автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройства управления измерительными генераторами электрических сигналов с калиброванными параметрами

Развитие измерительной техники требует опережающего развития средств ее поверки, контроля и аттестации. Основными направлениями такого развития в настоящее время являются повышение точности, увеличение функциональных возможностей и автоматизация измерительных операций. Проблема создания прецизионных средств измерений является актуальной как для интенсификации научных исследований, так и для повышения эффективности и качества практических измерений. Совершенствование измерительной техники невозможно без опережающего развития метрологии, поскольку разработка аппаратуры с улучшенными техническими характеристиками, освоение новых частотных диапазонов требует более точной метрологической техники.

Основными средствами метрологического обеспечения измерительных устройств являются генераторы сигналов с прецизионной регулировкой их электрических параметров. Генератор сигналов с нормированными параметрами представляет собой в настоящее время специализированный прибор, формирующий сигнал с калиброванной регулировкой одного из параметров. Это генераторы сигналов с калиброванной регулировкой частоты, генераторы сигналов с калиброванной регулировкой выходного напряжения, генераторы с калиброванной регулировкой угла фазового сдвига, генераторы с калиброванной регулировкой временных интервалов между двумя импульсными последовательностями, генераторы сигналов с калиброванной регулировкой коэффициента гармоник и т.д.

Рост объема точных измерений не только в научных исследованиях, но и в производстве накладывает свои требования на технические и эксплуатационные параметры устройств для воспроизведения измерительных сигналов. Одним из этих требований является автоматизация измерительных и поверочных операций. Решению задачи автоматизации способствует быстрое развитие микропроцессорной техники. На микропроцессоры и микро-ЭВМ в измерительных приборах возлагаются многие функции, которые выполнялись прежде оператором или сложными схемотехническими аналоговыми средствами.

Микропроцессоры обладают следующими достоинствами:

- обеспечение гибкого управления приборами; расширение приборных и интерфейсных функций измерительных приборов;

- расширение преобразовательных функций;

- обеспечение самодиагностики работы.

Для решения перечисленных задач используются встраиваемые в приборы один или несколько микропроцессоров, либо внешний по отношению к прибору процессор общего назначения.

В аппаратуре на основе фазовых методов и систем микропроцессоры и микро-ЭВМ приводят к еще большей унификации структуры приборов, позволяют в полной мере использовать агрегатный способ построения сложных измерительных систем, качественно новыми путями решать вопросы повышения точности отдельных фазовых каналов и приборов в целом. Необходимость автоматизированного контроля и управления состоянием каналов, необходимость управления совокупностью параметров электрического сигнала, возможность существенно минимизировать и унифицировать аппаратную часть приборов обуславливают перспективность применения микро-ЭВМ и микропроцессоров в измерительных приборах.

Таким образом, задача разработки автоматизированных генераторов сигналов с калиброванными параметрами является актуальной. Причем, эта задача должна решаться не путем объединения нескольких приборов в одном, а путем отыскания методов и структур, позволяющих создавать на единой основе автоматизированные генераторы с комплексной регулировкой параметров сигнала.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка устройств управления измерительными генераторами на основе фазовых методов и систем для автоматизации измерительных операций.

Задачи исследования.

- анализ методов формирования сигналов с калиброванными параметрами, исследование возможности автоматизации этих методов и разработки устройств управления ими; разработка устройств, позволяющих осуществить комплексное автоматизированное воспроизведение сигналов с калиброванными параметрами в широком диапазоне частот; разработка принципов автоматизации, алгоритмов управления синтезаторами сигналов и устройств управления, реализующих разработанные алгоритмы; анализ составляющих основной погрешности воспроизведения сигналов с калиброванными параметрами и определение условий их минимизации.

