Метод измерения параметров сигналов для систем контроля и испытаний радиоэлектронной аппаратуры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ ДЛЯ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

© 2013 В С. Мелентьев, В.В. Муратова, Ю.М. Иванов

Самарский государственный технический университет

Поступила в редакцию 04.12.2013

В статье рассматривается новый метод, позволяющий определять параметры периодических сигналов в процессе контроля усилительных трактов радиоэлектронной аппаратуры и обеспечивающий значительное сокращение времени измерения. Приводятся результаты анализа погрешности измерения параметров из-за отклонения реального сигнала от гармонической модели.

Ключевые слова: метод контроля, усилительный тракт, периодический процесс, гармоническая модель, высшие гармоники

Качество радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) как совокупность свойств, определяющих способность изделий удовлетворять заданным требованиям, закладывается в процессе разработки и изготовления продукции. Оценка качества усилительных трактов РЭА осуществляется путем контроля их параметров и проведения испытаний на всех этапах производства. Для этого широко используется метод контроля, основанный на сравнении параметров сигналов на входе и выходе усилительного тракта с помощью двухканальных измерительных систем, осуществляющих одновременное определение параметров. При этом на один из входов системы и на контролируемый усилительный тракт РЭА обычно подают гармонический сигнал с генератора переменного тока, а на другой вход системы - сигнал с выхода РЭА. Одновременно определяют частоту, амплитудные значения входного и выходного сигналов, а также угол сдвига фаз между ними. Испытания усилительного тракта проводят во всем диапазоне рабочих частот.

В настоящее время успешно развивается направление, связанное с разработкой методов и средств измерения параметров гармонических сигналов (ПГС) по отдельным мгновенным значениям, не связанным с периодом входного сигнала [1]. Одним из путей сокращения времени определения ПГС является разделение

Мелентьев Владимир Сергеевич, доктор технических наук, заведующий кафедрой. E-mail: [email protected] Муратова Вера Владимировна, преподаватель. Email: [email protected]

Иванов Юрий Михайлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник. E-mail: [email protected]

мгновенных значений в пространстве за счет формирования дополнительных сигналов, сдвинутых по фазе относительно входных [2]. Использование в качестве дополнительных сигналов ортогональных составляющих обеспечивает простоту аппаратной реализации методов и дальнейшее сокращение времени измерения [3]. Однако при реализации данных методов возникает частотная погрешность фазосдвигающих блоков (ФСБ), формирующих дополнительные сигналы. В результате этого изменение частоты входного сигнала приводит к нарушению ортогональности сигналов. Исключение частотной погрешности ФСБ обеспечивают методы измерения ПГС, при реализации которых используется формирование дополнительных сигналов, сдвинутых относительно входных на произвольный угол Да [4]. Однако при отличии углов сдвига фаз в измерительных каналах контроля возникает дополнительная погрешность определения параметров. В статье рассматривается новый метод, реализация которого предусматривает формирование дополнительного сигнала только в одном из каналов, что обеспечивает повышение точности измерения ПГС за счет исключения данного вида погрешности.

Метод измерения параметров сигналов с пространственным разделением мгновенных значений. Метод заключается в том, что в момент перехода поступающего с генератора входного сигнала напряжения через ноль одновременно измеряют мгновенное значение дополнительного напряжения, сдвинутого по фазе относительно входного на угол Да, и мгновенное значение напряжения, поступающего с выхода усилительного тракта; через интервал времени Дt одновременно измеряют мгновенные значения

входного, дополнительного и выходного сигналов напряжения. Частоту, амплитудные значения входного и выходного сигналов, а также угол сдвига фаз между ними определяют по измеренным значениям. Временные диаграммы, поясняющие метод, представлены на рис. 1.

и,

12

щ{ 0

ЕЛ

22

ЕЛ

21

«з(0

ЕЛ

32

ЕЛ

31

к ^—

ч <2 '

/ к г

->

г

Рис. 1. Временные диаграммы, поясняющие метод

Входной и дополнительный сигналы напряжения и напряжение на выходе РЭА, имеющие гармонические модели, соответствуют следующим выражениям:

ит1 вт шГ

и1 ^):

?

и2 ) = ит1 8ш(ю? + Да).

и

( )

ит2 + ф)

и

21

ат1 Да . и31

ат3 ф

Через образцовый интервал времени Д£ (в момент времени мгновенные значения сигналов будут равны: и12г=ит18тюА1;

и22=ит^т(Аа+юА{); и32=ит25т(ф+ юА(). Используя мгновенные значения сигналов, после преобразований можно получить выражения для определения основных параметров сигналов:

- амплитудные значения входного и выходного напряжений

и _

т1 А^и^ -(и2 - и^2 + и^) ] .

(1)

ит2 =

2и 21и 22

2|4и^^ -I

л'

"(и^ - и^ + и^ )

: [2и21и22(из21 + и22)-из1из2(и221 - и^2 + и^ .

(2)

- частота сигнала

А =

- агссов

и21 - и^ + и^

2и22и 21

(3)

- угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами

ф = агс£{ц^и - (и2 - и22 + и\)2 /[2из2и22и21 - из1(и221 - и12 + и222)}. (4)

Схема системы контроля и испытаний РЭА, реализующей данный метод, представлена на рис. 2. В состав системы входят: генератор синусоидального напряжения ГСН, первичные преобразователи напряжения ППН1 и ППН2, нуль-орган НО, фазосдвигающий блок ФСБ, аналого-цифровые преобразователи АЦП1 -АЦП3, контроллер КНТ, шины управления ШУ и данных ШД

где ит1, ит2 - амплитудные значения входного и выходного напряжений; ю - угловая частота входного сигнала; ф - угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами.

