Метод скользящей гистограммы при метрологических испытаниях цифровых измерительных модулей информационно-измерительных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат наук Абрамов, Алексей Михайлович

• Абрамов, Алексей Михайлович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Абрамов, Алексей Михайлович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

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

1.1 Основные определения и характеристики

1.2 Функция преобразования и статические характеристики ЦИМ

1.2.1 Разрешающая способность и точность ЦИМ

1.2.2 Статические характеристики ЦИМ

1.3 Нормативная база метрологического обеспечения ЦИМ и АЦП

1.4 Анализ методов экспериментального определения статических характеристик ЦИМ и АЦП

1.4.1 Гистограммный метод

1.4.2 Оценка погрешностей гистограммного метода

1.5 Выводы

Глава 2. МЕТОД СКОЛЬЗЯЩЕЙ ГИСТОГРАММЫ

ПРИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОМ ИСПЫТАНИИ СТАТИЧЕСКИХ

характеристик: цим

2.1 Методы поиска границ амплитудного диапазона ЦИМ

2.2 Метод скользящей гистограммы при контроле статических характеристик ЦИМ

2.3 Оценка погрешностей метода скользящей гистограммы

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

2.5 Выводы

Глава 3. ПРОГРАММНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИМ

3.1 Принципы построения модели системы метрологического испытания

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

3.3 Исследование модели системы метрологического испытания

3.4 Выводы

Глава 4. АППАРАТНО-ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА СКОЛЬЗЯЩЕЙ ГИСТОГРАММЫ

4.1 Вводные замечания

4.2 Система метрологического испытания на основе метода скользящей гистограммы

4.3 Плата сбора данных N1 РС1е-6321

4.4 Вспомогательный соединительный модуль ВМС-2120

4.5 Метрологическое испытание канала аналогового ввода

N1 РС1е-6321 по методу скользящей гистограммы

4.6 Проверка адекватности метода скользящей гистограммы

4.7 Выводы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод скользящей гистограммы при метрологических испытаниях цифровых измерительных модулей информационно-измерительных систем»

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, кратко можно определить ИИС как разновидность СИ, построенных по системному принципу и предназначенных для автоматизированного сбора, обработки, отображения и хранения больших массивов измерительной информации [6, 7].

К ИИС примыкают виртуальные информационно-измерительные приборы [8]. Этим термином обозначают компьютеризированные средства, оснащенные набором соответствующих аппаратных и программных средств, выполняющие функции ИИС, максимально приближенных к решению поставленной задачи. Как видно из определения виртуальных приборов, по составу и функциям они полностью совпадают с ИИС. Поэтому выделение их в отдельный вид нецелесообразно. В виртуальных приборах широко используется проблемно-ориентированное программное обеспечение, в частности ЬаЬУ1Е\¥ [8, 9].

Основным показателем качества ИИС как СИ, отражающим ее назначение и специфику конкретного применения, является показатель достоверности выдаваемой информации. Для ИС показателем достоверности, как и для всех СИ, является погрешность измерения или неопределенность результата измерений.

В литературе [10] рассматриваются различные виды структуры ИИС в зависимости от организации взаимодействия функциональных блоков: цепочечная, радиальная, магистральная с централизованным и децентрализованным управлением, радиально-магистральная. Эти варианты структур отличаются в основном организацией передачи информации. В зависимости от организации сбора измерительной информации выделяются структуры: одноканальная, многоканальная, мультиплицированная, многоточечная, сканирующая. Мы не будем останавливаться на рассмотрении этих структур, поскольку при современном уровне циф-' ровой измерительной и вычислительной техники все эти структуры с функциональной точки можно рассматривать как частный случай обобщенной структуры, приведенной на рисунке 1.1.1.

Управление исследуемым объектом

Рисунок 1.1.1 - Обобщенная структура ИИС с цифровыми измерительными

модулями (ЦИМ)

Исследуемый объект (ИО) описывается физическими величинами X;,..., х„. Номенклатура измеряемых величин определяется заказчиком (пользователем) ИИС, исходя из физических представлений об объекте.

Первичные измерительные преобразователи (ПИП), или датчики, преобразуют величины ху- в электрические величины уу (напряжение, ток, сопротивление, емкость, индуктивность и др.). Датчики являются обязательными компонентами ИИС. Вид датчика в первую очередь определяется видом преобразуемой величины.

