автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Средства контроля параметров АЦП сигналов вращающегося трансформатора

На правах рукописи

ДОРОСИНСКИЙ Антон Юрьевич

СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ АЦП СИГНАЛОВ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 коя т

ПЕНЗА 2013

005537072

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Недорезов Валерий Григорьевич

Официальные оппоненты: Трофимов Алексей Александрович,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», профессор кафедры «Информационно-измерительная техника»;

Семочкина Ирина Юрьевна,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет», начальник учебного управления

Ведущая организация - ФГУП «Мытищинский

Научно-исследовательский институт радиоизмерительной аппаратуры»

Защита состоится 26 ноября 2013 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 25 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

€2—

Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные тенденции и подходы к построению систем телеметрического контроля и управления угловым положением объектов связаны с использованием преобразователей перемещений типа «угол-параметр-код», где в качестве гервичного датчика применяются синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), а в качестве вторичных - схемы АЦП, преобразующие сигналы вращающихся трансформаторов в код (АЦП ВТ). Оба устройства являются функционально завершенными и имеют свои метрологические и технические характеристики, подлежащие нормированию, измерению и контролю.

В связи с тенденцией к интенсификации производства и повышению технических и метрологических характеристик датчиков углового положения существует необходимость в исследовании данных устройств, а также повышении уровня их метрологического обеспечения, которые неразрывно связаны с применением средств измерений, обладающих более высоким уровнем технических, эксплуатационных и метрологических характеристик.

Наиболее актуальны данные аспекты в вопросах контроля параметров АЦП ВТ, принимающих информацию от первичных датчиков углового положения и преобразующих ее в цифровой эквивалент. Это связано с тем, что в существующих нормативно-технических документах регламентированы методы контроля погрешности АЦП ВТ, нацеленные на применение в измерениях «эталонных» первичных преобразователей, не существующих в строгом смысле этих терминов.

Такой подход имеет ряд недостатков, связанных с высокой трудоемкостью самих методов контроля из-за необходимости использования большого количества вспомогательного и контрольно-измерительного оборудования, отсутствием возможности автоматизации данного процесса и низкой точностью. Эти недостатки можно устранить путем контроля параметров АЦП ВТ с помощью методов, ориентированных на использование имитаторов сигналов СКВТ, построенных, в свою очередь, на основе измерительных генераторов электрических сигналов.

Большой вклад в совершенствование преобразователей «угол-параметр-код» и развитие методов их анализа внесли В. Г. Домрачев, Б. С. Мейко, Дж. Вульвет, В. В. Алексеев, В. М. Домрачев и другие отечественные и зарубежные ученые.

В то же время использование имитаторов сигналов СКВТ как в виде самостоятельных устройств, так и в составе средств контроля параметров АЦП ВТ требует решения задач, направленных на предъявление к ним требований по точности, совершенствование структур, а также совершенствование методик оценки точности.

Актуальность решения данных задач и обусловила постановку работы.

Цель диссертационной работы заключалась в совершенствовании средств контроля параметров АЦП ВТ и методик оценки их точности.

Поставленная в работе цель достигалась решением следующих задач:

1) анализ и математическое описание преобразователей «угол-параметр-код» с целью выделения параметров выходных сигналов СКВТ, влияющих на точность преобразования АЦП ВТ;

2) получение уточненного аналитического выражения, устанавливающего взаимосвязь между отклонениями от номинальных значений параметров выходных сигналов СКВТ и суммарной угловой ошибкой, вызванной их влиянием при преобразовании угла в код;

3) совершенствование структур и способов построения средств, имитирующих электрические сигналы СКВТ, с целью автоматизации, унификации и повышения точности контроля параметров АЦП ВТ;

4) совершенствование алгоритмов и методик определения погрешности средств, формирующих электрические сигналы СКВТ;

5) создание программно-аппаратного комплекса, предназначенного для контроля параметров АЦП ВТ и обладающего более высоким уровнем функциональных и метрологических характеристик.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории автоматического управления, теории электрических цепей и сигналов, теории погрешностей, методы спектрального анализа, элементы численных методов и математического анализа.

Объект исследования - научно-технические решения в области контроля параметров АЦП ВТ.

Предмет исследования - принципы формирования сигналов СКВТ с заданной точностью.

Научная новизна работы:

1. Получено аналитическое выражение, устанавливающее взаимосвязь между параметрами выходных сигналов СКВТ и угловой погрешностью, вызванной их влиянием, отличающееся учетом влияния фазовых отклонений сигналов СКВТ и позволяющее предъявить требования по точности к устройствам, имитирующим сигналы СКВТ.

2. Предложен и теоретически обоснован способ формирования электрических сигналов СКВТ, отличающийся использованием принципов, аналогичных балансной модуляции, позволяющий имитировать как статические, так и динамические режимы работы СКВТ.

3. Предложена методика определения погрешности средств, имитирующих сигналы СКВТ, реализованных на двух индуктивных делителях, отличающаяся оценкой взаимной нелинейности и позволяющая снизить методическую составляющую погрешности.

4. Предложен алгоритм определения погрешности средств, имитирующих сигналы СКВТ, отличающийся использованием в качестве эталонного средства имитатора сигналов СКВТ, реализованного на двух индуктивных делителях, и позволяющий оценивать как статическую, так и динамическую ее составляющую.

Практическая значимость:

1. Разработан и исследован имитатор сигналов СКВТ, построенный на основе принципов, аналогичных балансной модуляции, позволяющий моделировать различные режимы работы СКВТ, такие как неподвижное положение ротора, вращение с заданной скоростью, вращение с ускорением.

2. Разработана методика определения погрешности имитатора сигналов СКВТ, реализованного на двух индуктивных делителях, позволяющая использовать данный имитатор в качестве эталонного средства.

3. Разработана методика определения погрешности средств, имитирующих сигналы СКВТ, с помощью эталонного имитатора, позволяющая оценивать как статическую, так и динамическую погрешности.

4. Создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий значительно расширить возможности контроля функциональных параметров АЦП ВТ.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в разработанном на ОАО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» комплексе испытательного оборудования для обеспечения производства гибридных микросхем АЦП ВТ: 427ПВ2Т и 427ПВЗ в рамках выполнения Государственного контракта № 4684 от 30.06.2003 г.

