автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Метод скользящей гистограммы при метрологических испытаниях цифровых измерительных модулей информационно-измерительных систем

м

На правах рукописи

Абрамов Алексей Михайлович

МЕТОД СКОЛЬЗЯЩЕЙ ГИСТОГРАММЫ ПРИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (в технических системах)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань 2013

005535767

005535767

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» на кафедре «Информационно-измерительная и биомедицинская техника».

Научный руководитель:

Прошин Евгений Михайлович

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационно-измерительных систем «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина», г. Москва

Жильников Тимур Александрович,

кандидат технических наук, доцент кафедры математики и информационных технологий управления «Академия права и управления ФСИН России», г. Рязань

производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-ПРОГРЕСС" - "Особое конструкторское бюро "СПЕКТР", филиал Федерального государственного унитарного предприятия, г. Рязань

Официальные оппоненты:

Ермолкин Олег Викторович,

Ведущая организация:

Государственный научно-

Защита состоится 22 ноября 2013 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д212.211.04 в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГРТУ. Автореферат разослан « /6 » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, доцент

Г.В. Овечкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Раздел метрологии, связанный с обеспечением единства измерений, на сегодня является одним из достаточно консервативных разделов в технической области. С одной стороны, это и понятно, ибо задача поддержания точности и единства измерения требует большой тщательности, а С другой — это приводит порой к увеличению трудоемкости и дороговизны метрологических испытаний. К этому следует добавить, что сами испытываемые средства стали настолько сложными, что традиционные способы метрологического испытания к ним применить зачастую невозможно. К таким объектам повышенной сложности, несомненно, можно отнести информационно-измерительные системы (ИИС), построенные на базе ансамбля цифровых измерительных модулей (ЦИМ).

На сегодняшний день проведение отдельных видов метрологических испытаний ЦИМ ИИС производится путем создания специализированных комплексов, оснащенных автономными, разнотипными измерительными и вспомогательными устройствами, объединенных различными каналами связи. Данные обстоятельства способствуют возникновению неучтенных методических погрешностей измерений и в целом снижению точности и достоверности полученных результатов измерений. Способ управления процессом испытаний, как правило, ручной, что может быть причиной появления грубых погрешностей (промахов), вызванных в том числе «человеческим фактором». Поэтому автоматизация метрологического контроля и испытания данных средств измерений (СИ) стала важной составляющей их использования.

К наиболее важным метрологическим характеристикам относят точность и быстродействие. Первую из них обычно определяют через статическую погрешность, а вторую - через динамическую.

Основные характеристики ЦИМ ИИС, представляющие интерес при метрологическом испытании, это: функция преобразования (ФП), напряжение межкодового перехода, интервал квантования, дифференциальная нелинейность (DNL), интегральная нелинейность (INL), зона неопределенности напряжений межкодовых переходов, монотонность ФП, аддитивная и мультипликативная погрешность.

Существуют различные подходы к измерению этих характеристик, изложенные в работах Цветкова Э.И., Новицкого П.В., Шлыкова Г.П., Брагина A.A., Семенюка A.JL, Вострокнутова H.H., Прошина Е.М., Садовского Г.А., Бернарда М. Гордона, Уолта Кестера и др.

В большинстве общепринятых методов в качестве образцового испытательного сигнала (ОИС) используются либо линейно изменяющееся во времени напряжение (треугольные или пилообразные импульсы), либо синусоидальные колебания, охватывающие весь рабочий диапазон ЦИМ с последующей обработкой и вычислением спектра преобразованного сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье.

Недостатки этих методов известны. В первом случае возникает проблема получения «хорошего» линейно нарастающего или спадающего напряжения.

Во втором - проблема хорошей фильтрации синусоидального сигнала. Большинство методик не ориентированы на получение полной ФП ЦИМ из-за большого количества времени, уходящего на прохождение всей характеристики преобразования при испытании многоразрядных ЦИМ. Такие методы используют, например, контроль напряжений, соответствующих отдельным переходам 2K-1 (X - число разрядов ЦИМ).

По способу выделения погрешностей (в цифровом или аналоговом виде) методы метрологического испытания ЦИМ можно разделить на прямого и обратного преобразования. Здесь особого внимания заслуживает метод образцовой меры, для формирования которой чаще всего используется образцовый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с допускаемыми погрешностями в пределах (0,1-0,5) от предела допустимой контролируемой погрешности ЦИМ.

Такие требования к точности образцовых СИ становятся порой реально невыполнимыми при метрологической аттестации высокоточных многоразрядных ЦИМ, кроме того, возможность испытать ЦИМ с большим числом разрядов ограничивается разрядностью самого образцового ЦАП.

Решение существующих проблем возможно путем разработки и исследования методов компьютерной автоматизации метрологических испытаний, прецизионных методик испытаний статических характеристик ЦИМ и методик оценивания погрешностей, преодолевающих ограничения по точности образцовых СИ. Особое место занимают вопросы испытания предельных по разрядности (до 24) ЦИМ, для которых порой не существует образцовых СИ.

Целью диссертационной работы является повышение точности метрологических испытаний и аттестации ЦИМ ИИС на основе предложенного в работе метода скользящей гистограммы (СГ) и его компьютерной автоматизации, позволяющих преодолеть ограничения по точности образцовых СИ за счет прецизионных методик, максимально полно оценивающих характеристики испытываемых средств.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: •

- используя прецизионные СИ в сочетании с прецизионными методиками, максимально полно оценивающие характеристики испытываемых средств, преодолеть ограничения по точности образцовых СИ;

- разработать прецизионный способ метрологического испытания и аттестации ЦИМ с использованием компьютерных технологий;

- оценить точность разработанного способа;

-подтвердить обоснованность теоретических выводов, расчетов и результатов моделирования экспериментальными исследованиями.

Методы исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на методах математического анализа, теории вероятности, теоретических основах электротехники, теории статистического оценивания, численного моделирования и на экспериментальных исследованиях. Использовались пакеты программ Mathematica, Lab VIEW.