Вспомогательным устройством в ИИС является базирующее устройство, с которым могут быть связаны ИО и первичные преобразователи. Вид базирующего устройства определяется видом ИО и необходимыми воздействиями на него в процессе измерения.

Величины уу, выдаваемые ПИП, подаются на вторичные измерительные преобразователи (ВИП), которые преобразуют их чаще всего в напряжения Ц. Вторичные преобразователи в некоторых каналах могут отсутствовать, если выходной величиной датчика является напряжение, уровень которого достаточен для аналого-цифрового преобразования (АЦП).

Напряжения Ц- поступают на АЦП, где преобразуются в цифровые коды

подаваемые на ЭВМ. По выполняемым функциям АЦП в принципе можно отнести к вторичным преобразователям. Однако они выделены в отдельные функциональные блоки в силу следующих обстоятельств:

• АЦП, как это отражено на рисунке 1.1.1, работают, как правило, под управлением ЭВМ, обеспечивающей необходимый алгоритм сбора первичной информации;

• АЦП, как и датчики, в отличие от других ВИП, являются обязательными компонентами каждого канала;

• АЦП могут быть индивидуальными для каждого канала, однако чаще один АЦП используется для всех или нескольких каналов, работая в мультиплексном режиме.

Для некоторых измерительных преобразователей, например кодовых или импульсных, функции АЦП выполняют сами первичные или вторичные преобразователи. Это не нарушает общего характера рассматриваемой структурной схемы, поскольку она носит функциональный характер, и входящие в нее элементы могут быть конструктивно объединены. АЦП является в этом отношении самым ярким примером. Он может быть самостоятельным элементом, может входить в состав первичных или вторичных преобразователей, а также в виде отдельных плат конструктивно может быть размещен в составе ЭВМ.

Последовательность преобразователей (ПИП, ВИП, если они есть, и АЦП) и каналов связи, обеспечивающая преобразование измеряемой физической величины в цифровой код, называется измерительным каналом (ИК). Другими словами, PIK - это вся совокупность технических средств, преобразующих измеряемую величину в код, поступающий в ЭВМ. Как видно из вышесказанного, общим для разных ИК могут быть АЦП, каналы связи и иногда вторичные преобразователи.

Понятие ИК отражает сущность выполнения измерений в ИИС. Оно необходимо для анализа погрешностей измерения и организации метрологического обеспечения. Однако конструктивно различные элементы канала могут быть объединены в единое устройство. Например, ИК является кодовый датчик угла, пре-

образующий измеряемый угол в параллельный код. В качестве ИК могут использоваться электронные измерительные приборы, имеющие цифровой выход (цифровые вольтметры, частотомеры, весы и др.).

Коды, выдаваемые АЦП, подаются для обработки на вход ЭВМ, в качестве которой может использоваться персональный компьютер (ПК) или специализированное микропроцессорное вычислительное устройство. Цель обработки определяется функциональным назначением ИИС. Обработка первичной информации производится в соответствии с заложенным в ЭВМ программно-математическим обеспечением (ПМО). ПМО является не менее важным функциональным компонентом ИИС, чем аппаратные составляющие. При этом ПМО и базирующее устройство являются наиболее специфичными, наиболее «индивидуальными» элементами каждой ИИС.

Функции ЭВМ могут заключаться не только в обработке первичной измерительной информации, но и в управлении самим процессом измерения. Один из аспектов этого управления - сбор данных с АЦП. Второй аспект, также отраженный на рисунке 1.1.1, заключается в управлении путем подачи воздействий на ИО.

При описании структуры ИИС иногда используется понятие «измерительно-вычислительный комплекс» (ИВК), которое включает все элементы ИИС, кроме первичных преобразователей. В свое время ИВК выпускались как самостоятельные изделия с целью унификации аппаратной части ИИС. Однако сейчас, в связи с миниатюризацией ЭВМ, это понятие теряет актуальность.

Рассмотренная функциональная схема, включает в себя как частные случаи другие структурные схемы. При п = 1 мы получаем одноканальную ИИС. Точечная ИИС, для которой все или некоторые величины х,- одинаковы по физическому смыслу и измеряются датчиками, размещенными в разных точках пространства, вписывается в схему на рисунке 1.1.1 без каких-либо уточнений. Различные варианты организации связи конкретизируют построение ИК, но не изменяют функциональной структуры системы [11].

