Реферат: Измеритель отношения сигнал/шум ТВ канала

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема: “Модульизмерения отношения сигнал/шум “

Содержание.

1. Введение. стр 2 2. Назначение и область применения. стр 2 3. Анализ метода определения отношения сигнал/шум. стр 3 4. Обзор и анализ аналогичных устройств. стр 5 5. Обоснование выбора структурной схемы. стр 15 6. Предварительный анализ погрешностей. стр 18 7. Разработка функциональной схемы. стр 24 8. Разработка принципиальной схемы. стр 26 9. Анализ погрешностей. стр 34 10.Метрологическое обеспечение. стр 41 11.Расчет параметров надежности. стр 44 12.Технико-экономическое обоснование. стр 53 13.Анализ рабочего места стр 66

Аннотация.

Вдипломной работе выполняется проектирование модуля измерения отношениясигнал/шум — измерительного прибора предназначенного для эксплуатации ваппаратных телецентров Украины. Этот прибор должен заменить находящийся сейчасв эксплуатации прибор ИСШ-4, который является не экономичным моральноустаревшим и не достаточно точным.

1. Введение.

Разрабатываемоесредство измерения — модуль измерения отношения сигнал/шум (в дальнейшем модульизмерения ОСШ) является стационарным, рабочим средством измерения,предназначенное для замены морально устаревшего и не экономичного модуляизмерения отношения сигнал/шум ИСШ-4, методическая база которого легла воснову данного проекта.

2. Назначение иобласть применения разрабатываемого модуля измерения отношения сигнал/шум.

Модуль измерения ОСШпредназначен для автоматического цифрового измерения отношения размахавидеосигнала к эффективному значению помехи на деталях статическоготелевизионного изображения, а также в интервале кадрового гасящего импульса вовремя передачи телевизионной программы. Величина отношения сигнал/шум (ОСШ)может быть измерена относительно размаха видеосигнала между уровнями: а)гашенияи белого; б)черного и белого; в)гашения и белого в интервале кадрового гасящегоимпульса. Модуль измерения ОСШ может быть использован для измерения ОСШ всигнале монохромного телевидения на выходе любого источника видеосигнала илилюбого участка тракта изображения аппаратно-студийного комплекса телевизионногоцентра или передвижной телевизионной станции; в первичных сигналах (R,G,B)цветного телевидения на соответствующих выходах камерного канала илидекодирующего устройства; на выходе телекинопроекционной аппаратурывидеомагнитной записи; на выходах оконечных и промежуточных пунктовтелевизионных линий связи в процессе передачи телевизионной программы и припередаче типовых испытательных сигналов. Кроме того модуль измерения ОСШ можетбыть использован в лабораториях и на заводах-изготовителях при разработке ипроверке телевизионной передающей аппаратуры. Предназначение данной разработкисостоит в модернизации находящегося в эксплуатации на теле-визионных центрахУкраины модуля измерения ОСШ — ИСШ-4, перевод блоков прибора на современнуюэлементную базу с другими схематическими решениями, изменении функциональных ипринципиальных схем блоков существенно влияющих на погрешность измерения.

3. Анализ методаопределения отношения сигнал/шум .

Отношение сигнал/шумв телевидении определяют как отношение размаха видеосигнала между уровнямибелого и гашения (или черного) к эффективному значению шума .

Отношение сигнал/шум выражают в децибелах в соответствии с выражением (3.1):

/>/>=/>(дБ) (3.1)

где Uc -размах видеосигнала

Uэ.ш. -эффективная величинашума.

Под эффективной величиной шумаподразумевается средне-квадратическое значение амплитуды шума.

Выражение (3.1) имеетв правой своей части две переменные величины, в следствии чего вычисленияпотребуют больших затрат, чем если бы в правой выражения (3.1) была бы однапеременная величина. Поэтому есть смысл пронормировать одну из величин и таким образом облегчить процесс обработки информации. Так как видеосигналявляется более стационарным по сравнению с шумом, есть смысл нормировать именноего. Таким образом автоматическое поддержание постоянным размаха видеосигналазаменяет собой измерение размаха видеосигнала. При этом измерение отношениясигнал/шум сводится к измерению величины шума, и алгоритм (3.1) преобразуется валгоритм :

/>= /> (3.2)

где Во -константа.

Обработка шума сцелью определения эффективной величины шума в формуле (3.2) осуществляется спомощью стробоскопического метода [ 1 ], суть которого состоит в выборкемгновенных некоррелированных значений шума с частотой повторения сигнала и взапоминании выбранных значений на время между выборками. Таким образом, периодвыборки должен быть равен периоду повторения кадров, длительность интервалавыборки должна быть менее длительности изображения.