Научная новизна работы

1. Разработан новый метод метрологического испытания ЦИМ ИИС, названный методом скользящей гистограммы, являющийся развитием гисто-

граммного метода, основанный на циклическом сдвиге опорного уровня образцового испытательного сигнала (ОИС) с номинальным шагом, соизмеримым с интервалом квантования испытываемого ЦИМ по его динамическому диапазону-

2. Найдены зависимости для метода скользящей гистограммы, показывающие, что погрешность в определении БМ, и испытываемого ЦИМ определяется произведением нелинейности ОИС на нелинейность его перемещения и, следовательно, имеет второй порядок малости.

3. Разработаны алгоритмы, модели и аппаратно-программная реализация системы метрологического испытания, позволяющие оценить статические метрологические характеристики ЦИМ по методу скользящей гистограммы, в которых преодолены метрологические ограничения средств испытаний и измерений за счет прецизионных методик, снижающих требования к линейности ОИС.

Практическая значимость. Разработан и запатентован способ метрологического испытания статических характеристик АЦП, являющегося основным элементом ЦИМ.

На основе разработанных методов и алгоритмов созданы программно-аппаратные средства, зарегистрирована программа для реализации метода СГ, представляющая собой интерактивный инструмент метрологического испытания ЦИМ ИИС, позволяющая получить полную картину реальной ФП со всеми статическими характеристиками.

Методы используются в составе метрологического обеспечения ИИС летных и предполетных испытаний в ЛИИ им. М.М. Громова (г. Жуковский).

Результаты диссертационной работы использовались в НИР и НИОКР по темам:

-«Разработка унифицированной системной оболочки СРС и адаптация программно-аппаратных средств для метрологического обеспечения подготовки многоканальных измерительных систем к летным испытаниям» (№ 186-07-м/11-07);

-«Разработка интерактивной среды эталонного комплекса аппаратно-программных средств для проведения комплексных сертификационных испытаний и аттестации измерительных каналов ИИС» (№ 89-09-М/12-09);

-«Разработка типовых методик, модифицированных алгоритмов программного обеспечения эталонного комплекса для оценки динамических характеристик измерительных модулей бортовых ИИС» (№ 157-11-М);

-«Разработка системы автоматизированного исследования статических характеристик цифровых измерительных устройств, на основе метода СГ по программе «У.М.Н.И.К.».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 2007, 2010, 2011), Международной конференции с элементами научной школы для молодежи "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 2009). Проект по теме диссертации победил в I региональном итоговом конкурсе «У.М.Н.И.К» (Рязань, 2010).

Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в рамках НИР с Летно-исследовательским институтом имени М.М. Громова - г. Жуковский (2007, 2009, 2011) и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет», что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе: патент РФ на изобретение (№ 2337475), одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2012660596), 1 монография (в соавторстве), шесть статей в журналах из списка рекомендованных ВАК.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод скользящей гистограммы, основанный на анализе каждого интервала квантования испытываемого ЦИМ путем циклического сдвига опорного уровня ОИС по всему динамическому диапазону, с номинальным шагом, соизмеримым с интервалом квантования испытываемого ЦИМ, что заметно снижает влияние нелинейности ОИС и дает возможность повысить точность метрологических испытаний.

2. Методика расчета точности испытания по методу скользящей гистограммы, показавшая, что погрешность в определении статических характеристик испытываемого ЦИМ определяется произведением нелинейности ОИС на нелинейность изменения опорного уровня ОИС и, следовательно, имеет второй порядок малости.

3. Структуры и алгоритмы работы системы метрологического испытания ЦИМ, включающие генератор ОИС, управляемый аттенюатор, регулируемый источник опорного напряжения (РИОН), схему перемещения ОИС, микроконтроллер и ЭВМ, реализующие метод скользящей гистограммы.

4. Результаты моделирования и экспериментальных исследований метода скользящей гистограммы, подтвердивших обоснованность теоретических выводов и расчетов, где выигрыш в точности по сравнению с гистограммным методом достигает величины 30 даже при большой нелинейности смещения ОИС, равной а = 0.1.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 73 наименований и пяти приложений. Диссертационная работа содержит 135 страниц, в том числе 102 страницы основного текста, 52 рисунка и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, проанализировано состояние проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу известных методов испытания и оценивания точности ЦИМ ИИС.

Проведен анализ обобщенной структуры ИИС, где под ЦИМ понимается

измерительный канал (ИК) ИИС, конструктивно различные элементы которого объединены в единое устройство, представляющее собой электронный измерительный преобразователь с цифровым выходом. В частности, показано, что понятие ЦИМ нередко сводят к АЦП.

Описаны основные статические характеристики ЦИМ ИИС, образующие его метрологические свойства: ФП, напряжение межкодового перехода, интервал квантования, БМ,, ГЫЬ, зона неопределенности напряжений межкодовых переходов, монотонность ФП, аддитивная и мультипликативная погрешность. Статическая ФП ЦИМ представляется решением уравнения:

где цифровой эквивалент N измеряемой величины х появляется в результате замещения х суммой единичных интервалов квантования /г, с учетом ОМ,, ШЬ, случайного шума г}, и начального смещения х0. Здесь в точности равенства левой и правой части заключена погрешность квантования и компарирова-ния, в разбросе и колебаниях заключены ОМЬ и 1ЬГЬ, в нестабильности х0 -аддитивная составляющая общей погрешности, а в общем тренде всех \ -мультипликативная составляющая общей погрешности и, наконец, в тд - случайные колебания уровней квантования. Таким образом, для наиболее полного оценивания ФП ЦИМ необходимо по существу измерить все значения интервалов квантования Л, по всему диапазону преобразования вместе с величинами х0 и 7,, что, естественно, возможно только с использованием компьютерных технологий.