В момент времени Ь, когда входной сигнал напряжения переходит через ноль, выражения для мгновенных значений примут вид:

Рис. 2. Схема системы, реализующей метод

Рассматриваемый метод предназначен для определения параметров сигналов с гармоническими моделями. Если усилительный тракт РЭА вносит нелинейные искажения, то при гармоническом входном сигнале неизбежно возникает погрешность, обусловленная наличием высших

1

гармоник. При этом амплитудное значение входного сигнала и частота в соответствии с выражениями (1) и (3) определяются без погрешности.

Анализ погрешности метода из-за отклонения реального сигнала от гармонической модели. Проведем оценку методической погрешности, обусловленной отклонением реального сигнала от гармонической модели. Для этого может быть использована методика оценки погрешности результата измерения параметра как функции, аргументы которой заданы приближенно с погрешностью, соответствующей отклонению модели от реального сигнала [1]. В случае, когда абсолютные погрешности аргументов соответствуют наибольшему отклонению модели от реального сигнала, предельные значения абсолютных погрешностей определения амплитудного значения выходного напряжения и угла сдвига фаз между выходным и входным сигналами в соответствии с (2) и (4) примут вид:

(

Мт2 =

Дф =

8U,

8U

+

8U,

8U

Л

ДЦ.

у

f 8ф 8ф

V 8U31 8U32

32

Л

Дит

у

(5)

(6)

би =

k=2

V

1 + ^ hl |sin гаД?

k=2

(7)

^ hk |sin 2ф [jsin ф + ^гп(ф + гаД? )|]

Уф =■

1 + ^ h^jsin гаД?

(8)

интервала времени At. На рис. 3 и 4 представлены графики зависимости относительной погрешности измерения амплитудного значения выходного напряжения и приведенной к 90° погрешности определения угла сдвига фаз от юДt и ф при наличии в сигнале напряжения 1-ой и 3-ей гармоник с коэффициентом й3=1%. Анализ рис. 3 и 4 показывает, что при увеличении интервала времени Дt погрешности измерения амплитуды и угла сдвига фаз снижаются, однако это приводит к возрастанию общего времени измерения.

где ДЦтх = Um2 ^ h - предельная абсолютная

k=2

погрешность аргумента, соответствующая наибольшему отклонению гармонической модели от реального выходного сигнала РЭА; hk=Ukm/Um2 -коэффициент k-той гармоники напряжения.

Используя предельные значения абсолютных погрешностей (5) и (6) и выражения (2) и (4), можно определить относительную погрешность определения амплитудного значения напряжения и приведенную погрешность измерения угла сдвига фаз:

^ h [jcos ф + |cos^ - гаД?}]

Анализ выражений (7) и (8) показывает, что погрешности измерения данных параметров зависят от спектра сигнала, угла сдвига фаз ф и

Рис. 3. Графики зависимости погрешности 5U от юД£ и ф при h3=1%

Рис. 4. Графики зависимости погрешности уф от юДt и ф при hз=1%

Выводы: разработанный метод измерения параметров гармонических сигналов использует формирование только дополнительного сигнала

да

k=2

да

k=2

напряжения, сдвинутого на произвольный угол относительно входного. Это позволяет исключить частотную погрешность ФСБ и погреш- 2. ность из-за отличия углов сдвига фаз в измерительных каналах контроля. Проведенный анализ показывает, что наличие в сигналах высших гармоник приводит к существенному увеличе- 3. нию погрешности измерения ПГС. Полученные результаты позволяют подбирать оптимальные параметры измерительного процесса, исходя из требований по точности и времени измерения.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 13-08- ^ 00173-а) '

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Мелентьев, В.С. Аппроксимационные методы и системы измерения и контроля параметров

периодических сигналов / В.С. Мелентьев, В.И. Батищев. - М.: Физматлит, 2011. 240 с. Мелентьев, В.С. Методы измерения интегральных характеристик на основе формирования дополнительных сигналов / В.С. Мелентьев, Ю.М. Иванов, А.Е. Синицын // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Технические науки. 2013. № 2 (38). С. 56-63. Мелентьев, В.С. Синтез методов и систем измерения интегральных характеристик с использованием ортогональных составляющих гармонических сигналов / В.С. Мелентьев, А.О. Лычев, А.А. Миронов // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XIV междунар. конф. - Самара: Самар. науч. центр РАН, 2012. С. 625-633. Мелентьев, В.С. Анализ влияния погрешностей формирования дополнительных сигналов на погрешность измерения интегральных характеристик гармонических сигналов / В.С. Мелентьев, Ю.М. Иванов, А.Е. Синицын, В.В. Муратова // Информационные технологии в науке и производстве: Матер. Всерос. науч.-техн. конф. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013. С. 86-90.

METHOD OF MEASUREMENT THE PARAMETERS OF SIGNALS FOR MONITORING AND TESTING SYSTEMS FOR RADIO-ELECTRONIC EQUIPMENT

© 2013 V.S. Melentyev, V.V. Muratova, Yu.M. Ivanov

Samara State Technical University

In article the new method, allowing to determine parameters of periodic signals in course of control the amplifier tracts of radio-electronic equipment and providing considerable reduction of measurement time is considered. Results of the analysis of measurement error of parameters because of deviation of a real signal from harmonious model are given.

Key words: control method, amplifier tract, periodic process, harmonious model, highest harmonicas

Vladimir Melentyev, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department. E-mail: [email protected] Vera Muratova, Teacher. E-mail: [email protected] Yuriy Ivanov, Candidate of Technical Sciences, Senior Research Fellow. E-mail: [email protected]