автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка средств автоматизации для цифровой обработки моноимпульсных сигналов

ТфДоЙ МЖАШКК К ОПТИКИ г.САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

На правах рукописи МАлУШЕВ Сергей Юрьевич

УДК 621.325.33

РАЗРАБОТКА С?£ЯСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ЧОНОИШУЛЬСШХ СИГНАЛОВ

Специальность: 05.13.05 "Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург, 1993

Работа выполнена на кафедре Электротехники института точной механики и оптики г.Санкт-Петербурга

Научный"руководитель - кандидат технических наук, доцент

В. А.Прянишников

Официальные оппоненты - доктор тьхкических наук, ст.н.с.

Г.А.Кухэрев - кандидат технических наук, доцент А,К.Азов

Ведущая организация - НПО "Бурезестнкк", г. Санкт-Петербург

. Защита диссертации состоится " " ч-омЛ 1993 г. в Л ч. мин, на заседании специализированного совета Д.053.26.02. института точной механики и оптигл по адресу: 197101, Санкт-Петербург, ул. Саблшскал, д, 14.

Автореферат разослан " " ' -¡^ 1993 г.

Ваша отзывы и замечания по автореферату (в дь/х экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес институту: 197101 * Санкт-Петербург, ул. Сзблинская, д. 14. ■

Ученый секретарь специализированного

совета Д.053.26.02. к.т.к., доцент V У, А.В.Ушаков

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективность автоматизированных установок тестового контроля,. диагностики, обнаружения объектов и т.д. во многом зависит от качества обработки информации. полученной от объекта контроля в виде моноимпульсных сигналов. В отличие от контроля периодически повторяющихся сигналоз, при котором информация о параметрах импульсов может накапливаться во времени, для контроля моноимпульсных сигналоз характерна информационные и временные ограничения. -

' Основой методов автоматизированного контроля формы импульсов является преобразование форма - код, которое заклю-. чается в выделегаг ■ информативных параметров сигналов в виде ряда значений и их последующей обработки (сравнении, идентификации, и т.д.). Набор информативных параметров определяется многими факторами, среди ко.оркх наиболее существенны метод преобразования и погрешность преобразования. Задача выделения минималеного количества информативных параметров при сохранении максимума информации об анализируемом сигнале для априорно неизвестных шюишульсных сигналов на фоне непериодических помех в настоящее время не нашла окончательного однозначного решения. Вместе с тем большинство раграоотанных алгоритмов анализа сигналов основано на применении численных методов, которые реализуются цифровой фильтрацией на аппаратурном или программном уровне. - .

Целью диссертационной работы является разработка средств автоматизации для цифровой обработки моноимпулвеных сигналов, сочетающих в себе преимущества аппаратурной и программной обработки сигналов и позволявших производить наиболее полный контроль их параметров (з том числе и параметров, характеризующих форму сигналов).

В связи с этим в работе решаются следующие основные задачи:

- рнализ функций систем автоматического контроля, работа которых основана на обработке моноимпульсньх сигналов, полученных от объекта контроля в ответ на испытательное воз-', действие;

- анализ видов и методоз контроля моноимпульскых сигна-

лов, обоснование выбора метода сравнения исследуемого га-пульса с "эталонкнм'', основанного на теории аппроксимации функции одной переменной;

- рассмотрение вопросов аналитического представления ;..о-ноимпульсяых сигналов, получение выражений для определения информативных параметров сигналов и оценки погрешности преобразования;

- выбор оптимальной системы приближающих Функций;

-- моделирование процесса контроля форуы коноамаульсных сигналов;

- проектирование многоканального устройства регистрации и обработки моноимпульсных сигналов, используемого в составе установки для определения области безопасной работы мощных транзисторов;

- создание программного обеспечения, реализующего разработанные алгоритмы обработки коноимпульснкх сигналов;

- экспериментальное исследование характеристик мощных транзисторов.

Метода исследования. При решении поставленных задач использовался математический аппарат аппроксимации функции одной переменкой, численное моделирование на ШБМ ЕС18^0. В основу метода исследования характеристик медных транзисторов был положен принцип неразруиакщего контроля.