Методы исследования. Для теоретических исследований применялись теория линейных и нелинейных цепей, элементы математической статистики, методы анализа систем авторегулирования в стационарных режимах и при воздействии детерминированных и случайных сигналов. Экспериментальные исследования проводились на базе разработанной аппаратуры по методикам технических испытаний и путем сличения с образцовыми средствами измерений в органах Госстандарта.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- разработаны способы построения устройств управления генераторами на основе систем фазовой синхронизации для автоматизированного воспроизведения сигналов с калиброванными параметрами;

- разработаны алгоритмы автоматического управления измерительными процессами и устройства управления, реализующие эти алгоритмы; разработан автоматизированный метод измерения физических величин, устройство и алгоритмы управления этим методом.

Практическая ценность работы.

- разработан класс структур автоматизированных генераторов калиброванных сигналов (ГКС), позволяющих строить комплексные автоматизированные ГКС в диапазоне частот от десятков герц до сотен мегагерц; результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде расчетных формул и графиков пригодны для инженерного расчета основных элементов автоматизированных синтезаторов сигналов с калиброванной регулировкой параметров;

- разработаны принципы построения устройств управления автоматизированными измерительными приборами на основе системы фазовой синхронизации.

Личный вклад соискателя заключается в разработке алгоритмов управления измерительными генераторами сигналов с калиброванными параметрами и устройств управления реализующих разработанные алгоритмы, совместной работе по разработке структурных схем автоматизированных генераторов параметров электрических сигналов и определению погрешности их установки, получении экспериментальных результатов.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационных исследований использованы при разработке образцов комплексных синтезаторов и узлов для них. Разработан, изготовлен, прошел успешные лабораторные испытания и внедрен в учебный процесс макет прибора для измерения толщины тонких пленок. Перспективность исследований подтверждена университетским грантом. Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс кафедры информационно-измерительной техники и использованы при разработке опытных образцов аппаратуры в Научно-исследовательском институте радиотехники Красноярского государственного технического университета.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Принципы построения и структурные схемы автоматизированных ГКС на основе систем ФАПЧ и фазовых методов воспроизведения сложных сигналов в широком диапазоне частот и автоматизированных систем управления этими генераторами.

2. Алгоритмы управления измерительными генераторами электрических сигналов с калиброванными параметрами и устройства управления, реализующие эти алгоритмы.

3. Результаты теоретического анализа погрешностей воспроизведения сигналов, подтверждающие высокие потенциальные возможности перспективность использования фазовых методов и систем ФАПЧ для автоматизированного воспроизведения сложных сигналов с калиброванными параметрами и позволяющие произвести расчет основных элементов предложенных структур синтезаторов сигналов.

Апробация работы.

Материалы работы обсуждались на конференциях "Спутниковые системы связи и навигации" в Красноярске (1997); "Конференция молодых ученых и специалистов" в Томске (1998); "Сибконверс-99" в Томске (1999), "Сибресурс-6-2000" в Тюмени (2000), на различных научных семинарах, проводимых в университете.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 7 статей. Из них 3 депонированные работы 1 статья в местной печати и 3 - тезисы докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации - 152 листа.

4.5 Выводы

4.1. Практические исследование возможностей автоматизации измерительных установок на основе фазовых методов и систем подтверждают широкие возможности их использования для автоматического формирования сигнала с заданными параметрами.

4.2. Практическая разработка и метрологическая аттестация макета синтезатора сигналов подтверждают перспективность построения автоматизированных ГКС на основе фазовых методов регулировки входных параметров.

4.3. Экспериментальные разработка и исследование главных блоков измерительной установки для определения толщины тонких пленок подтверждают перспективность фазовых методов для создания установок подобного назначения.

5 Заключение

1. На основе анализа методов формирования сигналов с калиброванной регулировкой параметров и их аппаратурной реализации обоснована перспективность применения фазовых методов и систем для построения автоматизированных генераторов сигналов с комплексной регулировкой параметров.

2. Обоснован выбор метода на основе программируемого калибратора фазы для построения автоматизированного генератора электрических сигналов с регулировкой частоты, фазового сдвига, уровня напряжения, коэффициента гармоник и временного сдвига между двумя импульсными последовательностями.