Проведен анализ основных нормативных документов, распространяющихся на АЦП электрических сигналов, устанавливающих общие требования к методике поверки цифровых измерительных приборов и преобразователей. Особое место при метрологическом испытании АЦП занимает вопрос формализации требований к точности измерений и выбора образцовых СИ. Таким образом, для исследования статических метрологических характеристик 12-разрядного ЦИМ относительная погрешность опорного ОИС (погрешность калибратора) не должна превышать у = 2~пх 10"' »0,2x10"* , т.е. 0.00002 (0,002 %). Для 16-разрядных ЦИМ, а особенно 24-разрядных, требования к точности опорных сигналов возрастают на несколько порядков и становятся реально невыполнимыми.

Проанализированы известные методы экспериментального определения статических характеристик ЦИМ и АЦП. Проведена оценка погрешностей общепринятого гистограммного метода. Показано, что при линейном ОИС систематическая погрешность оценки ступени квантования ЦИМ и погрешность оценки ИЧЬ и ШЬ зависят от объема выборки и уменьшаются в среднем в ^¡т ■ пТ / Nт . Здесь т- число периодов ОИС, пТ - число отсчетов за время прямого и обратного хода ОИС по всему диапазону преобразования ЦИМ, Ыт - максимальное число кодовых комбинаций ЦИМ. При наличии

N

(1)

нелинейности сканирования плотность распределения мгновенных значений ОИС отлична от равномерной плотности, что приводит к систематической погрешности оценки ступени квантования ЦИМ, обусловленной заданной методикой измерения. В этом случае максимальная погрешность измерения ОИЬ Р / 2, а ЕЫЪ - ¡5 / 4 (/? - коэффициент нелинейности ОИС).

Последним обусловлена необходимость разработки новых методов экспериментального определения статических характеристик многоразрядных ЦИМ, направленных на переход от прецизионных средств измерений к прецизионным методикам, при которых требования к образцовым средствам могут быть существенно снижены.

Сформулированы основные задачи диссертационного исследования:

- преодоление метрологических ограничений средств испытаний и измерений;

- разработка прецизионного способа метрологического испытания и аттестации ЦИМ ИИС на базе компьютерных технологий;

- оценка точности разработанного способа.

Вторая глава посвящена разработке прецизионного способа метрологического испытания и аттестации ЦИМ, максимально полно оценивающего характеристики испытываемых средств, направленного на преодоление метрологических ограничений средств испытаний и измерений.

Способ начинается с процедуры определения границ амплитудного диапазона (АД) ЦИМ согласно принятой в работе классификации ФП ЦИМ.

Для решения задачи преодоления ограничений по точности образцовых СИ был разработан и запатентован новый метод метрологического испытания ЦИМ ИИС (пат. РФ № 2337475), названный методом скользящей гистограммы, являющийся развитием гистограммного метода. Суть метода СГ при контроле статических характеристик прецизионных ЦИМ заключается в следующем (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структура реализации метода СГ

Формируют ОИС в виде

-ЪАднс • (г-1), Т{1-\)<1йТ -|е,<->|/ + 2 Аоис-и Т

где и - производные на возрастающем и убывающем участках ОИС, Аоис - амплитуда ОИС, Т - период ОИС, / - порядковый номер периода ОИС, например, с помощью генератора сигнала линейной треугольной формы или ЦАП и ослабляют его в случае ЦАП для уменьшения собственной ступени квантования с коэффициентом ослабления Ь

где Иг — номинальное значение шага квантования источника ОИС, Ъцим - ожидаемое значение ступени квантования испытываемого ЦИМ, ктр — коэффициент необходимого превышения по точности источника ОИС над испытываемым

ЦИМ. Суммируют уменьшенный образцовый испытательный сигнал (ОИС) с сигналом регулируемого источника опорного напряжения (РИОН) таким образом, чтобы верхняя граница номинального размаха ОИС не превышала нижней код-границы NN испытываемого ЦИМ.

ОИС начинают циклически сдвигать с помощью РИОН, с номинальным шагом, соизмеримым с интервалом квантования испытываемого ЦИМ, по всему динамическому диапазону последнего. При этом накапливают на каждом шаге локальную гистограмму кодов с испытываемого ЦИМ в области размаха

ОИС, исключают коды на его границах и суммируют число кодов, соответствующих каждому промежутку квантования испытываемого ЦИМ в общей гистограмме. Продолжают испытания и накопление числа кодов до тех пор, пока

' N

нижняя граница номинального размаха ОИС не превысит верхней код-границы N13 испытываемого ЦИМ. Для этого фиксируют соответствующие коды с испытываемого ЦИМ в память, которая в свою очередь передает эти коды на компьютер. Формирование общей гистограммы на примере 3-битного ЦИМ представлено на рисунке 2.

Получено выражение, показывающее, что время пребывания в ] -м промежутке квантования для всех уровней смещения ОИС зависит от величины этого промежутка и практически не зависит от нелинейности ОИС:

где т — число периодов ОИС; Ау — испытываемый интервал квантования;

Nоис ~ число смещений ОИС, обеспечивающее участие ОИС в испытании }-го интервала квантования; М* (1 / 0') - оценка математического ожидания об-

'цим

(3)

(4)

ратной производной на т периодах, определяемая как

М

1

тЫ,

ОИС '"1

1

1

где и - производные на возрастающем и убывающем участках ОИС в / -м испытании на у"-м интервале квантования.

Здесь т и Ы01К - величины постоянные, а - величина, колеба-

ния которой уменьшаются в \jmNonc по сравнению с исходными колебаниями, в том числе от нелинейности ОИС.

Чяг.ю мшлмй вш ЦИМ

1№:МШ№М11!1М1:Ш<!Ш1М|:.1|1'М11Г!'1!':|1ЩИП'Ш И .1111М!,1Н№1!НН' ця , • -« ...

~: ТТТГ

Рисунок 2 - Пример метода СГ при испытании ЦИМ линейным ОИС Решена задача оценки погрешностей метода СГ. Получена зависимость для метода СГ, показывающая, что погрешность в определении ОМ. и ГКЪ испытываемого ЦИМ определяется произведением нелинейности ОИС (/?) на нелинейность его перемещения (а) в РИОН и, следовательно, имеет второй порядок малости:

* 12

(6)

Показано, что выигрыш в точности по сравнению с гистограммным методом достигает величины 30 даже при большой нелинейности ОИС и РИОН, равной >5 = 0.1» а = 0.1.