На защиту выносятся:

1) аналитическое выражение, устанавливающее взаимосвязь между значениями амплитудных и фазовых отклонений выходных сигналов по синусному и косинусному каналам и угловой погрешностью, вызванной их влиянием при имитации сигналов СКВТ;

2) способ и структура построения имитатора сигналов СКВТ, основанные на применении принципов, аналогичных балансной модуляции;

3) методика определения погрешности имитатора сигналов СКВТ, реализованного на двух индуктивных делителях, заключающаяся в оценке их взаимной нелинейности на основе метода последовательных приращений;

4) алгоритм определения статической и динамической погрешностей средств, имитирующих сигналы СКВТ, с помощью эталонного имитатора, реализованного на двух индуктивных делителях;

5) программно-аппаратный комплекс для контроля функциональных параметров АЦП ВТ в статическом и динамическом режимах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на международных научно-технических конференциях «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (Пенза, 2006 г.), «Современные информационные технологии» (Пенза, 2006 г.), «Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов» (Пенза, 2007 г.), научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Пенза, 2011 г.), международных симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2006-2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 13 печатных работ без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 98 наименований, трех приложений. Диссертационная работа изложена на 150 страницах основного текста, содержит 50 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ современного состояния и проблем в области контроля параметров АЦП ВТ, а также показаны перспективы развития методов контроля с помощью имитаторов сигналов СКВТ, построенных на основе измерительных генераторов, формирующих требуемые электрические сигналы с заданной точностью.

Проведен анализ первичных датчиков перемещения и АЦП ВТ, на основе которого показано, что в настоящее время в качестве первичных преобразователей используются СКВТ, как самые точные индукционные машины углового перемещения. Отсчетная часть, роль которой выполняют АЦП ВТ, в подавляющем большинстве случаев строится на основе амплитудных преобразователей комбинированной структуры, состоящих из системы непосредственного отсчета и следящей системы.

Анализ способов построения преобразователей «угол-параметр-код» выявил, что первичные преобразователи и АЦП ВТ являются независимыми устройствами, имеющими свои технические и метрологические характеристики, подлежащие нормированию и контролю.

В свою очередь, исследования существующих методов контроля параметров АЦП ВТ показали, что наиболее перспективными являются методы, основанные на использовании в качестве устройств, формирующих образцовые воздействия, имитаторов сигналов СКВТ.

Рассмотрены основные проблемы реализации данных методов, для устранения которых необходимо решение ряда задач, направленных на совершенствование способов и структур построения, имитаторов сигналов СКВТ и разработку методик оценки их точности.

На основе проведенного анализа сформулированы цели и основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена вопросам предъявления требований по точности к устройствам, имитирующим сигналы СКВТ, а также совершенствованию способов их построения.

С целью нормирования погрешности имитатора сигналов СКВТ решалась задача получения аналитического выражения, позволяющего оценить погрешность восг роизведения сигналов СКВТ в угловых единицах

при наличии отклонений параметров его выходных сигналов от своих номинальных значений. Для этого было проведено исследование структур СКВТ и АЦП ВТ с целью построения их математических моделей.

В результате проведенных исследований было установлено, что погрешности СКВТ выражаются в виде угловых или амплитудных отклонений от номинальных значений, подчиняющихся зависимостям

= Лсоз(0)Д9,/Г [ = —А вт (0) Д9С /1 °' (1)

где ДА3 и ДАс - суммарные абсолютные погрешности по каналам синуса и косинуса, приведенные к амплитудам выходных сигналов; А - амплитуда сигнала возбуждения СКВТ; АО, и Д0Г - суммарные абсолютные погрешности по каналам синуса и косинуса, приведенные к угловым значениям.

На основании анализа работы амплитудных АЦП ВТ комбинированного типа было получено выражение, которое позволяет оценить влияние паразитных параметров сигналов СКВТ на результат преобразования АЦП ВТ и которое можно использовать при вычислении значения погрешности имитации сигналов СКВТ, выраженной в угловых единицах:

де=дефс

( Г Г 9 11 N

ОсИ ЕШ - 45°-9 + Д9/)

V 145° ] /

1 + ^0(Ы| Еп1

МЙ

45°-9

(2)

где Ос1с1(-) - функция проверки четности числа; Ет(-) - функция определения целой части числа; Д9ф = -ф^Дг")2 - составляющая погрешности, вызванная наличием отклонений фаз выходных сигналов относительно сигнала возбуждения, где ф< и <рс. - фазовые погрешности по каналам синуса и косинуса, вызванные задержками выходных сигналов относительно сигнала несущей частоты и выраженные его фазовыми сдвигами; Д9^ со5(0)-ДЛс5т(0)] - составляющая погрешности, вызванная наличием отклонений амплитуд выходных сигналов имитатора от своих номинальных значений; 8 - угол поворота; - единичный импульс, являющийся первой разностью дискретной функции Хэвисайда.

Таким образом, для построения методики предъявления требований по точности к устройствам, имитирующим сигналы СКВТ, сформулированы и решены две проблемы:

- получена аналитическая зависимость (2), согласно которой появилась возможность нормирования параметров выходных электрических сигналов измерительных генераторов, входящих в структуру имитатора сигналов СКВТ;

-осуществлена привязка погрешностей устройств, формирующих образцовые воздействия для АЦП ВТ, к единицам угла.

С целью совершенствования имитаторов сигналов СКВТ в данной работе были исследованы структуры имитаторов, реализованные на основе

масштабирования опорного сигнала и на основе использования принципов, аналогичных балансной модуляции. Обобщенные математические модели и структурные схемы этих имитаторов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Имитаторы сигналов СКВТ

Установлено, что в обобщенной структуре имитатора, основанного на применении масштабирующих устройств, в качестве функциональных блоков можно выделить масштабирующие устройства, являющиеся делителями напряжений (ДН„ ДНС) с коэффициентами деления Кщ = |sin(6)|

и £днс = |cos(0)|; фазосдвигающие цепи (ФВ1 и ФВ2), реализующие функции КФВ] = sgn[sin(0)], КФВ2 = sgn[cos(9)], эквивалентные перевороту фазы сигналов; генератэр частоты (ГЧ), формирующий опорный синусоидальный сигнал. При этом ГЧ имитирует напряжение U0 = ^isin(coi), соответствующее сигналу возбуждения входной обмотки СКВТ, где со - частота сигнала возбуждения СКВТ.

Для данного типа имитаторов в рамках совершенствования способов нормирования погрешностей доказана целесообразность рассмотрения модулирующих функций в качестве коэффициентов деления, соответствующих численным значениям синуса Ks = sin(O) и косинуса Кс= cos(0).