Под ЦИМ будем понимать ИК ИИС, конструктивно различные элементы которого объедены в единое устройство, представляющие собой электронный измерительный преобразователь с цифровым выходом.

Принципиальное отличие ЦИМ от любого аналогового измерительного устройства (модуля) - наличие квантователя (КВ), которое является обязательным (без КВ нет ЦИМ). Элементы ПИП, ВИП могут отсутствовать в конкретных реализациях ЦИМ, поэтому понятие ЦИМ можно свести к АЦП.

КВ осуществляет квантование измеряемой величины по уровню и, часто, дискретизацию ее во времени. Сущность КВ по уровню заключается в том, что бесконечному множеству возможных значений измеряемой величины, лежащих в пределах диапазона преобразования КВ, ставится в соответствие конечное и счетное множество возможных значений выходных кодов КВ [12]. Число Nm возможных различающихся кодов ограничено конструкцией и принципиальной схемой КВ.

Для линейных ЦИМ должно выполняться условие

т

где Ин - константа, называемая номинальной ступенью квантования или интервалом квантования (ее размерность равна размерности измеряемой величины ху); ив{ИВ)',иН{ИИ) - номинальные значения измеряемой величины, соответствующие максимальному ИВ и минимальному NN возможным значениям выходного кода КВ; Ыт - число возможных выходных кодов КВ, обязательно - целое число.

Константа ЬИ является важнейшей метрологической характеристикой ЦИМ, так как только зная Ип, можно определить, какое значение измеряемой величины соответствует конкретному значению выходного кода АЦП или показанию ЦИМ.

1.2 Функция преобразования и статические характеристики ЦИМ

При подаче на вход ЦИМ линейно изменяющегося напряжения на выходе ЦИМ наблюдается последовательное изменение кодов. Зависимость между значениями входного аналогового напряжения и выходного кода называется ФП [13]. ФП, может быть определена в виде таблиц, графиков или формул. ФП ЦИМ описывается рядом параметров. Точки на оси абсцисс соответствуют напряжениям межкодовых переходов. Под напряжением межкодового перехода понимается такое входное аналоговое напряжение, статистические вероятности преобразования которого в заданное и предшествующее заданному значению выходного кода равны. Для идеального АЦП напряжения межкодовых переходов соответствуют опорным напряжениям, формируемые источниками опорных напряжений. В таблице 1.2.1а приведен пример номинальной линейной ФП ЦИМ. Разность значений напряжений заданного и следующего за ним межкодового переходов определяет интервал квантовання ФП ЦИМ и разность входных напряжений ЦИМ, в которой значение кода на выходе сохраняется.

Для ЦИМ номинальная ширина ступеньки равна интервалу квантования:

кн=(ии-ии)/2к-\ (1.2.1)

где К - разрядность ЦИМ.

Вообще говоря, твердо установившегося определения прямой ФП нет. Прямую проводят как через середины ступеней ФП, так и через точки, соответствующие напряжениям межкодовых переходов, поэтому и такие параметры, как начальная и конечная точки ФП, могут определяться по-разному. Под начальной точкой ФП III будем понимать точку, определяемую значением напряжения первого межкодового перехода. Конечной точкой ФП будет точка, определяемая значением напряжения последнего межкодового перехода. Интервал значений напряжения от начальной до конечной точки ФП называется диапазоном входного напряжения ЦИМ.

1.2.1 Разрешающая способность и точность ЦИМ

Наиболее часто разноопределяемыми параметрами являются разрешающая способность и точность, хотя эти две характеристики реального НИМ (АЦП) могут значимо отличаться. Разрешение не идентично точности, иногда 12-разрядный АЦП может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. Для АЦП разрешение представляет собой меру того, на какое количество сегментов может быть поделен входной диапазон измеряемого аналогового сигнала (например, для 8-

о

разрядного АЦП это 2 =256 сегментов). Точность же характеризует суммарное отклонение результата преобразования от своего истинного значения для данного входного напряжения [14]. То есть, разрешающая способность характеризует потенциальные возможности АЦП, а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности.