Возможностьиспользования стробоскопического метода основана на том, что шум принимаетсяэргодическим стационарным случайным процессом, а статистические характеристики(среднее значение и дисперсия) такого случайного процесса, полученные врезультате усреднения его во времени на отрезке реализации, совпадают сполученными в результате усреднения по совокупности его выборочных мгновенныхзначений.

Таким образомдальнейшее измерение эффективной величины шума производится в соответствии салгоритмом (3.3):

Uэш=/>

(3.3)

где Uk — амплитуда k выборки

k = 1...n, а n — число выборок мгновенных некоррелированных значений за цикл измерения.

При использованииалгоритма (3.3) нет необходимости производить как промежуточную операциюопределение среднего значения или центрирование шума.

Алгоритм измеренияОСШ (3.2) принимает с учетом алгоритма (3.3) вид :

/>=/>

(3.4)

где R=2В — константа.

Затем полученныерезультаты преобразуется в цифровой код и алгоритм (3.4) принимает вид:

/>=/>,

(3.5)

где F=/>-константа, К — коэффициент преобразования аналог-код.

Таким образом данныйалгоритм вычисления отношения сигнал/шум является простым, эффективным, иудобным в реализации аппаратными средствами. Так как целью разработки являетсямодернизация модуля измерения ОСШ — ИСШ — 4 реализующего данный метод, то воснову разработки ложится именно этот метод.

4. Обзор и анализаналогичных устройств.

Разрабатываемое СИявляется прибором с узкой специализацией, предназначенное, в основном, толькодля работы в аппаратных телевизионных центров. Поэтому дополнение его функцийкак измерителя отношения сигнал/шум какими-либо дополнительными функциямиявляется нецелесообразным, так как необходимость этих функций в условияхпередвижных телестанций не велика, а в стационарных условиях вообще мала. Такимобразом использование на телевидении Украины измерителя ОСШ фирмы “Роде иШварц” (“Rohde&Schwarz”), превосходящего по своим характеристикам разрабатываемыймодуль является непозволительной роскошью ввиду высокой стоимости,необходимости специальной подготовки оператора (знание немецкого языка,вычислительной техники), специальной подготовки персонала для техническогообслуживания на фоне более высокой, но не всегда необходимой, точностиизмерения и не всегда необходимой многофункциональности. Таким образом можноприйти к выводу, что продукция таких известных производителей измерительнойтехники, как “TESLA” и “HEWLETT-PACKARD” не будет применяться в АСБтелецентров Украины пока не возникнет острая необходимость в приборах такойточности.

Альтернативой методаописанного выше может быть метод который решает задачу измерения ОСШ прямо. Подэтим подразумевается то, что для измерения ОСШ производится измерение амплитудывидеосигнала, одновременно измерение величины среднеквадратического значенияамплитуды шума, затем производится операция деления результатов измерения,после чего производится накапливание и результатом измерения ОСШ принимаетсяматематическое ожидание совокупности результатов вычисления формулы 3.1 длякаждой выборки.

Недостатки этогометода по сравнению с описаным выше методом очевидны:

* необходимостьдвух измерительных каналов, что, естественно нежелательно с точки зрениянадежности, схемотехники и даже экономики;

* наличиеоперации деления в которой один операнд значительно больше другого (как минимумв 10 раз), что приведет к увеличению погрешности;

* такженедостатком можно считать отсутствие преймуществ перед описаным выше методом.

Отечественныманалогом разрабатываемого модуля измерения ОСШ является прибор ИСШ-4.Структурная схема измерителя ИСШ-4 состоит из аналоговой измерительной части(блоки усиления и модуляции), цифровой измерительной части (блок автоматическойрегулировки усиления, арифметический блок, буферный счетчик, блокдешифраторов) и вспомогательной части (блок управления, блок выделениясинхросигнала, блок синхронизации). Структурная схема модуля измерения ОСШизображена на рисунке 4.1.

Функциональная схемамодуля измерения ОСШ изображена на рисунке 4.2.