Это обусловливается тем, что при подобном подходе появляется возможность перехода от суммарных абсолютных погрешностей по каналам синуса и косинуса, приведенных к амплитудам выходных сигналов, к отклонениям коэффициентов деления на основании соотношений

i/r'A/i, =ЛК=8КЖ™\

, (3)

где 5Ks и 5Кс - приведенные отклонения коэффициентов деления от номинальных значений по синусному и косинусному каналам; ДKs и ДКс - абсолютные отклонения коэффициентов деления от номинальных значений

г/ max гутах

по синусному и косинусному каналам; и кс _ максимальные ко-

эффициенты деления по синусному и косинусному каналам.

Таким образом, составляющая ДО^ погрешности при имитации сигналов СКВТ, вызванная наличием отклонений амплитуд выходных сигналов от номинальных значений по каналам синуса и косинуса, на основании выражений (2) и (3) определяется как

AQa=AKsKc-AKcKs. (4)

Доказано, что основное преимущество использования формулы (4) заключается в возможности нормирования погрешностей устройств, имитирующих сигналы СКВТ в угловых единицах, без использования дополнительных средств передачи точности от эталонов угла. Это упрощает процедуру предъявления требований по точности и позволяет сформировать единую метрологическую базу, необходимую для использования средств, имитирующих сигналы СКВТ, при контроле параметров АЦП ВТ с учетом специфики их конструктивного исполнения.

Проведенные исследования в области совершенствования структур измерительных генераторов, входящих в состав имитатора сигналов СКВТ, показали, что для получения малого сдвига фаз между сигналами U\ и U2 целесообразно в качестве масштабирующих устройств использовать индуктивные делители напряжения. Их применение оправдано еще и тем, что выходное сопротивление подобного имитатора имеет индуктивный характер, аналогично СКВТ, и не нарушает рабочего режима для АЦП ВТ.

Определено, что в случаях, когда погрешности делителей нормируются в виде модулей максимальных приведенных погрешностей, составляющую ДОл целесообразно исходя из (3) и (4) определять на основании выражения Л0/( = \ЬКХ | Кс + |5А'С| Ks, учитывая, что 1.

В рамках совершенствования структур имитаторов сигналов СКВТ и генераторов, входящих в их состав, с целью рационального использования технических средств получено выражение, устанавливающее связь между расчетной точностью средств формирования сигналов СКВТ и разрядностью масштабирующих устройств:

п = Ent log/г

max(5Ks,bKc)

sjF

где max(y) - функция, возвращающая наибольшее значение одного из аргументов; s - коэффициент, обозначающий отношение отклонения наибольшего коэффициента деления делителя 8KS или 5Кс к наименьшему шагу квантования; F - значение, равное основанию системы счисления, используемой при формировании коэффициента деления масштабирующим устройством.

Для расширения функциональных возможностей при имитации сигналов СКВТ с различными характеристиками был предложен способ построения имитатора на основе подходов, аналогичных принципам балансной модуляции (см. табл. 1).

Показано, что его реализация основывается на получении двух независимых гармонических составляющих от двух генераторов переменного сигнала (ГЧ1), (ГЧ2), синхронизированных между собой по фазе, и фа-зосдвигающих цепей (ФЗЦ1) и (ФЗЦ2), формирующих на выходе сигналы, сдвинутые по фазе на 90° относительно входных.

Выходные сигналы имитатора U\ и U2 сформированы путем вычитания выходных сигналов ГЧ1 и ГЧ2 и сложения выходных сигналов ФЗЦ1 и ФЗЦ2. Сигнал С/0 воспроизводится блоком формирования сигнала возбуждения (БФСВ), который при программном исполнении вычислительных и управляющих операций представляет собой генератор частоты, синхронизированной от сигналов U\ и СЛ.

На основе матемггической модели имитатора было установлено, что если переменная 0, обозначающая имитируемый угол, не изменяется во времени, то модель описывает выходные сигналы СКВТ в статическом режиме. В этом случае для имитации сигнала СКВТ необходимо ввести противоположные фазовые сдвиги, численно равные 0, для каждой из двух гармонических составляющих, имеющих одинаковую частоту.

В случае если переменная 8 зависит от времени 0 = Sit, то осуществляется имитация вращения вала СКВТ, причем Í2 соответствует угловой частоте вращения. При этом частоты coi и оэ2 имеют разные значения. Взаимосвязь между параметрами выходных сигналов имитатора и частотами сигналов, формируемых ГЧ1 и ГЧ2, определяется выражениями

Для удобства исследования режимов работы имитатора на предмет оценки предельно допустимых характеристик и оптимального выбора параметров технических средств при его построении на основании (5) была разработана номограмма для определения динамических характеристик (рис. 1).

(5)

Ч (Частота, Гц) ! I Область значений £

I I Область значений ш

Рис. 1. Номограмма определения динамических характеристик

Для удобства построения номограммы был введен коэффициент п, определяющий отношение частот гармоник ш2 =

С целью получения сведений о предельно достижимом уровне точности имитатора сигналов СКВТ, построенного на основе принципов, аналогичных балансной модуляции, была предложена методика синтеза математических моделей погрешности амплитуды и фазы сигналов СКВТ, основанная на преобразовании Гильберта.

С помощью предложенной методики были получены аналитические зависимости, позволяющие выполнить комплексную оценку влияния отклонения амплитуд сигналов ГЧ1 и ГЧ2, а также ФЗЦ1 и ФЗЦ2 и их фазовых сдвигов на форму и характеристики формируемого сигнала.

Было установлено, что максимальное значение составляющей ДО., погрешности имитатора, вызванное наличием отклонений амплитуд и фаз выходных сигналов, формирующих и{ и С/2, можно оценить с помощью выражения

Д9, =0,65тах(уЛ5^ +(Дф5/1°)2, ^ + (ДФс/1°)2 ], (б)

где Лф, и Лф£. - фазовые отклонения между выходными сигналами ГЧ1 и ГЧ2, а также ФЗЦ1 и ФЗЦ2; ДЗЛ. и Д5С - относительные отклонения амплитуд выходных сигналов ГЧ1 и ГЧ2, а также ФЗЦ1 и ФЗЦ2.

Помимо этого было установлено, что наличие Дф„ Дф„ А 8, и А5С влечет за собой возникновение отклонений фаз сигналов их и 112.

Таким образом, составляющую погрешности имитатора Д0Ф можно определить исходя из выражения

А0ф=|[А5,+А5с + (Аф,-Дфс)/г]. (7)

Выражения (6) и (7) могут быть использованы для предварительной оценки точности имитатора на основании выходных характеристик сигналов измерительных генераторов ГЧ1 и ГЧ2.