Для реальных преобразователей, изготавливаемых в виде интегральных микросхем, процесс преобразования не является идеальным: на него оказывают влияние как технологический разброс параметров при производстве, так и различные внешние помехи. Поэтому цифровой код на выходе АЦП определяется с погрешностью. В спецификации на АЦП указываются погрешности, которые дает сам преобразователь. Их обычно делят на статические и динамические. При этом именно конечное приложение определяет, какие характеристики АЦП будут считаться определяющими, самыми важными в каждом конкретном случае.

Наибольший интерес представляют статические характеристики АЦП, характеризующие их точностные характеристики. Ниже рассмотрены основные статические характеристики на примере параллельного АЦП [15].

1.2.2 Статические характеристики ЦИМ

Реальная ФП ЦИМ (АЦП) может значительно отличаться от идеальной. Эти отличия заключаются в неидентичности интервалов квантования, в расположении ФП относительно осей координат, в отклонении ФП от прямой, в неидеальности профиля межкодового перехода [16]. Несоответствие номинальной (идеальной

для конкретной реализации АЦП) и действительной ФП определяет точностные параметры АЦП (таблица 1.2.1): дифференциальную и интегральную нелинейность; зону неопределенности напряжений межкодовых переходов; монотонность ФП; аддитивную и мультипликативную погрешность.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Абрамов, Алексей Михайлович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. - Взамен ГОСТ 16263-70; введ. 01.01.2001.

2. ГОСТ 16263-70. ГСИ. Метрология. Термины и определения. - Введ. 01.01.1971.

3. ГОСТ 8.437-81. ГСИ. Системы информационно-измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения. - Введ. 01.07.1982.

4. МИ 2438-97. ГСИ. Системы измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения.

5. Главный форум метрологов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://metrologu.ru/

6. Рубичев H.A. Измерительные информационные системы: учебное пособие / H.A. Рубичев. -М.: Дрофа, 2010.-334, [2] е.: ил.

7. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники / П.П. Орнатский. - Киев: Вища школа. Головное изд.- во, 1983. - 455 с.

8. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW / под ред. П.А. Бутырки-на. - М.: ДМК-Пресс, 2005. - 264 с.

9. Батоврин B.K. LabVIEW: Практикум по электронике и микропроцессорной технике / В.К. Батоврин, A.C. Бессонов, В.В. Мошкин. - М.: ДМК- Пресс, 2005. -182 с.

10. Информационно-измерительная техника и технологии / В.И. Калашников, C.B. Нефедов, А.Б. Путилин и др.; под ред. Г.Г. Ранеева. - М.: Высшая школа, 2002. -454 с.

11. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы / М.П. Цапенко. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 357 с.

12. Вострокнутов H.H. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка / H.H. Вострокнутов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. -208 е.: ил.

13. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров / А.-Й.К. Марцинкявичюс, Э.-А.К. Багданскис, P.JI. Пошюнас и др.; под ред. А.-Й.К. Марцинкявичюса, Э.-А.К. Багданскиса. - М.: Радио и связь, 1988.-224 е.: ил.

14. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств / П.В. Новицкий. - JI: Энергия, 1968. - 248 с.

15. Бахтиаров Г.Д. Аналого-цифровые преобразователи / Г.Д. Бахтиаров, В.В. Ма-линин, В.П. Школин; под ред. Г.Д. Бахтиарова. - М.: Советское радио, 1980. -280 с.

16. Шлыков Г.П. Аппаратурное определение погрешностей цифровых приборов / Г.П. Шлыков. -М.: Энергоатомиздат, 1984. - 128 е.: ил.

17. Федорков Б.Г. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи / Б.Г. Федорков, В.А. Телец, В.П. Дегтяренко. - М.: Радио и связь, 1984.-120 е.: ил.

18. Брагин A.A. Основы метрологического обеспечения аналого-цифровых преобразователей электрических сигналов / A.A. Брагин, A.JI. Семенюк. - М.: Издательство стандартов, 1989. - 164 е.: ил.

19. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем (теория, методология, организация) / Е.Т. Удовиченко, A.A. Брагин, A.JI. Семенюк и др. - М.: Издательство стандартов, 1991. - 192 с.

