаты используются при разработке и исследовании аппаратно-программных комплексов для измерения параметров электрических цепей и сигналов на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» и в «Региональном Центре технологий National Instruments» Пензенского государственного университета.