Так как максимальные значения отклонений фаз по каналам синуса и косинуса достигают максимальных значений в точках перехода огибающих через ноль, т.е. для углов, кратных 90°, в некоторых случаях к ним также необходимо предъявлять определенные требования. Для этого в работе было получено выражение, позволяющее нормировать значения Д5, и Д5С, при которых отклонение фаз сигналов 11\ и и2 относительно сигнала II будет превышать некоторое заданное значение лишь для определенного диапазона углов в окрестностях углов, кратных 90°.

На основании данного выражения была разработана номограмма для получения возможности предъявления требований к значениям Д5, и Д5С графоаналитическим путем.

В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований в области разработки и совершенствования методик оценки точностных характеристик имитаторов сигналов СКВТ.

В рамках решения задач метрологического обеспечения при создании имитаторов сигналов СКВТ была обоснована необходимость создания меры эталонных сигналов и доказано, что в качестве нее может выступать имитатор СКВТ, реализованный на основе индуктивных делителей напряжения.

Анализ показал, что существующие методики оценки точности подобных имитаторов предполагают оценку линейности делителей напряжения как самостоятельных устройств, что увеличивает трудоемкость самого процесса выполнения необходимых измерений и приводит к частичной потере информации о характере распределения погрешностей по диапазону.

Более того, данные методики никак не учитывают составляющую погрешности, вызванную наличием отклонений фаз выходных сигналов СКВТ относительно сигнала возбуждения.

С целью устранения данных проблем было доказано, что для определения составляющей ДО^ погрешности имитатора достаточно оценивать лишь взаимную нелинегность делителей.

Для этого доказана целесообразность использования модифицированного метода последовательных приращений, при котором, основываясь на предположении о суперпозиционном характере погрешности каждой декады, составляющую погрешности имитатора, вызванную наличием от-

клонений амплитуд его выходных сигналов от номинальных значений, можно определить из выражения

де^к" (лг„...,лгя)£ 4 " к1 (лг,,....., ып) ±.д , (8)

/=1 /=1

где N1 е 0...9 - разрядная цифра /-го разряда делителя; п - количество десятичных разрядов делителя; ^(N1, ..., /V,,) и К,](Ми ..., - коэффициенты деления первого и второго делителей; и А11//,, - погрешности коэффициентов деления, соответствующих разрядным цифрам /-го разряда, для первого и второго делителей.

Для реализации методики делители включаются в виде мостовой схемы, где в качестве однозначной меры используется СКВТ, формирующий напряжение, близкое к единице младшего разряда. Кроме того, СКВТ необходим для компенсации фазового сдвига между делителями (рис. 2).

Рис. 2. Схема включения делителей

Доказано, что в качестве измерителя разницы коэффициентов деления целесообразно использовать селективный вольтметр. Для определения разностей фаз, необходимых при вычислении составляющей Д0Ф погрешности имитатора, в схему введен фазометр.

С помощью предложенной схемы на основании специально разработанного алгоритма получения экспериментальных данных формируется матрица А, содержащая результаты измерений отклонений смежных разрядов делителей, и матрица В, содержащая результаты измерения отклонений соседних разрядов делителей друг относительно друга. Значения фазовых сдвигов измеряются между вторым делителем и опорным сигналом и между обоими делителями.

В рамках реализации данной методики усовершенствована методика обработки экспериментальных данных, полученная на основе модификации метода решения систем уравнения «сверху-вниз». Порядок выпол-

нения основных этапов данной методики можно представить в виде последовательности действий:

1) формирование матриц А и В;

2) вычисление матриц Ьнвна основе выражений:

С = Е — Рт х в , Ь=Е-А,

где Е - матрица, элементы которой определяются как е, 7 = \Ьк -ак_х );

/1=1

Р = [1,2,...,9] - матрица-столбец натуральных чисел от 1 до 9;

8 =

.¿=1 /=2

— строка, состоящая из девятой строки матрицы А; 3) нахождение матриц Н и М согласно выражениям Н = С-Ртх[\¥х<3-1],

М = Ь-Ртх[ухО_1], 10

где

О

о о

-1

матрица размерности

пх-п;

0 10 .• 10 -1 ••• о

\У = „_1,—,й 1] - строка, составленная из обратной последователь-

ности девятых элементов матрицы в; V = [/^„,/9->4,1 ] ~ строка, составленная из элементов матрицы Ь;

4) расчет составляющей погрешности, при котором выражение (8) приобретает вид

де^ = 1( К" ,..., Ма ) ± V/К1 (М,,.....,Кп) £,тЫ4 и \ ¡=1 Г=1

где II — значение амплитуды напряжения генератора синусоидального сигнала; Адг, и тщ - значения соответствующих элементов матриц Н и М;

5) расчет составляющей Д0<р погрешности, вызванной наличием фазового сдвига, при формировании делителями значений синуса и косинуса для

угла в 45°, проводится по формуле Д6ф =^2фПДф-Дф2^(2°)2, где ф" -

значение фазового сдвига между выходным сигналом второго делителя и сигналом генератора синусоидального сигнала (см. рис. 2); Дф - значение фазового сдвига между делителями;

6) поиск максимума выражения (2) при подстановке полученных значений для составляющих погрешности имитатора.

С целью автоматизации расчета погрешности имитатора сигналов СКВТ на основе полученных экспериментальных данных была разработана компьютерная программа «Сапфир 1.0».

При проведении эксперимента в качестве масштабирующих устройств были использованы индукционные делители ИДН-6, в качестве СКВТ - устройство МТ-7, в качестве селективного вольтметра - прибор В6-19, в качестве фазометра - Ф2-34.

Экспериментальные данные относительно погрешности имитатора были получены для напряжений 100 В с целью обеспечения максимальной чувствительности В6-19. в при 10 кГц 0 при 5 кГ4 я при 400 Гц На рис. 3 представлены значения суммарных погрешностей имитатора при различных частотах возбуждения, полученные через промежутки времени 10 ч.

Для оценки точности имитатора, построенного на основе принципов, аналогичных балансной модуляции, предложена методика, основанная на передаче точности от эталонного имитатора, реализованного на индуктивных делителях, идея которой заключается в сличении сигналов двух имитаторов по принципу уравновешенного моста. Данная методика также может быть применена для определения погрешности имитаторов сигналов СКВТ, построенных на иных технических принципах. Схема включения имитаторов сигналов СКВТ представлена на рис. 4.