Экспериментальные исследования производились как в лабораторных, та:- и е производственных условиях.

Научная кодивна определяется следующими основными результата:.:;! работы:'

- обоснован выбор метода контроля параметров мовоимпульсч-них сигналов, основанного на теории алпрокскмаши функции одной переменной;

- показан оптимальней путь репенпя задачи аналитического представления монокмпульенкх сигналов, ксторкй заключатся в приЗлюкеиш исследуемого сигнала по системе взаид-го ортогональных функций;

- посредством моделирования установлена оптимальная система ортогональных функций;

- разработана методов, позволяла л выполнять кемпариро-вание формы монзи.!Пул>сных сигналов в определенном п;ле до-

пусков;

- на основа полученных результатов разработаны алгоритмы обработки моноимпульсных сигналов с целью контролялх (Гдаег метров.

Практическая ценность работы" заключается в "следующем:

- разработанная методика обработки моноимпульсных сигналов может быть применена для решения задач контроля, идентификации, распознавания си^тачоз б автоматизированных установках различного назначения: диагностики, обнаружения объектов, определения физико-химических свойств веществ и т.д, при этом имеется возможность оценки достоверности решения указанных задач;

•- использозэни - разработанного устройства в составе установки для определения ОБР мощных транзисторов позволило значительно повысить эффективность контроля и снизить, благодаря использованию принципа нероз^ушающего. контроля, материальные затраты. .

. Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на ПО "Электромодуль", г.Молодечно.

Апробация работы. Материалы работы докладывались автором и обсуждались на научно-технической конференции "Радиоэлектроника в народном хозяйстве" (г.Томск, 1990), заседании кафедры Электротехники ЙТМО г.Санкт-Петербурга.

' Публикации. По материалам диссертации опубликованы четыре печатных работы.

. Структура и объем работы. Диссертация состоит ' из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 46 наименований и приложений, содержит 119 страниц текста, 35 рисунков и б таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ'

Во введении показана актуальность проблемы, -определена цель работы, решаемые задачи и методы исследования, даны ссылки на основные публикации в исследуемой области. Сформулированы положения, заносимые на защиту.

.Б первой главе рассмотрены основные и вспомогательны? функции систем автоматического контроля, на основе их гнали-

- б - .

га разработана обобщенная функциональная схема системы, работа которой основана на обработке моноимпульсных сигналов, полученных от объекта контроля б ответ на испытательное воздействие .

Среди видов контроля импульсных сигналов можно выделить следующие: •

- контроль функционалов; . "'

- контроль параметров а(...а функциональных зависимостей *(х.аг .,аЛ), т.е. параметров, характеризующих форму импуль-

, сов.

Функционал« представляют собой физические величины, связанные определенными интегральными зависимостями с характеристиками сигналов. Некоторому обобщенному импульсу Г(х) могут быть поставлены в соответствие следующие функционалы:

- норма N (I),' характеризующая, например, количество, энергию, изменчивость импульса;;

- функционал положения х0, характеризующий расстояние от начала координат до некоторым образом определенного "центра" импульса;

- функционал протяженности Ах, характеризующий некоторым собразом определенную "протяженность" имг./пьса;

- функционал относительной протяженности Ах/х0.

Однако для целей контроля наибольший интерес представляет анализ параметров, характеризующих форму импульсов, так как он позволяет лолучить наиболее полную информацию, характеризующую объект контроля. Анализ методов контроля параметров импульсов показал, что наиболее приемлемым для '•той цели является метод сравнения исследуемого импульса с "эталонным"; который сволтся к решению следующих задач: ■

- выбор "эталонного" (аппроксимирующего) импульса Г(х,а,...ап);

- оценка объективности результатов контроля параметров

- выбор критерия; •

Под т. >шном "контроль параметров" понимается процедура "приписывания" эмпирической кривой Г(х) значений параметров а,...а - известкой функши 1£х,а,...а ) путем такой вариации

' !> »Л *

параметров аг..а ,в результате которой функция i(х^аг...ап) в каком-то смысле наилучшим образом приближается к i(x).