Разработано устройство (пат. РФ № 2337475) для осуществления метода СГ, содержащее генератор ОИС (ЦАП1), управляемый аттенюатор, РИОН (ЦАП2), схему перемещения ОИС (СПОИС), микроконтроллер (МК) и ЭВМ.

Выделены основные параметры системы метрологического испытания статических характеристик прецизионных ЦИМ по методу СГ, влияющие на точность и скорость измерения его ФП.

Третья глава посвящена программному моделированию метрологического испытания статических характеристик ЦИМ.

Описаны основные требования, предъявляемые к имитационной программной модели (далее модёли) системы метрологического испытания. На основе этого предложено задачу проектирования модели решать с помощью среды графического программирования Lab VIEW.

С учетом сформулированных требований и принципов программирования среды Lab VIEW разработана модель системы метрологического испытания по гастограммному методу и его дальнейшему развитию - методу СГ. Обобщенная модель разработанного виртуального прибора (ВП) представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Обобщенная модель системы метрологического испытания

Предложено модуль ЦИМ представить последовательным соединением входного аналогового устройства и АЦП, в котором были учтены особенности идеального дискретного преобразователя и те отличия реального преобразователя от идеального, которые существенно влияют на погрешность результата измерения в статическом режиме. Проведен анализ работы АЦП с входным аналоговым устройством. На основе этого показано, что структуру ЦИМ любого типа можно описать последовательным соединением входного аналогового устройства, квантователя (КВ) и дискретизатора, причем последние два элемента можно менять местами. В качестве основы модели КВ принята процедура решения следующего математического выражения:

х-^[кн+ОЖ-ШО{0 + /(*м)] + »7ш -ЛЛ®'(/)<0. (7)

1=0

где х - преобразуемая величина, Н„ - номинальный интервал квантования, 0№, будучи умноженной на случайную величину ШО (в диапазоне -1,+1), и изменяющаяся по заданному закону /(х1т), генерируют конкретные зна-

чения И, для каждого 1-го интервала квантования, т)ш - собственный шум ЦИМ, ЛУ£>' - случайная величина (в диапазоне -1,+1) собственною шума

цим.

Вид лицевой панели разработанного ВП представлен на рисунке 4. С помощью органов управления лицевой панели ВП выполняется ввод исходных значений параметров ОИС, статических характеристик ЦИМ, а также настройка метода СГ. Использование средств отображения и индикации ВГ1 позволяют осуществить визуальный контроль формы задаваемых параметров ОИС, ФП ЦИМ, а также представить результаты испытаний по гистограммному метолу и методу СГ в виде гистограмм, вычисленных статических характеристик, построенной реальной ФП и зоны неопределенности. Кроме того, разработанная модель системы метрологического испытания позволяет оценить точность определения интервалов квантований испытываемого ЦИМ.

О—

ММ

г*.

г«-"

ийииниимимниьииииииииамиии

>

звз—

1ий"

Рисунок 4 - Лицевая панель виртуального прибора Исследована разработанная модель системы метрологического испытания на разнообразных ФП. На рисунке 5 представлены результаты испытаний Ц11М с номинальными параметрами (ОЬ!Ь ■= 0 и = 0) нелинейным ОИС по гистограммному методу и совместной нелинейности ОИС и нелинейности его перемещения, равной ступени квантования по методу СГ.

Здесь при коэффициенте нелинейности ОИС у? = 0.2 предельная относительная погрешность измерения интервалов квантований для гистограммного метода достигает 30 % и для метода СГ 7 %.

Последние результаты подтверждают эффективность разработанного метода СГ по сравнению с общепринятым гистограммиым методом. Если в гисто-граммном методе точность измерений 1МЬ испытываемого ЦИМ не может превышать ПЛ, ОИС, то в методе СГ нелинейность ОИС практически не влияет на

точность измерения ФП ЦИМ даже при нелинейности перемещения ОИС, равной ступени квантования.

□ЕЕ-ЕЕ

Ш

I® 1 «

«••« > • * • • * •

—1—1—»—I—»—»—I—I—«—г—г—I—г—1—!—|—I—|—I—г—|—г-1—Г—:—г—<—т—г

• г 4 » в и

■МиаЛоаи«

Рисунок 5 - Абсолютные значения интервалов квантований Четвергам глава посвящена аппаратно-программной реализации и экспериментальному исследованию предлагаемого в работе метода СГ. Разработана система метрологического испытания, позволяющая реализовать как классические методы метрологического испытания (прямого образцового преобразования, гистограммный), так и метод СГ (рисунок 6).

. ¡¡С-ГШИ

" г * V 1

1 "[ттА

« Ь=! — !

Рисунок 6 - функциональная схема системы метрологического испытания с использованием метода СГ Данная система предусматривает подключение внешнего генератора ОИС и РИОН к разъему Х1/Х4 (канал аналогового вывода N1 РС1е-6321 или

уннвсрсальный генератор АРС3021В) в случае метрологического испытания внешнего ЦИМ.

Разработка системы была выполнена при поддержке фанта Фонда содействия развитию малых форм иредириятнй в научно-технической сфере по программе «У.М.Н.И.К.». На рисунке 7 представлена фото1рафия макета разработанной ситемы.