20. Фрумкин В.Д.Теория вероятностей и статистика в метрологии и измерительной технике / В.Д. Фрумкин, H.A. Рубичев. -М.: Машиностроение, 1987. - 168 с.

21. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений / Э.И. Цветков. - 2-е изд., перераб. и доп. - JI.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. - 255 с.

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

23. 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.

24. Садовский Г.А. Экспериментальное определение статических погрешностей АЦП / Г.А. Садовский, A.M. Абрамов, А.Г. Борисов // Радиотехника. - 2012. -№ 3. - С. 128-132.

25. Аналого-цифровое преобразование / под ред. У. Кестера. - М.: Техносфера, 2007.- 1016 с.

26. ШЕЕ Std. 1241-2000, IEEE Standard for Terminology and Test Methods for Analog-to-Digital Converters, IEEE, 2001.

27. Gordon Bernard M. Definition of Accuracy of Voltage to Digital Converters / Bernard M. Gordon // Instruments and Control Systems. - 1959 May. - P. 710.

28. Doernberg Joey. Full-Speed Testing of A/D Converters / Joey Doernberg, Hae-Seung Lee, David A. Hodges // IEEE Journal of Solid State Circuits. - 1984. - Vol. SC 19, N 6. - P. 820-827.

29. Blair Jerome. Histogram Measurement of ADC Nonlinearities Using Sine Waves / Jerome Blair // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 1994. -Vol. 43, N3.-P. 373-383.

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

31. Садовский Г.А. Теоретические основы информационно-измерительной техники: учеб. пособие / Г.А. Садовский - М.: Высш. шк., 2008. - 478 е.: ил.

32. Абрамов A.M. Анализ точности метода "скользящей" гистограммы при испытаниях диагностических каналов в комплексной магнитотерапии / A.M. Абрамов // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2010. - №7. - С. 3338.

33. Шмидский Я.К. Mathematica 5. Самоучитель. Система символьных, графических и численных вычислений / Я.К. Шмидский - М.: «Диалектика», 2004. -592 с.

34. Wolfram Mathematica [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://wolframmathematica.ru

35. Садовский Г.А. Метрологическое обеспечение цифровых средств измерений: учеб. пособие / Г.А. Садовский; Рязан. радиотехн. ин-т. - Рязань, 1993. - 68 с.

36. Дьяконов В.П. Mathematica 5.1/5.2/6. Программирование и математические вычисления / В.П. Дьяконов. - М.: «ДМК-Пресс», 2008. - 576 с.

37. Самарский А.А. Введение в численные методы / А.А. Самарский. - М.: Наука, 1987.-288 с.

38. Микросхемы АЦП и ЦАП. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2005. - 432 е.: ил.

39. Никамии В.А. - Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Справочник / В.А. Никамин. - СПб.: КОРОНА принт; М.: «Альтекс-А», 2003. -224 е., ил.

40. Чип и Дип - электронные компоненты и приборы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.chipdip.ru

41. Компэл [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.compel.ru

42. 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.-12с.

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

44. 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.

45. 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. - 200с.

46. Абрамов A.M. 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. Биомедсистемы -2010". - Рязань: РГРТУ, 2010. - С. 184-187.

47. 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.

48. 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. Биомедсистемы -2007". - Рязань: РГРТУ, 2007. - С. 63-65.

49. 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. Биомедсистемы - 2009". - Рязань: РГРТУ, 2009. - С. 134-138.

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

51. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент (Численные методы): учеб. пособие / Б.А. Алпатов, В.П. Кузнецов, В.А. Тарасов, Е.П. Чура-ков; под ред. Е.П. Чуракова. - Рязань: РГРТА, 1995. - 96 с.

52. Самарский A.A. Математическое моделирование / A.A. Самарский, А.П. Михайлов. - М.: Наука; Физматлит, 1997. - 428 с.

53. Магда Ю.С. Lab VIEW: практический курс для инженеров и разработчиков / Ю.С. Магда. - М.: Издательство ДМК Пресс, 2012. - 208 с.

54. LAB VIEW: Начальный уровень 1. 4.1: учеб. пособие / A.M. Абрамов, В.И. Жу-лев, М.Б. Каплан, С.И. Мальченко; Рязан. гос. радиотехн. ун-т. - Рязань, 2011. — 80 с.

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

56. 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.

57. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ / И.В. Максимей. - М.: Радио и связь, 1988. - 230 с.