Процедура контроля состоит б образовании, функционала p(f,i), имеющего смысл "расстояния" между i и Г, отьечающего следующему минимальному требованию:

Таким образом, решение задачи контроля формы, моноимпульсных сигналов следует искать в теории аппроксимации функции одной переменной.

Во второй главе рассмотрены вопросы аналитического представления моноим -ульсных сигналов. Аналитическим описанием моноимпульсного сигнала является его представление в

виде ряда

который при п-ю равномерно сходится к функции f(x).

Таким образом, задача аналитического представления моноимпульсных сигналов сводится к выбору оптимальной системы функций {ф{(Ш и определении информативных параметров {а Ь Согласно теореме Вейерштрасса, для всякой непрерывной Функции i(t), заданной на сегменте [а, ЬЗ, существует последовательность полиномов Р (t) (п ■ степень полинома), равномерно сходящаяся к i(t). Однако до настоящего времени не найден регулярный алгоритм построения такого полинома, который бы на всем сегменте [а, ЬЗ для любой непрерывной функции i(t) позволил получать равномерное приближение, что определило поиск частных решений.

Одиь из методов основан на использовании сходимости в средьензадратическом

p(f.f) а 0 .

f(t)=£ a((j)t(t), teto.xl.

t=o

ь

Информативные параметры (а.) определяются из условия мини-

мум£. Н :

3§7 -

которое приводит к системе уравнений:

ао | Ф,><*)Фо<«йг + | Ф0ШФ,(иси + ... +

ъ ь

+ ап | ф0шфпшсц = | /ШФ^шг

ь ъ

а0 | ф,+ а, | ф(а}ф,а)<ц + ... +

ь ь

+ ап | ф,(г>фп(мг = £ т>Ф,(Шг

V и

аО | Фл<«>Ф0<г>(" * |

& ь

+ \г [фп^п^ =

<г>«1г ♦ ... +

Если функции (ф{Ш) взаимно ортогональны на интервале Са.Ь] с весом р

ь

0. i*J

ь.

то определение информативных параметров <а() значительно упрощается:

ь

гшф^прихк

где - .. 'рмирухшй мнокителъ. ■'

Критериями равномерной и среднекььдр&тичеокой сходимостей являются-методическая приведенная 6 и средкеквадратическ&я £

погрешности преобразования, которые определяются из выражений :

п

ô = вирIiс с)-У (t) I / sut) [f(t)l:

1 ЧзО 4 4 1

е =

яп г •

£[i(t)-E cA(t)] p(t)dt

|ti(t)]2p(t)dt

В качестве системы ортогональных функций использовались полиномы Лежандра, Чебышева 1-го рода. Чебышева 2-го род^, Лагерра. Эрмита и тригонометрическая система функций. Моделирование процесса аппроксимации типовых монотшиульсных сиг-' налов показало, что наиболее оптимальной системой ортогональных функций, исходя из минимального значения методической приведенной погрешности преобразования, являются полиномы Чебышева 1-го рода.

. В третьей глаЕе рассмотрены принципы компарирования формы моноимпульсных сигналов, разработаны соответствующе алгоритмы и выполнено моделирование.. Принцип компарирования формы сигналов может быть пояснен с помощью схемы, приведенной на рис. 1. Информативные параметры исследуемого сигнала,

Исследуемый сигнал

Рис. 1. Компаратор формы моно^стульсных сигналов

выделяемые интегрирующим преобразователем форма-код, сравниваются в определенном поле допусков со значениями, формируемыми генератором опорных значений и соответствующих "эталонному" сигналу. Логические сигналы с выходов элементов сравнения (==) поступают на вход элемента конъюнкции выходной сигнал которого определяет результат компарирования..

Алгоритм компарирования включает в себя следующие основные операции:

1. Определение информативных параметров эталонного гигна-

ла Аэ*Г(аэт г--аэл

2. Определение поля допуска для каждого информативного

параметра эталонного сигнала Р-Ср^.-р^);

3. Опоеделение информативных параметров исследуемого сигнала А=(а,...а };

7 П

4. Сравнение соответствующих информативных параметров исследуемого и эталонного сигналов в определенном ранее поле допуска. Сигналы считаются одинаковыми, если выполняется неравенство ¡А - АШ|<Р. В противном случае сигналы считаются различными.