Видеосигнал (рис. 4.3а) со входа измерителя “Вход видео” поступает на входные каскады 1, гдеусиливается до требуемого для подачи на блок фильтра 11 уровня. С выхода блокафильтра 11 видеосигнал, отфильтрованный в требуемой полосе частот поступает навход усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 2, на выходе которогоразмах видеосигнала поддерживается постоянным и равным эталонной величине Во.Импульсный сигнал управления коэффициентом передачи усилителя 2 “Сигнал АРУ”формируется цифровым устройством АРУ 8 блока автоматической регулировкиусиления в результате сравнения видеосигнала “Видео сравн.” с выхода усилителя2 с эталонным напряжением Во. Автоматическое поддержание постояннымразмаха видеосигнала входе измерительного тракта заменяет собой измерениеразмаха видеосигнала. При этом измерение отношения сигнал/шум сводиться кизмерению величины шума, и алгоритм (3.1) преобразуется в алгоритм (3.2).

Видеосигнал, размахкоторого между уровнями гашения и белого (или черного и белого) равен величинеВо, поступает через потенциометр оперативной калибровки “Калибр” наодин вход строб-схемы 3. На другой вод схемы 3 с выхода формирователя поступаютстроб-импульсы (рис.3г), частота повторения которых — 25Гц, а длительность — примерно 4 мкс. Местоположение строб-импульсов можно менять вручную в пределахвсего растра. Строб-импульсы подаются также на вход схемы замешивания метки 25селектора, где суммируются с видесигналом. С выхода схемы 25 видеосигналпоступает на коаксиальное гнездо “Видео ВКУ”, к которому подключаетсявидеоконтрольное устройство (ВКУ). Замешанный в видеосигнал строб-импульсиндицируется на экране ВКУ в виде яркостной метки, по положению которой нарастре определяют участок изображения, выбранный для измерения на нем уровняшума. Этот участок изображения должен иметь постоянную яркость на всемпротяжении яркостной метки, а соответствующий участок видеосигнала — неизменныйразмах во временном интервале строб-импульса. На выходе схемы 3 в интервале строб-импульсавыделяется сигнал, представляющий собой пьедестал, размах которогопропорционален размаху видеосигнала в интервале стробирования, с наложенным нанего шумом (рис.4.3д). Пьедестал с наложенным на него шумом подается наусилитель 4, на входе которого происходит автокомпенсация пьедестала.Стробирование видеосигнала с последующей автокомпенсацией пьедестала, т.е. сустранением информации о видеосигнале, позволяет выделить шум из видеосигнала,а также использовать линейную часть динамической характеристики каскадов 4 и 6целиком для обработки шума.

Обработка пакета шумана выходе усилителя 4 с целью определения эффективной величины шума в формуле(3.2) осуществляется с помощью стробоскопического метода, суть которого состоитв выборке мгновенных некоррелированных значений шума с частотой повторениясигнала и в запоминании выбранных значений на время между выборками. Такимобразом, период выборки должен быть равен периоду повторения кадров,длительность интервала выборки должна быть менее длительности элементаизображения. Возможность использования стробоскопического метода основана натом, что шум является эргодическим стационарным случайным процессом, астатические характеристики (среднее значение и дисперсия) такого случайногопроцесса, полученные в результате усреднения его во времени на отрезкереализации, совпадают с полученными в результате усреднения по совокупности еговыборочных мгновенных значений.

Выборка мгновенныхнекоррелированных значений шума и запоминание их на время между выборками производитсяследующим образом. Пакеты усиленного шума (рис.4.3е) с выхода каскада 4поступают на один вход амплитудно-импульсного модулятора (АИМ) 6, на другой еговход поступают импульсы выборки с выхода формирователя 5 (рис 4.3ж). Частотаповторения импульсов выборки — 25Гц., а длительность на уровне амплитуды — приблизительно 20нс. Формирователь 5 запускается строб-импульсами с выходаформирователя 7 и обеспечивает положение импульса выборки посередине временногоинтервала строб-импульса.

На выходе АИМ образуютсяимпульсы, модулированные по амплитуде шумом (рис.3 з), т.е. размах каждого изэтих импульсов Uк пропорционаленмгновенной величине шума в момент выборки

Uk/>Uш.р-р />/>

где k=1....n, n — число выборок мгновенных значений некоррелированных значений за цикл измерения.

Модулированные шумомимпульсы поступают на пиковый детектор 7, который осуществляет “запоминание”размаха каждого очередного импульса до прихода последующего, т.е. в моментприхода k-го импульса на выходе пикового детектора формируется напряжение Uk, а предыдущеенапряжение принудительно сбрасывается (рис.4.3и; рис.4.4б). В момент прихода(к+1)-ого импульса сбрасывается напряжение Uk и формируется Uk+1.

Таким образом, навыходе детектора 7 формируется преобразованный шум — дискретный случайныйпроцесс, име-ющий те же статистические характеристики (среднее значение идисперсию), что и шум на входе измерителя.