58. Гитис Э.И. Аналого-цифровые преобразователи: учеб. пособие для вузов / Э.И. Гитис, Е.А. Пискулов. - М.: Энергоиздат, 1981. - 360 е.: ил.

59. Демидович Б.П. Численные методы анализа / Б.П. Демидович, И.А. Марон, Э.З. Шувалова; под ред. Б.П. Демидовича. - М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1963.-400 с.

60. Бахвалов Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. - 624 с.

61. Абрамов A.M. 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.

62. MSP430 Руководство пользователя [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/micros/msp430/arh/index.htm

63. Семейство микроконтроллеров MSP430x2xx. Архитектура, программирование, разработка приложений / пер. с англ. A.B. Евстифеева - М.: Додэка-ХХ1, 2010. - 544с.: ил.

64. Хоровиц П. Искусство схемотехники: в 2-х т.: пер. с англ./ П. Хоровиц, У. Хилл. - Изд. 3-е, стереотип. - М.: Мир, 1986. - Т.2. - 590 е.: ил.

65. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника: учеб. пособие / А.И. Кучумов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Гелиос АРВ, 2004. - 336 е.: ил.

66. PCAD [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.pcad.ru/

67. P-CAD 2006. Схемотехника и проектирование печатных плат / K.M. Динц, A.A. Куприянов, Р.Г. Прокди и др. - СПб.: Наука и техника, 2009. - 320 с.

68. AD7685 Datasheet [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.datasheetarchive.com/AD7685-datasheet.html

69. N1 6321 Manuals [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rsreu.ru/content/view/1569/1232/

70. BNC-2120. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. - Режим доступа: ftp://ftp.ni.com/pub/branches/russia/bnc_2120.pdf

71. LAB VIEW: Начальный уровень 1. 4.2: учеб. пособие / A.M. Абрамов, В.И. Жу-лев, М.Б. Каплан, С.И. Мальченко; Рязан. гос. радиотехн. ун-т. - Рязань, 2012. -80 с.

72. Форум сайта LabVIEW.ru [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http.V/www.labview.m/forum/

73. Портал Lab VIEW [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://labviewportal.eu/ru/glavnaja

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

«УТВЕРЖДАЮ»

.^Первый^ам, генерального директора им. М.М. Громова»

(| • В.В. Цынлаков Ц^Й^рЖ_2013 г.

Ч^г.-,. ' ^

АКТ

внедрения результатов кандидатской диссертационной работы Абрамова Алексея Михайловича, ведущего инженера кафедры «Информационно-измерительной и биомедицинской техники» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Рязанского государственного радиотехнического университета"

В период 2007 - 2011 гг. Лётно-исследовательский институт им. М.М, Громова совместно с Рязанским государственным радиотехническим университетом провёл ряд научно-исследовательских работ по автоматизации процессов испытаний бортовых средств измерений.

За этот период были разработаны методики, алгоритмы и программное обеспечение эталонного комплекса для оценки метрологических характеристик измерительных модулей бортовых информационно-измершельных систем.

Настоящим актом подтверждаем, что в настоящее время в ОАО «ЛИИ им. М.М. Громова» используются полученные в диссертации Абрамова A.M. результаты исследований прецизионных методик метрологических испытаний цифровых средств измерений.

Применение результатов исследований, проведённых в рамках диссертационной работы, способствует повышению точности определения метрологических характеристик бортовых средств измерений за счёт снижения влияния нелинейности испытательного сигнала.

В ходе выполнения разработок при участии Абрамова A.M. был создан ряд программ для прецизионных модулей LTR34-8, LTR11, LTR22 крейтовой системы LTR, повышающих качество метрологического обеспечения в часта контроля измерительных модулей, используемых в летных испытаниях изделий авиационной техники.

Зам. генерального директора по качеству - Главный метролог, к.т.н.

Зам. начальника СМиИИС

В". В. Бондарцев

Д.А. Сидоров

«УТВЕРЖДАЮ» по учебной работе ,доц. М.В. Дубков

2013г.