На примере аппроксимации нескольких моноимпульенкх сигналов было показано, что каждый из информативных параметров моноимпульсного сигнала имеет различную чувствительность к изменению его формы. Это определило следующий порядок определения полей допусков:

1. Ввод исходных данных: (.. .уэт - эталонный сигнал; к - количество дискрет моноимпульс» го сигнала; п -количество информативных параметров, получаемых при аппроксимации сигналов; в - допустимая погрешность компарлровакия.

2. Формирование сигналов Хтаг=^Уэт г+га,*'уэи и Ут{п={уэт Т-т...уэт к-т>, где т - величина увеличения (для сигнала и уменьшения (для сигнала У^) ординаты эталонного сигнала Чш.

3. Определение среднеквадратической погрешности е', характеризующей степень различия эталонного сигнала ~£эт и сигнала Ч. " """ ' ""

тгхх > __________ - —______________________ _____ ____

4. Если полученное значение среднеквадратической погрешности е* не превышает заданного е, повторяются пункты'2 и 3, причем параметр ш увеличивается на единицу.

- 11 -

5. При достижении погрешности е' заданной з определяются информативные параметры сигнала Y___ А „ >

к * г г Ш1х max Ш1Х1 яюв п

и сигнала Y . А . ={а , ,.,.а . ).

min min-, mini flitn rv .1

6. Формируется множество полей допусков = (p,...pn>. __ -

Полученное множество нолей допусков позволяет выполнять компарирование сигналов с погрешностью, не превышающей, гкп-чение е.

Результаты моделирования процесса кошарирования формы моноимпульсных сигналов позволяют сделать вывод о правильности основных теоретических положений, положенных в основу предложенного метода контроля формы сигналови о приемлемости его для практических целей.

Четвертая глава посвящена вопросам проектирования многоканального устройства регистрации и обработки"моноимпульсных сигналов (УРОС), используемого в составе установки для определения области безопаской работы (ОБР) мощных транзисторов.

Структурная схема установки приведена на рис.2. В ее сос-

Рис. 2. Структурная схема установки для определения ОБР мощных транзисторов

тэв входят три основных блока: блок испытуемого транзистора БИТ, многоканальное устройство регистрации и обработки мсно-импульскых сигналов УРОС и ПЭВМ ЕС 1340. В свою очередь в состав ЕЛ1 вход;;? испытуемый транзистор ИТ с целями коммута-

ции, блок датчиков БД и блок программируемых источников БГМ.

;Структурная схема УРОС приведена на рис. 3. В состаЕ устройства входят аналого-цифровке преобразователи АЩП-АЩ14-, блоки оперативных запоминающие устройств ОЗУ 1-ОЗУ*, блок управления БУ, блок регистров Б?, контроллер связи с ЭВМ, Контроллер обеспечивает связь между устройством и ЗБн через последовательный интерфейс К5-232С (стык 02).

"Дь.шые и сигналы управления из ЭВМ через контроллер поступают на блок регистров БР, в который записываются коды, соответствующие требуемым параметрам программируемых источников (положительный ток базы +1^, отрицательный ток базы

ток коллектора 1к, напряжение ограничения • напряжение -и0э). После записи информации в регистры формируется сигнал ПУСК, по которому на испытуемый транзистор подается непитательнее вогдействие. На входы А1Ш1-АШК поступают сигналы 01

от , ШТ

ибэ.