3. Разработана структурная схема программируемого калибратора фазы на основе системы ФАПЧ с использованием дробнократного сдвига частот генераторов. Использование микропроцессора позволяет обеспечить программное управление регулировкой фазовых сдвигов.

4. Обоснована перспективность совместного применения внутреннего микропроцессора и внешней ЭВМ для эффективного управления автоматизированного генератора параметров электрических сигналов. Разработаны алгоритмы управления и алгоритмы формирования необходимых значений выходных параметров на ее выходах. Предложена одна из возможных схем построения блока управления на основе микро-ЭВМ КР1816ВЕ48.

5. Обоснована перспективность применения фазовых методов и систем для построения измерительной установки, предназначенной для измерения масс веществ, напыляемых на кварцевую пластину. Разработан алгоритм управления такой установкой, работающей под совместным управлением внутреннего микропроцессора и внешней ЭВМ.

6. Проведен теоретический анализ погрешностей формирования сигналов с калиброванной регулировкой параметров в автоматизированной установке на основе программируемого калибратора фазы и погрешностей измерения массы напыляемых веществ в измерительной установке. Определены основные источники погрешностей и условия их минимизации.

7. Проведены экспериментальные исследования опытного образца синтезатора сигналов и макета установки для измерения масс напыляемых веществ. Полученные экспериментальные данные подтверждают основные теоретические выводы о высоких потенциальных возможностях предложенных методов.

1. Мирский Г .Я. Микропроцессоры в измерительных системах. М.: Радио и связь, 1984. - 159 с.

2. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. М.: Радио и связь, 1981. - 328 с.

3. Зарецкий М.М., Мовшович М.Е. Синтезаторы частоты с кольцом фазовой автоподстройки.-Л.: Энергия, 1974. 255 с.

4. А.с. 571678 СССР, МКИ G01R 25/00. Устройство для поверки фазометров и вольтметров / Н.С. Жилин, В.Е. Эрастов (СССР). 4 с.

5. А.с. 584261 СССР, МКИ G01R 23/20. Калибратор нелинейных искажений / Н.С. Жилин, В.Е. Эрастов (СССР). 4с.

6. Галин А.С. Диапазонно-кварцевая стабилизация СВЧ. М.: Связь, 1976. - 256 с.

7. Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проектирование. М.: Связь, 1979. - 381 с.

8. Шапиро Д.Н., Паин А.А. Основы теории синтеза частот. -М.: Радио и связь, 1981. 263 с.

9. Жилин Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике.-Томск: Радио и связь, 1989.-384 с.

10. Эрастов В.Е. Методы и приборы задания параметров гармонических сигналов с применением систем фазовой синхронизации: Дис. канд. техн. наук. Томск, 1987. - 260 с. ДСП.

11. В.В. Гришаев, Д.В. Рябованов. Фазовые методы построения генераторов с калиброванным значением коэффициента гармоник / Томск. Гос. универс. систем упр. и радиоэлектрон. -Томск, 2000. 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 24.03.00, №757-В00

12. Субботин Л.С. Методы и устройства синтеза интервалов времени на основе систем фазовой синхронизации: Дис. . канд. техн. наук. Томск, 1986. - 210 с. ДСП.

13. Д.В. Рябованов. Особенности построения и погрешности автоматизированных генераторов калибраторов временных интервалов / Томск. Гос. универс. систем упр. и радиоэлектрон. -Томск, 2000. 14 с. - Деп. в ВИНИТИ , №758-В00

14. В.В. Гришаев, Д.В. Рябованов. Методы построения мелко дискретных автоматизированных калибраторов фазы / Томск. Гос. универс. систем упр. и радиоэлектрон. Томск, 2000. -18 с.-Деп. в ВИНИТИ 24.03.00, №756-В00

15. Гришаев В.В. Синтезаторы сигналов с калиброванной регулировкой коэффициента гармоник на основе фазовых методов и систем: Дис. канд. техн. наук. Томск, 1990. - 247 с. ДСП.