з

2,5

Рис. 3. Экспериментальные данные исследования методики

возбуждении СКВТ

Имитатор сигналов СКВТ (контролируемый)

Лзт(со0соз(0)

Имитатор сигналов СКВТ на основе индуктивных делителей (эталонный)

Рис. 4. Схема включения имитаторов сигналов СКВТ

Балансирование моста выполняется за счет отклонения имитируемого угла на контролируемом имитаторе от своих номинальных значений по синусному и косинусному каналам. Установлено, что значения этих отклонений эквивалентны значениям А9Л и Л0С. Определение погрешности осуществляется с помощью выражения А<дл=Ад3К^, полученного при преобразовании выражений (1) и (4).

Последовательность действий при реализации методики представлена в виде блок-схемы алгоритма (рис. 5,а). Здесь же показаны процедуры определения статической погрешности (рис. 5,6) и динамической погрешности (рис. 5,е).

значениям имитируемы* углов, проконтролировать

01 ДО« на контроле имитаторе, добиться нулевых показаний «Нуль-органа«

С )

Подключить «Нуль-орган» к косинусным каналам имитаторов

д:;

ания «Нул 13» равны I

Подключить к синусным

каналам имитатора фазометр вместо «нуль-

Подключить фазометр косинусным каналам

имитаторов

Зафиксировать значение фазового сдвига 4ч>.

Рассчитать значение погрешности

АО. ■<$*>.-' /(2*Р

тнимальную частоту ш на контролируемом

б)

Рис. 5. Алгоритм оценки точности имитаторов сигналов СКВТ с помощью образцового имитатора

Особенностью данной методики является возможность определения динамической погрешности имитатора. Проведенные исследования, где в качестве «нуль-органа» использовался анализатор спектра С4-48, показали, что погрешность метода не превышает 1".

В четвертой главе приведены результаты разработки и экспериментального исследования имитатора сигналов СКВТ, основанного на принципах, аналогичных балансной модуляции.

С помощью предложенной модели была синтезирована структура имитатора сигналов СКВТ на базе генераторов сигналов синусоидальной формы. В результате проведенных исследований было доказано, что наиболее оправданной структурой построения генераторов гармонических сигналов является структура, реализованная на двух интеграторах с фазовой автоподстройкой частоты и коэффициентом гармоник менее 0,002 %.

Высокая точность формирования сигналов СКВТ в структуре имитатора, построенного на основе предложенных генераторов, обеспечивается условием Дф,; ~ Дфс и ДйЛ = Д8С.

Также было установлено, что в качестве устройств суммирования и вычитания сигналов целесообразно изготавливать пассивные элементы с тесной индуктивной связью, используя для повышения точностных характеристик бифилярную намотку. Эксперименты показали, что подобный подход позволяет выполнять математические операции с погрешностью, не превышающей 1 • Ю-4 %.

Проведенные в рамках диссертацинной работы исследования показали, что имитатор сигналов СКВТ, основанный на применении принципов, аналогичных балансной модуляции, позволяет имитировать вращение СКВТ в пределах от 0 до 9000 об./мин.

Данный диапазон в 15-20 раз превосходит динамический диапазон имитаторов, построенных на основе активных масштабирующих устройств, при этом погрешность имитатора не превышает 4".

На основе предложенного имитатора был создан программно-аппаратный комплекс (ПАК), предназначенный для проведения испытаний и оценки точности АЦП ВТ.

Разработанный ПАК позволяет проводить испытания как в статическом, так и в динамическом режиме работы, чем значительно расширяет возможности контроля параметров АЦП ВТ. Структурная схема ПАК представлена на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема ПАК для контроля параметров АЦП ВТ

Для управления работой ПАК была создана компьютерная программа для управления имитатором, позволяющая моделировать различные режимы работы СКВТ.

Данный ПАК использовался при проведении испытаний микросхем АЦП ВТ: 427ПВ2Т и 427ПВЗ.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получено уточненное аналитическое выражение, устанавливающее взаимосвязь между угловой погрешностью воспроизведения сигналов СКВТ и значениями амплитудных и фазовых отклонений выходных сигналов по синусному и косинусному каналам, позволяющее осуществлять нормирование погрешности средств, формирующих сигналы СКВТ, без привязки к физическим эталонам угла поворота.

2. Получено выражение, устанавливающее взаимосвязь между необходимой расчетной погрешностью средств, формирующих сигналы СКВТ, и разрядностью масштабирующих устройств, входящих в их основу.

3. Предложена и опробована структура имитатора сигналов СКВТ, основанная на использовании принципов, аналогичных балансной модуляции, позволяющая имитировать как статические, так и динамические режимы работы СКВТ с диапазоном имитирующих скоростей вращения СКВТ, в 15-20 раз большим по отношению к существующим средствам, имитирующим сигналы СКВТ.

4. Получены выражения для вычисления угловой погрешности имитатора сигналов СКВТ, построенного на принципах, аналогичных балансной модуляции, позволяющие проводить расчет погрешности на основании значений параметров выходных сигналов измерительных генераторов, входящих в его состав.

5. Предложена методика оценки погрешности средств, имитирующих сигналы СКВТ, реализованных на базе двух индуктивных делителей, позволяющая сократить методическую погрешность в 2 раза за счет снижения влияния паразитных параметров алгоритмическими и расчетными способами при общем сокращении трудоемкости выполнения измерений.

6. Разработана компьютерная программа «Сапфир 1.0» для расчета погрешности имитатора сигналов СКВТ на основе экспериментальных данных, позволяющая существенно автоматизировать процедуру.

7. Предложена методика определения погрешности средств, имитирующих сигналы СКВТ, с помощью эталонного имитатора СКВТ, реализованного на двух индуктивных делителях, позволяющая оценивать как статическую, так и динамическую погрешности без изменения схемы эксперимента.

8. Практически реализован и внедрен в производство программно-аппаратный комплекс, позволяющий за счет компьютерного управления и широких технических возможностей существенно увеличить объем ин-

формации об испытуемом АЦП ВТ и создать необходимые условия для более детальных исследований в плане повышения его точности наряду с другими функциональными параметрами.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Доросинский, А. Ю. Программно-аппаратный комплекс измерения параметров АЦП сигналов вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский, В. Г. Недорезов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2006. - № 6 (27). - С. 323-332.

2. Доросинский, А. Ю. Исследование погрешности селектора октантов АЦП сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский, В. И. Чернецов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. -№ 4 (16). - С. 123-131.

3. Доросинский, А. Ю. Исследование погрешности селектора октантов, входящего в состав АЦП сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский // Измерительная техника. -2011.-№2.-С. 29-32.