Для проведения экспериментального исследования метода СГ" с помощью системы метрологического испытания была разработана программа для реализации метода СГ (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660596) посредством среды графического программирования

На рисунке 8 представлены результаты метрологического испытания канала аналогового ввода N1 РС1е-6321 по метод)' СГ с 16-битным АЦП А07685. Для данного эксперимента функцию генератора ОИС и РИОН выполняли 2 канала аналогового вывода N1 РС1е-6321, позволяющие воспроизводить сигнал с разрешением 16 бит, с ОМ, 1ЬБВ и ГИЬ 8.5и>В. Макет системы метрологического испытания с помощью СПОИС-2. основанной на инвертирующем сумма-торс, выполнял операцию масштабирования сигнала с первого канала аналогового вывода и накладывания его на изменяющийся опорный уровень со второго канала аналогового вывода. По данным общей гистограммы программа определяет абсолютные значения всех интервалов квантований. Результаты этих вычислений позволяют получить статические характеристики:

К =0,16444мВ, = -0,34Ь8В, ОМ^ = 0,54Ь8В, Жшя = -1.2L.SB,

/\/.яо, = ЗЬБВ. Данные результаты находятся в пределах заяатенных метроло-

Рисунок 7 - Макет системы метрологического испытания с использованием метода СГ

гических характеристик производителя и подтверждают эффективность метода СГ.

Рисунок 8 - Обшая гистограмма плотности кодов, полученная при метрологическом испытании каната аналогового ввода N1 РС1е-6321

В завершении работы программа строит реальную ФП (рисунок 9).

■«" " КЗ [

мим. в ашоо ■ —

- 1 -(1

пас • 14®,»' у

ШЕ&в- /

'яыы У

—У /

авл- -С т=

«оо.е-

-V

100»,*-] у-

но»»-

¡«и-

мме.с-

гтосс -

мое.» ✓ - —

4.» М л»

0 от__- о ним

о - -0.34158

1 1 гг -■

111

м и м и и

ч ■ ».»

Рисунок 9 - Реальная Ф11 какала аналогового ввода N1 РОс-6321 На базе научно-образовательного центра авторизованного технологичс-

ского центра National Instruments (НОЦ-АТЦ N1) ФГБОУ ВПО "РГРТУ", было проведено испытание 4-х плат сбора данных PCIe-6321. Результаты испытаний

одной из плат PCIe-6321 представлены в таблице.

Результаты HCiiытаний канала аналогового ввода PCIe-6321 по методу СГ

Ислмтамке ONL. imn ■MKTS INL. » Mvm\ IIIKni Число мспы* таимй каждого Обшм чмею огетиа Схм ншемм IMM'l MR Иочшаяша) Minful «вам пааииа. мв

Шт тщиптшиии С

MM Mac Мим Кол Maatf Км Мня Код Мам/ KOi Мая Mat/

1 -0Л 0J4 ■\Х "J/ •593* о.к 31Ш 1.7/ ■32747 (II 114 IJI»»6E*« 0.1*444 0.1644J»

J ■OJJ 0.55 •i.V ?r»i l.V 4510 41.54/ »1« >31 41747 117 U*M5C>9

J OJJ ■IM 27399 1% -0УЛ A.V дом ■ ГM -3J76T 116 ипие*

4 ■044 OJJ 24991 131 •ft.»' 32764 1 i) •32747 uwне**

•OJJ 0J4 -1.6/ 27461 U' -<*U «JV JJ766 1,1/ ■12767 117 ¡яте*» 0.16443V

4 OJJ 27*99 JJ/ ■6084 AV J2744 1» •32747 Ijnufi 0.16444

1 ■0л 0J5 ■OM J746I 1.4 -6510 0J/ 32744 1 Al ■32747 ..2 &I6443I

t 0J4 ЛУ 2ЛН1 -0.U )2**> ЦУ •»7*7 • 11 U«993E*

♦ W> •1." 27399_j 2.V •6442 -0.7' 32744 1.4/ 32747 U»WIE-« 0.16444

1« •OJJ OJJ J7 yn V -W4| 0.1' J2746 . J.4/ ■32747

В заключении приведены основные научные и практические выводы по работе.

1. Проанализированы известные способы определения статических характеристик ЦИМ- Наиболее предпочтительным методом при автоматизации метрологических испытаний ЦИМ ИИС является гистограммный, однако присущие ему недостатки не позволяют использовать его при испытаниях прецизионных ЦИМ.

2. Разработан метод СГ, основанный на анализе каждого интервала кван-тоияния иептиняемшо 1 (ИМ путгм циклического сдвига ОИС по мему динамическому диапазону, с номинальным шагом, соизмеримым с интервалом квантования испытываемого ЦИМ, что заметно снижает влияние нелинейности ОИС и дает возможность повысить точность метрологических испытаний.

3. Получены зависимости, показывающие, что погрешность испытания от нелинейности испытательных сигналов в методе СГ возникает только в том случае, когда имеется совместная нелинейность ОИС и нелинейность его перемещения. Детальный анализ показал, что погрешность в определении статических хараетеристик испытываемого ЦИМ определяется произведением нелинейности ОИС на нелинейность его перемещения и, следовательно, имеет второй порядок малости.

4. Разработана программно-математическая модель системы метрологического испытания по гистограммному методу и его дальнейшему развитию -методу СГ.

5. Результаты моделирования подтвердили эффективность разработанного метода СГ по сравнению с общепринятым гистограммным методом. Если в

последнем точность измерений INL испытываемого ЦИМ не может превышать INL ОИС, то в методе СГ нелинейность ОИС практически не влияет на точность измерения ФП ЦИМ даже при нелинейности перемещения ОИС, равной ступени квантования.

6. Результаты экспериментальных исследований разработанного метода подтвердили обоснованность теоретических выводов, расчетов и результатов моделирования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Абрамов A.M. Система метрологического испытания и аттестации статических характеристик прецизионных АЦП по методу «плавающей гистограммы» / А.М Абрамов, С.Г. Гуржин, Е.М. Прошин // Информационно-измерительная и биомедицинская техника: сб. науч. тр. - Рязань: РГРТУ, 2006.-С. 21-36.

2. Патент № 2337475 РФ, МПК НОЗМ 1/10 Способ метрологического испытания и аттестации статических характеристик АЦП и устройство для его осуществления / Е.М. Прошин, С.Г. Гуржин, A.M. Абрамов; Рязанский государственный радиотехнический университет. - заявл. 22.05.2007; опубл. 27.10.2008, Бюл. № 30. - 12 с.