16. Кравченко С.А. Калибраторы фазы.-JL: Энергоатомиздат, 1981.- 100 с.

17. Колтик Е.Д. Измерительные двухфазные генераторы переменного тока. М.: Изд-во стандартов, 1968. - 199 с.

18. Галахова О.П., Колтик Е.Д., Кравченко С.А. Основы фазометрии. Л.: Энергия, 1975. - 256 с.

19. Смирнов П.Т. Цифровые фазометры. Л.: Энергия, 1974 .260 с.

20. Гоноровский И.С. Радитехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Сов. радио, 1977. -608 с.

21. А.с. 1478492 СССР. МКИ GOIR 25/04. Дискретное фазосдвигающее устройство / В.В.Фоменков, С.А.Кравченко (СССР). 4 с.

22. А.с. 1054793 СССР. МКИ GOIR 25/04. Устройство дискретного задания фазового сдвига / В.В.Фоменков, С.А.Кравченко, И.Х.Шохор, С.О.Красавлина (СССР).-4с.

23. А.с. 880701 СССР. МКИ GOIR 25/04. Калибратор фазы / В.Н.Назаренко (СССР). 4 с.

24. Смеляков В.В. Цифровая измерительная аппаратура инфранизких частот. М.: Энергия, 1975. - 180 с.

25. Шахгильдян В.В.,Ляховкин А. А. Системы фазовой автоподстройки частоты.-М.: Связь, 1972. 450 с.

26. Цифровые системы фазовой синхронизации / Под ред. М.И. Жодзишского. М.: Сов. радио, 1980. - 208 с.

27. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи. М.: Сов. радио, 1970.-391 с.

28. А.с. 1041950 СССР, МКИ G01R 25/00. Калибратор фазы / В.В.Гришаев, Н.С.Жилин, С.Х.Симон (СССР). 4 с.

29. А.с. 1241147 СССР, МКИ G01R 25/00. Калибратор фазы / В.В.Гришаев, К.Р.Сайфутдинов, С.Х.Симон (СССР). 4 с.

30. А.с. 1318928 СССР, МКИ G01R 25/00. Калибратор фазы / В.В.Гришаев, К.Р.Сайфутдинов (СССР). 4 с.

31. А.с. 1368801 СССР, МКИ G01R 25/00. Калибратор фазы / В.В.Гришаев, К.Р.Сайфутдинов, С.Х.Симон (СССР). 4 с.

32. А.с. 731359 СССР, МКИ G01R 25/00. Калибратор фазовых сдвигов / В.И.Кокорин, А.И.Воронков, В.В.Гришаев (СССР). 4 с.

33. А.с. 1190290 СССР, МКИ G01R 25/00. Калибратор фазы / В.В.Гришаев, Н.С.Жилин, С.Х.Симон (СССР). 4 с.

34. А.с. 1249469 СССР, МКИ G01R 25/00. Калибратор фазы / В.В.Гришаев, А.И.Воронков, С.Х.Симон (СССР). 4 с.

35. А.с. 584259 СССР, МКИ G01R 23/20. Устройство для получения сигнала, калиброванного по коэффициенту гармоник / Ю.К Рыбин, М.С.Ройтман, Э.С.Литвак (СССР). 4 с.

36. А.с. 1045153 СССР, МКИ G01R 23/20. Устройство для формирования сигнала, калиброванного по коэффициенту гармоник / Ю.М.Туз, А.Г.Струнин, В.И.Губарь, В.Е.Донец (СССР). 4 с.

37. Жилин Н.С., Эрастов В.Е., Гришаев В.В. Генератор-калибратор нелинейных искажений // Сб. материалов второго всесоюзного симпозиума / Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах. Минск: 1980. - с. 316-317.

38. А.с. 859951 СССР, МКИ G01R 23/20. Формирователь сигналов, калиброванных по коэффициенту нелинейных искажений / В.П.Гращенков (СССР). 4 с.

39. А.с. 1237988 СССР, МКИ G01R 23/20. Способ установки угла отсечки / В.В.Гришаев, Н.С.Жилин (СССР). 4 с.