4. Доросинский, А. Ю. Синтез моделей нелинейных элементов и алгоритмов анализа данных в телеметрических системах анализа информации об угловом перемещении объектов / А. Ю. Доросинский, Ю. Л. Ар-зуманов, М. Ю. Михеев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 2 (22). - С. 81-95.

Публикации в других изданиях

5. Доросинский, А. Ю. Имитатор сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора для проведения измерений статических характеристик микросхем АЦП ВТ следящего типа / А. Ю. Доросинский // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - Вып. 29. - С. 77-83.

6. Доросинский, А. Ю. Проблемы метрологического обеспечения при производстве АЦП сигналов вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский // Метрологическое обеспечение измерительных систем : сб. докл. междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. -С. 263-269.

7. Доросинский, А. Ю. Критерии оценки информационных характеристик АЦП сигналов вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский // Современные информационные технологии : сб. ст. междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. технолог, акад., 2006. — Вып 4. -С. 50-52.

8. Доросинский, А. Ю. Разработка программно-аппаратного комплекса измерения параметров АЦП сигналов вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский // Современные информационные технологии : сб.

ст. междунар. науч.-техн. конф. — Пенза : Изд-во Пенз. гос. технолог, акад., 2006.-Вып. 4.-С. 53-55.

9. Доросинский, A. IO. Метрологическое обеспечение АЦП напряжений вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский // Надежность и качество : сб. тр. междунар. симп.: в 2 т. — Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - Т. 2. - С. 281-283.

10. Доросинский, А. Ю. Методы контроля функциональных параметров АЦП сигналов вращающегося трансформатора в код / А. Ю. Доросинский // Информационно-измерительная техника : межвуз. сб. науч. тр. -Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. - Вып. 30. - С. 57-61.

11. Доросинский, А. Ю. Имитатор синусно-косинусного вращающегося трансформатора на основе балансной модуляции / А. Ю. Доросинский // Надежность и качество : сб. тр. междунар. симп. : в 2 т. - Пенза : Информ. издат. центр ПГУ, 2007. - Т. 1. - С. 393-395.

12. Доросинский, А. Ю. Микросхемы 427ПВ2Т и 427ПВЗ как альтернатива зарубежным аналогам при построении преобразователей перемещения / А. Ю. Доросинский, В. Г. Недорезов // Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов: тр. междунар. науч.-техн. конф. / под ред. В. Г. Недорезова. - Пенза : НИИЭМП, 2007. - С. 132-138.

13. Доросинский, А. Ю. Микросхемы аналого-цифровых преобразователей напряжений синусно-косинусного вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский, В. Г. Недорезов // Мир измерений. - 2007. - № 4. -С. 54-60.

14. Доросинский, А. Ю. Определение рабочих характеристик имитатора синусно-косинусного вращающегося трансформатора на основе балансной модуляции / А. Ю. Доросинский // Надежность и качество : сб. тр. междунар. симп. : в 2 т. - Пенза : Информ. издат. центр ПГУ, 2008. - Т. 1. -С. 540-542.

15. Доросинский, А. Ю. Определение минимальной разрядности индуктивных делителей напряжения в составе статического имитатора синусно-косинусного вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский // Надежность и качество : сб. тр. междунар. симп.: в 2 т. — Пенза: Информ. издат. центр ПГУ, 2009.-Т. 2.-С. 192-193.

16. Доросинский, А. Ю. Модель погрешности селектора октантов АЦП сигналов синусно-косинусного вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский // Надежность и качество : сб. тр. междунар. симп.: в 2 т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - Т. 2. - С. 323-325.

17. Dorosinsky, A. Yu. A study of the error of the octant selector component of an analog-to-digital transducer of the signáis of a sine-cosine synchro resolver / A. Yu. Dorosinsky // Measurement Techniques. - New York : Springer, 2011. - Vol. 54. -N. 2, May. -P. 150-155.

18. Доросинский, А. Ю. Классификация точностных характеристик и параметров аналого-цифрового преобразования сигналов вращающегося

трансформатора / Л. Ю. Доросинский, С. И. Торгашин, Н. К. Юрков // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий : материалы междунар. науч.-практ. конф. / под ред. С. У. Увайсова. - М.: МИЭМ,

2011.-С. 263-266.

19. Доросинский, Л. Ю. Анализ и систематизация методов оценки точности аналого-цифрового преобразования сигналов вращающегося трансформатора / А. Ю. Доросинский, С. И. Торгашин, Н. К. Юрков // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий : материалы междунар. науч.-практ. конф. / под ред. С. У. Увайсова.-М.: МИЭМ, 2011.-С. 266-269.

20. Доросинский, А. Ю. Алгоритм поиска координат смены кода элементов телеметрических систем / А. Ю. Доросинский, С. А. Кругляков // Надежность и качество : сб. тр. междунар. симп.: в 2 т. - Пенза: Изд-во ПГУ,

2012. - Т. 2, —С.416-417.

21. Доросинский, А. Ю. Алгоритмы и методики определения погрешности средств, имитирующих электрические сигналы синусно-косинусных вращающихся трансформаторов / А. Ю. Доросинский // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящегоПЛюс: науч. период, изд. -Пенза : Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. -№ 6. - С. 42^46.

Научное издание

ДОРОСИНСКИЙ Антон Юрьевич

Средства контроля параметров АЦП сигналов вращающегося трансформатора

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические величины)

Редактор Е. П. Мухина Технический редактор Н. В. Иванова Компьютерная верстка Н. В. Ивановой

Распоряжение № 25/2013 от 23.10.2013. Подписано в печать 24.10.13. Формат 60x84'/16. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 851. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

Пензенский государственный университет

На правах рукописи

04201452577

Доросинский Антон Юрьевич

СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ АЦП СИГНАЛОВ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Специальность 05.11.01 - приборы и методы измерения (электрические и магнитные величины)

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.т.н., доцент Недорезов В.Г.