3. Измерительная система терапевтической, диагностической и экологической информации на базе комплекса «Мультимаг-М» / A.M. Абрамов, С.Г. Гуржин, Е.М. Прошин и др. // Материалы докладов XX Всероссийской НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Био-медсистемы - 2007". - Рязань: РГРТУ, 2007. - С. 63-65.

4. Принципы построения системы контроля и измерения терапевтической, диагностической и экологической информации комплекса «Мультимаг-М» / A.M. Абрамов, С.Г Гуржин, В.И. Жулев и др. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2007. -№ 7. - С. 10-13.

5. Абрамов A.M. Измерение систематической погрешности АЦП на переменном сигнале / A.M. Абрамов, Е.М. Прошин, Г.А. Садовский // Перспективные проекты и технологии. - Рязань, 2008. - Вып. 2. - С. 17-22.

6. Абрамов A.M. Контроль метрологических и технических характеристик аппаратно-программных средств комплекса хрономагнитотерапии «Мультимаг-М» / A.M. Абрамов, С.Г. Гуржин, Е.М. Прошин // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2008.-№ 7. - С. 29-34.

7. Абрамов A.M. Универсальный микропроцессорный макет в лабораторном практикуме студентов / A.M. Абрамов, A.B. Шуляков // Материалы докладов Международной конференции с элементами научной школы для молодежи "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Био-медсистемы - 2009". - Рязань: РГРТУ, 2009. - С. 134-138.

8. Абрамов A.M. Система метрологического испытания и аттестации измерительных модулей на основе компьютерной алгоритмизации прецизионных методик / А.М. Абрамов //1 региональный итоговый конкурс «У.М.Н.И.К» -2010: тез. докл. - Рязань: РГРТУ, 2010. - С.84-88.

9. Абрамов А.М. Анализ погрешностей метода "скользящей" гистограммы при испытаниях каналов измерения магнитного поля комплекса «Мультимаг-МХ» / A.M. Абрамов // Материалы докладов XXIII Всероссийской НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Био-медсистемы - 2010". - Рязань: РГРТУ, 2010. - С. 184-187.

10. Абрамов А.М. Анализ точности метода "скользящей" гистограммы при испытаниях диагностических каналов в комплексной магнитотерапии / A.M. Абрамов // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2010. - № 7. -

11. Абрамов A.M. Аналитическая оценка эффективной разрядности регистрации слабых низкочастотных сигналов / А.П. Казанцев, A.M. Абрамов // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. — 2011. — № 7. — С. 47-53.

12. Абрамов A.M. Моделирование системы метрологического испытания по методу "скользящей" гистограммы в среде Lab VIEW / A.M. Абрамов // Информационно-измерительная и биомедицинская техника: межвуз. сб. науч. тр. -Рязань: РГРТУ, 2011. - С. 23-38.

13. Комплексная хрономагнитотерапия: методы и средства диагностики и контроля: монография / A.M. Абрамов, В.А. Антипов, A.M. Беркутов и др.; под ред. А.Г. Борисова, С.Г. Гуржина. - М.: Радиотехника, 2011. - 200 с.

14. Абрамов А.М. Моделирование метода "скользящей" гистограммы при испытаниях каналов измерения магнитного поля комплекса «Мультимаг-МХ» / A.M. Абрамов // Материалы докладов XXIV Всероссийской НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомедсистемы - 2011". - Рязань: РГРТУ, 2012. - С. 128-131.

15. Компьютерная автоматизация метрологического испытания цифровых измерительных средств / A.M. Абрамов, Е.М. Прошин, А.Г. Борисов и др. // Радиотехника.-2012.-№3.-С. 115-122.

16. Абрамов A.M. Экспериментальное определение статических погрешностей АЦП / Г.А. Садовский, A.M. Абрамов, А.Г. Борисов // Радиотехника. -.2012.

3. - С. 128-132.

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660596. Программа для реализации метода «скользящей» гистограммы / А.М. Абрамов, М.Б. Каплан, Е.М. Прошин; Рязанский государственный радиотехнический университет.

С. 33-38.

Соискатель

А.М, Абрамов

Абрамов Алексей Михайлович

МЕТОД СКОЛЬЗЯЩЕЙ ГИСТОГРАММЫ ПРИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать ^/10.2013 Формат бумаги 60*84 1/16.

Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ Рязанский государственный радиотехнический университет. 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Отпечатано с готовых диапозитивов в ООО фирма «Интермета» 390000, Рязань, ул. Семинарская, 3. Тел.: (4912) 25-81-76

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования рязанский государственный радиотехнический университет

На правах рукописи

04201365092

Абрамов Алексей Михайлович

МЕТОД СКОЛЬЗЯЩЕЙ ГИСТОГРАММЫ ПРИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы (в технических системах)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Прошин Е.М.

Рязань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

Глава 1. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ И ОЦЕНИВАНИЯ ТОЧНОСТИ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ........................................................................................................................10

1.1 Основные определения и характеристики............................................................10

1.2 Функция преобразования и статические характеристики ЦИМ........................16

1.2.1 Разрешающая способность и точность ЦИМ....................................................17

1.2.2 Статические характеристики ЦИМ....................................................................17

1.3 Нормативная база метрологического обеспечения ЦИМ и АЦП......................23

1.4 Анализ методов экспериментального определения статических характеристик ЦИМ и АЦП...................................................................................................................26

1.4.1 Гистограммный метод.........................................................................................35

1.4.2 Оценка погрешностей гистограммного метода................................................41

1.5 Выводы.....................................................................................................................48

Глава 2. МЕТОД СКОЛЬЗЯЩЕЙ ГИСТОГРАММЫ

ПРИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОМ ИСПЫТАНИИ СТАТИЧЕСКИХ

характеристик: цим..........................................................................................51

2.1 Методы поиска границ амплитудного диапазона ЦИМ.....................................51

2.2 Метод скользящей гистограммы при контроле статических характеристик ЦИМ................................................................................................................................54