40. А.с. 1257552 СССР, МКИ G01R 23/20. Генератор-калибратор сигнала, нормированного по коэффициенту гармоник / В.В.Гришаев (СССР). 4 с.

41. А.с. 1368800 СССР, МКИ G01R 23/20. Устройство для формирования сигнала, калиброванного по коэффициенту гармоник / В.В.Гришаев (СССР). 4 с.

42. А.с. 1133562 СССР, МКИ G01R 23/20. Устройство для формирования сигнала, нормированного по коэффициенту гармоник / В .В .Гришаев, Н.С.Жилин (СССР). 4 с.

43. А.с. 1241144 СССР, МКИ G01R 23/20. Способ формирования сложного сигнала, нормированного по коэффициенту гармоник / В.В.Гришаев (СССР). 4 с.

44. А.с. 1265637 СССР, МКИ G01R 23/20. Генератор-калибратор сложного сигнала, нормированного по коэффициенту гармоник / В.В.Гришаев, Н.С.Жилин (СССР). 4 с.

45. А.с. 468185 СССР, МКИ G01R 23/00. Делитель напряжения / Н.С.Жилин (СССР).-4 с.

46. А.с. 474785 СССР, МКИ G01R 25/00. Датчик временных интервалов / Н.С.Жилин (СССР). 4 с.

47. Иванов В.Н., Кавалеров Г.И. Теоретические аспекты интеллектуализации измерительных систем // Измерительная техника. 1991. - №10. - С. 8-10.

48. Злобин Г.Г., Кремень В.Т. Универсальная цифровая измерительная система // Измерительная техника. 1998. - №6. - С. 52-54.

49. Справочное пособие по микропроцессорам и микроЭВМ / Под ред. Д.Л.Преснухина. М.: Высш. шк., 1998. - 272 с.

50. Муравьев С.В., Саволайнен В. Современные средства программирования измерительных процедур: языки и технологии // Измерения, контроль, автоматизация: Научно-технический сборник обзоров. 1994. - №1-2. - С. 3-10.

51. Гришаев В.В., Рябованов Д.В. Оценка точности разночастотного метода формирования фазовых сдвигов // Тез. докл. на 6-й межд. науч.-прак. конф. Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс-6-2000), 2-4 окт. 2000 г. Тюмень, 2000. - с. 77-78.

52. Гришаев В.В., Рябованов Д.В. Использование фазовых методов и систем для исследования физико-химических свойств различных сред // Полифункциональные материалы: Сборник статей. Томск.: Изд-во Том. ун-та, 2001. - с. 119-120.

53. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. -СПб.: Изд-во "Питер", 2000. -816с.

54. Микросхемы памяти, ЦАП и АЦП: Справочник 2-е изд. стереотип / О.Н.Лебедев, А-Й.К.Марцинкявичус, Э.-А.К. Багданскис и др. - М.: КУбК-а, 1996. - 384 с.

55. Микропроцессоры и однокристальные микро-ЭВМ. Номенклатура и функциональные возмодности / Под ред. С.М.Казимова.-М.: Радио и связь, 1990 326 с.

56. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. В двух частях / И.И.Петровсий, А.В.Прибыльский, А.А.Троян, В.С.Чувелёв.-Бином, 1993 496 с.

57. Микросхемы интегральные серии К1500.К1531.-СП6.: Издательство РНИИ "Электростандарт", 1993 132с.

58. Интегральные микросхемы. Справочник / Под ред. Б.В.Тарабрина М.: Радио и связь, 1984 - 528 с.

59. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Кварцевые генераторы: Справ, пособие. М.: Радио и связь, 1984.-232 с.

60. Альтшуллер Г.Б. Управление частотой кварцевых генераторов.-М.: Связь, 1975. 304 с.

61. Горошков Г.И. Радиоэлектронные устройства: Справочник.-М.: Радио и связь, 1984.-400 с.

62. Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Т.1.-М.: Физматлит, 1993.-240 с.

63. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / М.И.Богданович, И.Н.Грель, С.А.Дубина и др.-2-е изд., перераб. и доп.-Мн.: Беларусь, Полымя, 1996. 605 с.

64. Жилин Н.С. Теоретическая и практическая разработка прецизионных средств измерений параметров электрических сигналов на основе фазовых методов и систем: Дис. . д-ра техн. наук,-Томе. 1979.-415 с.

65. Супьян В.Я. Исследование погрешностей фазометров с умножением и преобразованием частоты.: Дис. . канд. техн. наук. -Томск, 1964.- 182 с.

66. Пестряков В.Б. Фазовые радитехнические системы. М.: Сов. радио, 1968. - 466 с.

67. Амплитудно-фазовая конверсия / Крылов Г.М., Богатырев Е.А., Пруслин В.З. и др.; Под ред. Г.М.Крылова. М.: Связь, 1979. -256 с.

68. Жилин Н.С. Теоретические и экспериментальные исследования фазометрических преобразователей частоты с широким динамическим диапазоном: Дис. . канд. техн. наук. -Москва, 1970. 177 с.

69. Цифровые методы измерения сдвига фаз / Глинченко А.С., Кузнецкий С.С., Чмых М.К. и др. Новосибирск: Наука, 1979. - 288 с.

70. Жилин Н.С., Майстренко В.А. Метрологические аспекты преобразования частоты. Томск: Изд. Томского университета, 1986.- 184 с.

71. Майстренко В. А., Никонов А.В. Нелинейность амплитудной характеристики гетеродинных преобразователей частоты // Межвузовский сб. научн. тр. Томск: Томский политехнический ин-т. - 1985. - с. 88-95.

72. Русанов А.П., Шелков С.П. Нелинейные искажения токов в полевых транзисторах при воздействии гармонических сигналов // Сб. статей под. ред. И.Ф.Николаевского "Полупроводниковые приборы в технике электросвязи". Вып. 14. - М.: Связь, 1974. - с. 84-94.

73. Ку И.Х., Вольф А.А. Применение функционалов Волтерра-Винера для анализ нелинейных систем // Техническая кибернетика за рубежом. М.: Машиностроение, 1968 - с. 145 -165.

74. Рыбин Ю.К., Будейкин В.П., Чуфисов В.И. Генератор с малыми нелинеными искажениями // Измерительная техника. 1984. - №4.-с. 39-41.

75. Жалуд В., Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах / Под оющей ред. А.К.Нарышкина. М.: Сов. радио, 1977. -416 с.

76. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах: пер. с англ. М.: Мир, 1986. - 399 с.

77. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Сов. радио, 1974. 552 с.

78. Эрастов В.Е. Влияние шумов на точность калибровки переменного напряжения фазовым способом // Проблемы метрологии: Межвизовский сб. научн. трудов Томск: Томский политехнический ин-т. - 1985. - с. 127-136.

79. Справочное пособие по микропроцессорам и микроЭВМ / Под ред. Д.Л.Преснухина. М.: Высш. шк., 1998. - 272 с.

80. Однокристальные микроЭВМ: Справочник / Боборыкин А.В., Липовецкий Г.П., Литвинский Г.В. и др. М.: МИКАП, 1994. -400 с.

81. Житков А.Н., Леныпин В.Н., Строителев В.Н., Филаретов Г.Ф. Автоматизированные измерительные системы на основе шины VXI // Измерительная техника. 1994. - №11. - С. 19-22.

82. Абросимов Э.А., Бурехин И.В., Расташанская И.И., Малошенко О.Я. Автоматизированный комплекс высокоточной аппаратуры для измерения ЭДС // Измерительная техника. 2001. -№4. - С. 45-46.

83. Сапельников В.М., Кравченко С.А., Чмых М.К. Проблемы воспроизведения смещаемых во времени электрических сигналов и их метрологическое обеспечение. Уфа: Изд. Башкирск. гос. ун-та., 1999.-200 с.