АКТ 01.01.2013г. № О использовании материалов диссертационной работы в учебном процессе

Составлен комиссией:

Председатель: заведующий кафедрой «Информационно-измерительной

и биомедицинской техники» В.И. Жулев

Члены комиссии: Профессор кафедры «Информационно-измерительной

и биомедицинской техники» Е.М. Прошин

Доцент кафедры «Информационно-измерительной и биомедицинской техники» А.Г. Борисов

В период с 01.04.2011 по 29.05.2013 года, материалы, диссертационной работы аспиранта Рязанского государственного радиотехнического университета A.M. Абрамова, а именно метод "скользящей гистограммы", основанный на анализе каждого интервала квантования испытываемого цифрового измерительного модуля (ЦИМ), путем циклического сдвига образцового испытательного сигнала (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, используются в подготовке студентов РГРТУ по направлению «Приборостроение» и специальности 200106 "Информационно-измерительная техника и технологии", в учебном курсе «Цифровые измерительные устройства».

Председатель комиссии

Члены научно-технической комиссии

yf

В.И. Жулев Е.М. Прошин А.Г. Борисов

1госшйс1ка£1 фщш11рд1щшш

к ш ¡a ts Й SÍ

КМк'^Ш JÍU Íl&~>

!й £ П: a ES

н \ ii H>i;iM.n:mu:

л»2337475

СПОСОБ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЦП И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

патапгооблэдатснь(ли): Рязанский государственный радиотехнический университет (НЮ)

Лнтор(ы): Проишн Евгений Михайлович (ЯО), Гуржин Сергей Григорьевич (1Ш), Абрамов Алексей Михайлович (Ш1)

Заявка Л'в 2007119051 Приоритет и.тпрноишс 22 мая 2007 г. Зари истрнроиаио и Государственном реестре изобретении Российской Федерации 27 октября 2008 г. Срок дсистшш иан-нтл истекает 22 мая 2027 г.

, ¡J U j , > i j

'i >

Z

Z.S , „

Руководитель Федеральной службы no интеллектуальной собстаенности. патентам и товарным знакам

В.11. Симонов

СВИДЕТЕЛЬСТВО

о государственной регистрации программы для ЭВМ

№ 2012660596

Программа для реализации метода «скользящей» гистограммы

Прапооблалатель(ли): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный радиотехнический университет» (ФГБОУВПО «РГРТУ») (Ш)

Автор(ы): Канлаи Михаил Борисович, Абрамов Алексей Михайлович, Прошил Евгений Михайлович (Ш/)

к •I »

Заявка 2012618287 Дата поступлении 1 октября 2012 Г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 23 ноября 2012 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

Б,П. Симонов

г у у V ч

Й

к

| Министерство образования и науки Российской Федераций |

$ • Фонд содействия развитию малых форм предприятий", ^ - |

^ в научно-технической сфере *

Федеральное агентство по образованию \ / Федеральное агентство по науке и инновациям

0 ; ' ' I1. - - * \Л; 1 . " ^ / ' ; '] > ь 8

ч; »«л «.„ 1 * и : ^-а » I** * I— и : ] и * ^ i I

• I/ . ' -" ■» - • . ■ ' - . •. • ••• ■ . •• , -•.••"„ г. -V... ..г;,- - . Т-.- ...---..•>. • V • V •

§ ' ^" -й

1 НАГРАЖДАЕТСЯ 'Л

0 ~ к

§ $

£ Абрамов Алексей Михайлович ^

Г -:---:-* 8

К • - 3

§ _РГРТУ _- -:-: -1

Ь ....................... 1111 -—:— ^ 0

¡5 Победитель(и) программы «Участник Молодежного , ' Ь

Ь Научно-Инновационного Конкурса» («УМНИК») «•[

'т "* к

3 Председатель ^ - г- •

б оргкомитета Программы ''""У И.М. Бортник Н

^ ~ /-« ./у> Х'^Дч • • И

М Генеральный директор \ '

Фонда содействия развитию ,':'*

К малых форм предприятий ""л; . • - ь'

^ в научно-технической сфере С.Г. Поляков ^

'я -

О б * л л V «¡у-

5 ^ --------^ Х--'^ Ц

С1 Т -

я - г'-) ^ •• • к

л г т I- С4-» - " Ч

к - ' \ '--V- -Л ^ Я

' \ ^ ■ , > • >1

Я Х'Уф; \ I ■ V

3 ■ \ о с-4 ^ •' > • . ^

Й " - "