ТИ1

АШ 1 ОЗУ 1

АЦП 2 ОЗУ 2

АЦП 3 ОЗУ. 3

АЦП 4- "О: ОЗУ 4

ШЛШ

Ж

Б У

К стыку С2 ЭВМ

ЪЛ

СБРОС

II_

Контроллер

ти2

сбгюс

<1

Б Р

+1б :к икэибэ ■' к программируемым источникам БИТ

Рис. 3. Структурная ехэма УРОС

датчиков БИТ: Саговый ток базовое напряжение и^, коллекторное напряжение и ч и коллекторный ток 1я- В момент подачи испытательного воздействия преобразованные в двоичный код с частотой дискре;изации 2,5 МГц моноимпульсные сигналы от датчиков БИТ записываются одновременно в каждое из четырех ОЗУ. Затем данные из ОЗУ1-ОЗУ4 через контроллер считыва-ются в ОЗУ ЭВМ, где формируются в Биде четырех массивов для последующей обработки.

Определение ОБР транзистора основано на анализе трех критериев, характеризующих предельный ражим его работы: увели-, чение времени спада коллекторного тока, появление паразитной генерации б базе и резки" спад напряжения на коллекторе.

Далее в главе приведена методика программирования последовательного интерфейса ПЭВМ ЕС 1840, по которому происходит обмен данными между устройством и ЭВМ. Рассмотрен алгоритм' лрогр««ы ТезШЗК, реализующей описанные в предыдущих главах принципы обработки моноимпульсных сигналов и ьфедостэвлящей широкие возможности для наглядного вывода результатов контроля. Приведены результаты экспериментального определения ОБР транзкстороз КТ809 и 2М5-30-5-1-А.

В пшлсжзниях приведены примеры аппроксимации типовых сигналов различными полиномами, текст исходного модуля программы ТезгОБК и документ о внедрении результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ '

Результаты диссертационной работы позг-оляют сделать сле-дукеие основные выводы:

1. 3 результате анализа методов контроля параметров моно-импульснкх сигналов установлено, что наиболее эФХектиькым для Р1э.'згкил задачи уттроля является метод ср. вкения исследуемого импульса с "эталонным", основанный ка теории аппроксимации Функции ол;ой переменной.

2. Показан оптимальный путь решения задачи аналитического представления мокоимпульскшс сигналов, который заключается з пглСлу.улну.у, исследуемого сигнале: по системе взаимно ортогональных функций.

3. Поср'-.дсгь'.-у (.'.оделиров&ния установлена оптимальная сис-

ч.

тема ортогональных функций (полиномы Чебыиева 1-го рода).

4» Разработана методика, позволяющая выполнять компэриро-вание формы моноимпульскых сигналов в определенном поле допусков,

5. На базе выполненных теоретических исследований созданс многоканальное устройство регистрации и обработки моноимпульсных сигналов, используемое в составе установки для определения области безопасной работы модаых транзисторов. Разработано программное обеспечение, реализующее описанные е работе алгоритмы обработки моноимпульсных сигналов и предоставляющее широкие возможности для' наглядного вывода результатов контроля. Результаты экспериментального исследования характеристик мощных транзисторов позволяют сделать вывод с приемлемости разработанных методов и средств для целей автоматизированного контроля.

6. Использование разработанного устройства в составе установки для определения области безопасной работы мощнь"' транзисторов позволило значительно повысить эффективность контроля и снизить, благодаря использованию принципа нераз-руюающего контроля, материальные затраты.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. A.c. 1463111 (СССР). Цифровой фильтр. / Лесников В.А., Малышев С.Ю., Петров Е.П., Частиков A.B.- Опубл. 1986 г.

2. Малышев С.Ю., Балезин К.А. Быстродейстгующий аналого-цифровой. идентификатор видеосигналов. // Радиоэлектроника в

, народном хозяйств«: Тез. докл. н.-т. кокф.: Радио и связь, Томск, 1990.- с.79-80. -

'•3. Малышев С.Ю., Прянишников В.А., Исулов С.Л., Мустафа-ев Ю.Н. Автоматизация экспериментального определения области безопасной работы мощных транзисторов // Кзв. вузов СССР. Приборостроение.- 1991.- т.34.- N 6.- с.44-48. '

4. Прянишников В.А., Малышев С.Ю., Владимиров 2.Н.Му-стафаев Ю.Н. Автоматизированная испытательная установка для определения характеристик полупроводниковых приборов ;// Язь. вузов СССР. Приборостроение.- 1991.- т.34.- N 10.- с.77-20.