1—Г А Л -1 Л

ценза zuu

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ АЦП ВТ......................................................................9

1.1 Описание и оценка уровня точности одноотсчетных преобразователей «угол-параметр-код»...................................................................9

1.2 Анализ современного состояния и проблемы в области контроля параметров АЦП ВТ..................................................................................................23

1.3 Исследование структур имитаторов сигналов СКВТ........................34

1.4 Перспективы использования имитаторов сигналов СКВТ при контроле параметров АЦП ВТ.................................................................................40

Выводы по первой главе.............................................................................46

ГЛАВА 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ, ФОРМИРУЮЩИХ СИГНАЛЫ СКВТ И СПОСОБОВ НОРМИРОВАНИЯ ИХ ПОГРЕШНОСТИ... 47

2.1 Теоретическое обоснование возможности нормирования погрешности средств, формирующих сигналы СКВТ, в угловых единицах......47

2.2 Имитатор сигналов СКВТ, построенный на принципах, аналогичных балансной модуляции, и способ нормирования его погрешности........................59

2.3 Возможности и функциональные ограничения при формировании сигналов СКВТ на основе принципов, аналогичных балансной модуляции, а также способы нормирования погрешности..........................................................67

2.4 Совершенствование структур имитаторов сигналов СКВТ, построенных на основе пассивных масштабирующих устройств и способов нормирования его погрешности..............................................................................77

Выводы по второй главе.............................................................................86

ГЛАВА 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПОГРЕШНОСТИ ИМИТАТОРОВ СИГНАЛОВ СКВТ...........87

3.1 Алгоритм получения экспериментальных данных при определении погрешности имитатора сигналов СКВТ, построенного на двух индуктивных

делителях....................................................................................................................87

3.2 Методика обработки данных при определении погрешности имитатора сигналов СКВТ, построенного на двух индуктивных делителях.....96

3.3 Теоретическое обоснование и экспериментальная проверка методики определения погрешности имитатора сигналов СКВТ, построенного на двух индуктивных делителях............................................................................102

3.4 Алгоритм и методика определения погрешности имитаторов сигналов СКВТ с использованием эталонного имитатора.................................108

Выводы по третьей главе..........................................................................113

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ АЦП ВТ.............114

4.1 Техническая реализация имитатора сигналов СКВТ на основе принципов, аналогичных балансной модуляции.................................................114

4.2 Способы получения преобразователей с тесной индуктивной связью в составе имитаторов сигналов СКВТ..................................................................120

4.3 Разработка программного обеспечения и алгоритмов контроля параметров АЦП ВТ................................................................................................125

4.4 Разработка программно-аппаратного комплекса для контроля параметров АЦП ВТ и его экспериментальное исследование...........................132

Выводы по четвертой главе......................................................................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................139

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Алгоритмы контроля параметров АЦП ВТ............151

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Экспериментальные характеристики имитатора

построенного на принципах аналогичных балансной модуляции.....................156

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Сведения о внедрении...............................................158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Современные тенденции и подходы к построению систем телеметрического контроля и управления угловым положением объектов связаны с использованием преобразователей перемещений типа «угол-параметр-код», где в качестве первичного датчика применяются синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), а в качестве вторичных - схемы АЦП, преобразующие сигналы вращающихся трансформаторов в код (АЦП ВТ). Оба устройства являются функционально завершенными и имеют свои метрологические и технические характеристики, подлежащие нормированию, измерению и контролю.

В связи с тенденцией к интенсификации производства и повышению технических и метрологических характеристик датчиков углового положения существует необходимость в исследовании данных устройств, а также повышении уровня их метрологического обеспечения, которые неразрывно связаны с применением средств измерений, обладающих более высоким уровнем технических, эксплуатационных и метрологических характеристик.

Наиболее актуальны данные аспекты в вопросах контроля параметров АЦП ВТ, принимающих информацию от первичных датчиков углового положения и преобразующих ее в цифровой эквивалент. Это связано с тем, что в существующих нормативно-технических документах регламентированы методы контроля погрешности АЦП ВТ, нацеленные на применение в измерениях «эталонных» первичных преобразователей, не существующих в строгом смысле этих терминов.

Такой подход имеет ряд недостатков, связанных с высокой трудоемкостью самих методов контроля из-за необходимости использования большого количества вспомогательного и контрольно-измерительного оборудования, отсутствием возможности автоматизации данного процесса и низкой точностью. Эти недостатки можно устранить путем контроля параметров АЦП ВТ с помощью методов, ориентированных на использование имитаторов сигналов СКВТ,

построенных, в свою очередь, на основе измерительных генераторов электрических сигналов.

Большой вклад в совершенствование преобразователей «угол-параметр-код» и развитие методов их анализа внесли В. Г. Домрачев, Б. С. Мейко, Дж. Вульвет, В. В. Алексеев, В. М. Домрачев и другие отечественные и зарубежные ученые.

В то же время использование имитаторов сигналов СКВТ как в виде самостоятельных устройств, так и в составе средств контроля параметров АЦП ВТ требует решения задач, направленных на предъявление к ним требований по точности, совершенствование структур, а также совершенствование методик оценки точности.

Актуальность решения данных задач и обусловила постановку работы.

Цель диссертационной работы заключалась в совершенствовании средств контроля параметров АЦП ВТ и методик оценки их точности.

Поставленная в работе цель достигалась решением следующих задач:

1) анализ и математическое описание преобразователей «угол-параметр-код» с целью выделения параметров выходных сигналов СКВТ, влияющих на точность преобразования АЦП ВТ;

2) получение уточненного аналитического выражения, устанавливающего взаимосвязь между отклонениями от номинальных значений параметров выходных сигналов СКВТ и суммарной угловой ошибкой, вызванной их влиянием при преобразовании угла в код;

3) совершенствование структур и способов построения средств, имитирующих электрические сигналы СКВТ, с целью автоматизации, унификации и повышения точности контроля параметров АЦП ВТ;

4) совершенствование алгоритмов и методик определения погрешности средств, формирующих электрические сигналы СКВТ;

5) создание программно-аппаратного комплекса, предназначенного для контроля параметров АЦП ВТ и обладающего более высоким уровнем функциональных и метрологических характеристик.

Методы исследования

Для решения поставленных задач применялись методы теории автоматического управления, теории электрических цепей и сигналов, теории погрешностей, методы спектрального анализа, элементы численных методов и математического анализа.

Объектом исследования являются научно-технические решения в области контроля параметров АЦП ВТ, а предметом - принципы формирования сигналов СКВТ с заданной точностью.

Научная новизна

1. Получено аналитическое выражение, устанавливающее взаимосвязь между параметрами выходных сигналов СКВТ и угловой погрешностью, вызванной их влиянием, отличающееся учетом влияния фазовых отклонений сигналов СКВТ и позволяющее предъявить требования по точности к устройствам, имитирующим сигналы СКВТ.

2. Предложен и теоретически обоснован способ формирования электрических сигналов СКВТ, отличающийся использованием принципов, аналогичных балансной модуляции, позволяющий имитировать как статические, так и динамические режимы работы СКВТ.

3. Предложена методика определения погрешности средств, имитирующих сигналы СКВТ, реализованных на двух индуктивных делителях, отличающаяся оценкой взаимной нелинейности и позволяющая снизить методическую составляющую погрешности.