2.3 Оценка погрешностей метода скользящей гистограммы...................................62

2.4 Система метрологического испытания статических характеристик прецизионных ЦИМ по методу скользящей гистограммы.......................................65

2.5 Выводы.....................................................................................................................67

Глава 3. ПРОГРАММНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИМ................................69

3.1 Принципы построения модели системы метрологического испытания...........69

3.2 Модель системы метрологического испытания по гистограммному методу и его дальнейшему развитию методу скользящей гистограммы................................73

3.3 Исследование модели системы метрологического испытания..........................86

3.4 Выводы.....................................................................................................................91

Глава 4. АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА СКОЛЬЗЯЩЕЙ ГИСТОГРАММЫ..........................................................................................................93

4.1 Вводные замечания.................................................................................................93

4.2 Система метрологического испытания на основе метода скользящей гистограммы...................................................................................................................94

4.3 Плата сбора данных N1 РС1е-6321....................................................................... 101

4.4 Вспомогательный соединительный модуль ВМС-2120....................................102

4.5 Метрологическое испытание канала аналогового ввода

N1 РС1е-6321 по методу скользящей гистограммы.................................................104

4.6 Проверка адекватности метода скользящей гистограммы...............................114

4.7 Выводы...................................................................................................................121

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ....................................................................122

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ........................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Копии актов внедрения результатов исследования, патент и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ..................131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Раздел метрологии, связанный с обеспечением единства измерений, на сегодня является одним из достаточно консервативных разделов в технической области. С одной стороны, это и понятно, ибо задача поддержания точности и единства измерения требует большой тщательности, а с другой - это приводит порой к увеличению трудоемкости и дороговизны метрологических испытаний. К этому следует добавить, что сами испытываемые средства стали настолько сложными, что традиционные способы метрологического испытания к ним применить зачастую невозможно. К таким объектам повышенной сложности, несомненно, можно отнести информационно-измерительные системы (ИИС), построенные на базе ансамбля цифровых измерительных модулей (ЦИМ).

На сегодняшний день проведение отдельных видов метрологических испытаний ЦИМ ИИС производится путем создания специализированных комплексов, оснащенных автономными, разнотипными измерительными и вспомогательными устройствами, объединенных различными каналами связи. Данные обстоятельства способствуют возникновению неучтенных методических погрешностей измерений и в целом снижению точности и достоверности полученных результатов измерений. Способ управления процессом испытаний, как правило, ручной, что может быть причиной появления грубых погрешностей (промахов), вызванных в том числе «человеческим фактором». Поэтому автоматизация метрологического контроля и испытания данных средств измерений (СИ) стала важной составляющей их использования.

К наиболее важным метрологическим характеристикам относят точность и быстродействие. Первую из них обычно определяют через статическую погрешность, а вторую - через динамическую.

Основные характеристики ЦИМ ИИС, представляющие интерес при метрологическом испытании, это: функция преобразования (ФП), напряжение межкодового перехода, интервал квантования, дифференциальная нелинейность (БМ,), интегральная нелинейность (ПЧЬ), зона неопределенности напряжений межкодовых переходов, монотонность ФП, аддитивная и мультипликативная погреш-

ность.

Существуют различные подходы к измерению этих характеристик, изложенные в работах Цветкова Э.И., Новицкого П.В., Шлыкова Г.П., Брагина A.A., Семенюка A.JL, Вострокнутова H.H., Прошина Е.М., Садовского Г.А., Бернарда М. Гордона, Уолта Кестера и др.

В большинстве общепринятых методов в качестве образцового испытательного сигнала (ОИС) используются либо линейно изменяющееся во времени напряжение (треугольные или пилообразные импульсы), либо синусоидальные колебания, охватывающие весь рабочий диапазон ЦИМ с последующей обработкой и вычислением спектра преобразованного сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье.

Недостатки этих методов известны. В первом случае возникает проблема получения «хорошего» линейно нарастающего или спадающего напряжения. Во втором - проблема хорошей фильтрации синусоидального сигнала. Большинство методик не ориентированы на получение полной ФП ЦИМ из-за большого количества времени, уходящего на прохождение всей характеристики преобразования при испытании многоразрядных ЦИМ. Такие методы используют, например, контроль напряжений, соответствующих отдельным переходам 2 -1 (К - число разрядов ЦИМ).

По способу выделения погрешностей (в цифровом или аналоговом виде) методы метрологического испытания ЦИМ можно разделить на прямого и обратного преобразования. Здесь особого внимания заслуживает метод образцовой меры, для формирования которой чаще всего используется образцовый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с допускаемыми погрешностями в пределах (0,1-0,5) от предела допустимой контролируемой погрешности ЦИМ.

Такие требования к точности образцовых СИ становятся порой реально невыполнимыми при метрологической аттестации высокоточных многоразрядных ЦИМ, кроме того, возможность испытать ЦИМ с большим числом разрядов ограничивается разрядностью самого образцового ЦАП.

Решение существующих проблем возможно путем разработки и исследова-

ния методов компьютерной автоматизации метрологических испытаний, прецизионных методик испытаний статических характеристик ЦИМ и методик оценивания погрешностей, преодолевающих ограничения по точности образцовых СИ. Особое место занимают вопросы испытания предельных по разрядности (до 24) ЦИМ, для которых порой не существует образцовых СИ.

Целью диссертационной работы является повышение точности метрологических испытаний и аттестации ЦИМ ИИС на основе предложенного в работе метода скользящей гистограммы (СГ) и его компьютерной автоматизации, позволяющих преодолеть ограничения по точности образцовых СИ за счет прецизионных методик, максимально полно оценивающих характеристики испытываемых средств.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- используя прецизионные СИ в сочетании с прецизионными методиками, максимально полно оценивающие характеристики испытываемых средств, преодолеть ограничения по точности образцовых СИ;

-разработать прецизионный способ метрологического испытания и аттестации ЦИМ с использованием компьютерных технологий;

- оценить точность разработанного способа;

- подтвердить обоснованность теоретических выводов, расчетов и результатов моделирования экспериментальными исследованиями.

Методы исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на методах математического анализа, теории вероятности, теоретических основах электротехники, теории статистического оценивания, численного моделирования и на экспериментальных исследованиях. Использовались пакеты программ Mathematica, Lab VIEW.

Научная новизна работы

1. Разработан новый метод метрологического испытания ЦИМ ИИС, названный методом скользящей гистограммы, являющийся развитием гистограмм-ного метода, основанный на циклическом сдвиге опорного уровня образцового испытательного сигнала (ОИС) с номинальным шагом, соизмеримым с интерва-

лом квантования испытываемого ЦИМ по его динамическому диапазону.

2. Найдены зависимости для метода скользящей гистограммы, показывающие, что погрешность в определении БМ, и ШЬ испытываемого ЦИМ определяется произведением нелинейности ОИС на нелинейность его перемещения и, следовательно, имеет второй порядок малости.

3. Разработаны алгоритмы, модели и аппаратно-программная реализация системы метрологического испытания, позволяющие оценить статические метрологические характеристики ЦИМ по методу скользящей гистограммы, в которых преодолены метрологические ограничения средств испытаний и измерений за счет прецизионных методик, снижающих требования к линейности ОИС.

Практическая значимость. Разработан и запатентован способ метрологического испытания статических характеристик АЦП, являющегося основным элементом ЦИМ.

На основе разработанных методов и алгоритмов созданы программно-аппаратные средства, зарегистрирована программа для реализации метода СГ, представляющая собой интерактивный инструмент метрологического испытания ЦИМ ИИС, позволяющая получить полную картину реальной ФП со всеми статическими характеристиками.

Методы используются в составе метрологического обеспечения ИИС летных и предполетных испытаний в ЛИИ им. М.М. Громова (г. Жуковский).

Результаты диссертационной работы использовались в НИР и НИОКР по темам:

- «Разработка унифицированной системной оболочки СРС и адаптация программно-аппаратных средств для метрологического обеспечения подготовки многоканальных измерительных систем к летным испытаниям» (№ 186-07-м/11-07);

- «Разработка интерактивной среды эталонного комплекса аппаратно-программных средств для проведения комплексных сертификационных испытаний и аттестации измерительных каналов ИИС» (№ 89-09-М/12-09);

- «Разработка типовых методик, модифицированных алгоритмов программного обеспечения эталонного комплекса для оценки динамических характе-

ристик измерительных модулей бортовых ИИС» (№ 157-11-М);

- «Разработка системы автоматизированного исследования статических характеристик цифровых измерительных устройств, на' основе метода СГ по программе «У.М.Н.И.К.».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 2007, 2010, 2011), Международной конференции с элементами научной школы для молодежи "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 2009). Проект по теме диссертации победил в I региональном итоговом конкурсе «У.М.Н.И.К» (Рязань, 2010).

Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в рамках НИР с Летно-исследовательским институтом имени М.М. Громова - г. Жуковский (2007, 2009, 2011) и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет», что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе: патент РФ на изобретеиие (№ 2337475), одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2012660596), 1 монография (в соавторстве), шесть статей в журналах из списка рекомендованных ВАК.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод скользящей гистограммы, основанный на анализе каждого интервала квантования испытываемого НИМ путем циклического сдвига опорного уровня ОИС по всему динамическому диапазону, с номинальным шагом, соизмеримым с интервалом квантования испытываемого ЦИМ, что заметно снижает влияние нелинейности ОИС и дает возможность повысить точность метрологических испытаний.

2. Методика расчета точности испытания по методу скользящей гистограммы, показавшая, что погрешность в определении статических характеристик испытываемого ЦИМ определяется произведением нелинейности ОИС на нелиней-

ность изменения опорного уровня ОИС и, следовательно, имеет второй порядок малости.

3. Структуры и алгоритмы работы системы метрологического испытания ЦИМ, включающие генератор ОИС, управляемый аттенюатор, регулируемый источник опорного напряжения (РИОН), схему перемещения ОИС, микроконтроллер и ЭВМ, реализующие метод скользящей гистограммы.

4. Результаты моделирования и экспериментальных исследований метода скользящей гистограммы, подтвердивших обоснованность теоретических выводов и расчетов, где выигрыш в точности по сравнению с гистограммным методом достигает величины 30 даже при большой нелинейности смещения ОИС, равной а = 0.1.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 73 наименований и пяти приложений. Диссертационная работа содержит 135 страниц, в том числе 102 страницы основного текста, 52 рисунка и 10 таблиц.

Глава 1. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ И ОЦЕНИВАНИЯ ТОЧНОСТИ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1.1 Основные определения и характеристики

В действующих в настоящее время нормативных документах даны определения понятия «измерительная система» (ИС), а ИИС рассматриваются как подвид ИС [1], хотя в принятых ранее нормативных документах [2, 3], которые формально не отменены, ИИС трактовалась как особый вид СИ. Однако эти терминологические нюансы не имеют принципиального значения. Приведем два близких по смыслу определения.

"ИС - совокупность определенным образом соединенных между собой СИ и других технических средств (компонентов ИС), образующих измерительные каналы, реализующая процесс измерения и обеспечивающая автоматическое (автоматизированное) получение результатов измерений (выражаемых с помощью чисел или кодов) физических величин, изменяющихся во времени и пространстве и характеризующих определенные свойства (состояния) объекта измерений" [1].

"ИС - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях" [4, 5].

Эти определения отражают основные свойства ИИС:

• ИИС является СИ;

• ИИС предназначена для автоматического сбора и обработки больших массивов измерительной информации;

• ИИС построена по системному принципу, при котором отдельные компоненты, образующие систему, обладают конструктивной и функциональной автономностью.

Характерной особенностью ИИС является обязательное наличие в их соста-

ве вычислительных устройств, используемых для сбора, обработки, отображения и хранения больших массивов измерительной информации. Обобщая приведенные выше определения, кр