4. Предложен алгоритм определения погрешности средств, имитирующих сигналы СКВТ, отличающийся использованием в качестве эталонного средства имитатора сигналов СКВТ, реализованного на двух индуктивных делителях, и позволяющий оценивать как статическую, так и динамическую ее составляющую.

Практическая значимость

1. Разработан и исследован имитатор сигналов СКВТ, построенный на основе принципов, аналогичных балансной модуляции, позволяющий моделировать

различные режимы работы СКВТ, такие как неподвижное положение ротора, вращение с заданной скоростью, вращение с ускорением.

2. Разработана методика определения погрешности имитатора сигналов СКВТ, реализованного на двух индуктивных делителях, позволяющая использовать данный имитатор в качестве эталонного средства.

3. Разработана методика определения погрешности средств, имитирующих сигналы СКВТ, с помощью эталонного имитатора, позволяющая оценивать как статическую, так и динамическую погрешности.

4. Создан программно-аппаратный комплекс, позволяющий значительно расширить возможности контроля функциональных параметров АЦП ВТ.

Реализация работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили практическое воплощение в разработанном на ОАО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» комплексе испытательного оборудования для обеспечения производства гибридных микросхем АЦП ВТ: 427ПВ2Т и 427ПВЗ в рамках выполнения Государственного контракта № 4684 от 30.06.2003 г.

На защиту выносятся:

1) аналитическое выражение, устанавливающее взаимосвязь между значениями амплитудных и фазовых отклонений выходных сигналов по синусному и косинусному каналам и угловой погрешностью, вызванной их влиянием при имитации сигналов СКВТ;

2) способ и структура построения имитатора сигналов СКВТ, основанные на применении принципов, аналогичных балансной модуляции;

3) методика определения погрешности имитатора сигналов СКВТ, реализованного на двух индуктивных делителях, заключающаяся в оценке их взаимной нелинейности на основе метода последовательных приращений;

4) алгоритм определения статической и динамической погрешностей средств, имитирующих сигналы СКВТ, с помощью эталонного имитатора, реализованного на двух индуктивных делителях;

5) программно-аппаратный комплекс для контроля функциональных параметров АЦП ВТ в статическом и динамическом режимах.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы обсуждались на международных научно-технических конференциях «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (Пенза, 2006 г.), «Современные информационные технологии» (Пенза, 2006 г.), «Материалы для пассивных радиоэлектронных компонентов» (Пенза, 2007 г.), научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Пенза, 2011 г.), международных симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2006-2012 гг.).

Публикации

По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 13 печатных работ без соавторов.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 98 наименований, трех приложений. Диссертационная работа изложена на 150 страницах основного текста, содержит 50 рисунков и 8 таблиц.

Автор выражает благодарность руководителю, доктору технических наук В.Г.Недорезову за ценные научные консультации при подготовке материалов диссертационной работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ АЦП ВТ

В настоящей главе описываются общие структуры построения одноот-счетных преобразователей «угол-параметр-код», выполняется анализ существующих первичных и вторичных преобразователей угла, оцениваются их точностные уровни.

Проводится анализ современного состояния и проблем в области контроля параметров АЦП ВТ.

Проводится исследование структур имитаторов сигналов СКВТ, формирующих сигналы с требуемой точностью.

Доказывается необходимость совершенствования способов и структур построения имитаторов СКВТ, а также методик оценки их точности.

Оцениваются перспективы использования имитаторов СКВТ в составе программно-аппаратного комплекса для контроля параметров АЦП ВТ.

1.1 Описание и оценка уровня точности одноотсчетных преобразователей «угол-параметр-код»

1.1.1 Описание преобразователей «угол-параметр-код»

Преобразователи перемещений в коды занимают особое место среди устройств АЦП. Основным видом аналоговой величины в преобразователях этого вида является угловое перемещение, поэтому обычно этот вид АЦП называют преобразователями угла в код. Классификация АЦП угла подробно представлена в работах [15, 18].

Специфика этого вида АЦП связана с двумя обстоятельствами:

- при построении преобразователей перемещений в коды используются самые различные физические явления, приводящие к наличию или отсутствию электрического контакта, электрического и магнитного поля, светового луча и т.д., в то время как при построении остальных видов АЦП используются только физические явления, характерные для радиоэлектронных схем;

- преобразователи перемещений в коды имеют сложную конструкцию,

из-за чего их характеристики во многом определяются совершенством технологии, в то время как у всех остальных видов АЦП, выполняемых в виде электронных схем, характеристики мало зависят от конструкции и технологии.

На данный момент существует множество различных способов, осуществляющих преобразование углового перемещения в цифровой код, на базе которых отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются преобразователи как законченные функциональные устройства, которые строятся на основе двух классических методов аналого-цифрового преобразования: последовательного счета и считывания [11, 17, 18, 76-79].

Это обуславливается тем, что разнообразие областей применения и предъявляемых требований к АЦП угла, не позволяют строить подобные устройства на каком-либо одном универсальном физическом принципе.

Цифровые преобразователи угла (ЦПУ) являются измерительными преобразователями, поэтому от качества решения ими своих функциональных задач существенно зависят технические показатели систем управления, в которые они поставляют информацию.

Поэтому в силу тенденции непрерывного развития техники и технологии можно сформулировать основные требования, которые предъявляются при разработке и конструировании ЦПУ. Это, прежде всего, высокая точность измерения, быстродействие, надежность, помехоустойчивость информативного параметра, малые нелинейные искажения и т.д [18].

Обобщая отечественный и зарубежный опыт [15, 41, 78] развития ЦПУ можно говорить о том, что ЦПУ развиваются в двух существенно отличающихся друг от друга направлениях:

- непосредственное преобразование угла в код;

- косвенное преобразование.

Как промежуточный вариант существуют ЦПУ с комбинированным преобразованием, сочетающим оба принципа: для грубого и точного счета.

В первом случае операции преобразования подвергается непосредственно угол [59, 68]. Во втором случае измеряемый угол предварительно представляется, как правило, в виде удобного аналогового параметра, который затем

10

преобразуется в цифровой эквивалент. Отсюда очевидно, что преобразователи первой группы представляют собой единое устройство, а преобразователи второй группы - совокупность пространственно разнесенных узлов, которые в литературе именуются как преобразователи «угол-параметр-код» (УПК) [49, 52].

Современные преобразователи УПК строят на основе первичного преобразователя и аналого-цифрового преобразователя его сигналов (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1- Структурная схема п