Дальнейшее измерениеэффективной величины шума производится в соответствии с алгоритмом (3.3), прииспользовании которого нет необходимости производить, как промежуточнуюоперацию, определение среднего значения, или центрирование, преобразованногошума. Алгоритм измерения ОСШ (3.2) принимается с учетом алгоритма (3.3) вид(3.4).

Операция вычитания,возведения в квадрат, суммирование и логарифмирование в последовательности,определенной алгоритмом (3.4), осуществляют цифровые блоки измерителя.Предварительную трансформацию преобразованного шума в цифровой код производятширотно-импульсный модулятор 10, расположенный в блоке автоматическойрегулировки усиления, и преобразователь длительность-код 12, расположенный наплате вычитателя и квадратора арифметического блока.

Широтно-импульсныймодулятор запускается строб-импульсами с выхода формирователя 9. На выходемодулятора 10 образуется широтно-модулированные импульсы (рис.4.4в),длительность которых пропорциональна размаху преобразованного шума в моментзапуска модулятора 10, т.е.

/> (4.1)

где к=1....n.

Широтно-модулированныеимпульсы поступают на преобразователь длительность-код 12, на выходе которогоформируется число-импульсный код шума, представляющий со-

бой пачки (рис.4.4г), число импульсов вкоторых Nk пропорциональновеличинам, т.е.

с учетом (4.1)

где К — коэффициентпреобразования аналог-код.

После преобразованияаналог-код алгоритм (3.4) принимает вид :

/>где />

На выходе вычитателя13 формируется число-импульсный код разности двух соседних кодов шума(рис.4.4д), т.е. пачки, число импульсов в которых Nk определяется всоответствии с выражением (4.2) :

/>/> (4.2)

где к=1....n.

Квадратор 14производит возведение в квадрат число-импульсных кодов разностей, поступающихна его вход с выхода вычитателя 13. На входе квадратора 14 формируются пачки(рис.4.4е), число импульсов в которых Nk определяется всоответствии с выражением (4.3):

/> (4.3)

где к=1....n.

С выхода квадраторачисло-импульсный код подается на вход буферного счетчика 17 блока дешифраторов.Счетчик 17 выполняет две операции: суммирование за цикл измерения (накопление)кода квадратов разностей N и деление накопленного числа импульсов на n, т.е. навыходе счетчика образуются импульсы, число которых за весь цикл измерения Nопределяется в соответствии с выражением

/>.

Логарифмированиечисла N в соответствии с алгоритмом производится блоком дешифраторов, а затемдешифрированный код выводится на индикатор. Не пригодность прибора ИСШ-4заключается в его недостаточной точности, неэкономичности и сложностисхемотехники, что затрудняет техническое обслуживание и ремонт.

5. Обоснование выбораструктурной схемы модуля измерения ОСШ.

Так как методизмерения в разрабатываемом приборе будет такой же как в приборе ИСШ-4, топринципиально схема не изменяется. Структурная схема модуля измерения ОСШизображена на рисунке 5.1.

Для обеспеченияточости обработки сигнала и требований предъявляемых в ТЗ к входным параметрамразрабатываемого прибора входной сигнал подается на элемент структурной схемы — входной усилитель. Задачей которую должен решить этот блок является усилениевходного сигнала и его отбор для дальнейшей обработки по выделениюсинхросигналов, а также обеспечение соответствия входного сопротивления иемкости данным указанным в ТЗ.

Для обеспеченияработы всей схемы обработки алгоритма 3.5 вводится блок выделениясинхросигналов. Блок выполняет задачу синхронизации всего процесса измерениялибо с внешним источником синхронизации либо внутренне от импульсовсинхронизации кадров и строчных синхроимпульсов входящих в состав полноговидеосигнала. В функции этого блока входит также вывод на внешнеевидеоконтрольное устройство (ВКУ) яркостной метки, указывающей место растра,где происходит измерение величины ОСШ. Выходными сигналами блока являетсясинхроимпульс строки в которой производится измерение величины ОСШ исинхроимпульс по которому производится стробирование сигнала.

После блока входногоусилителя полный видеосигнал попадает на первый коммутатор, задачей которогоявляется выделение из полного видеосигнала сигнала строки в которойпроизводится измерение.

Затем сигналвыделенной строки подается на устройство линейного сравнения и компенсации(УЛСК) которое производит нормировку в соответствии с формулой 3.2 икомпенсацию величины Во в составе сигнала выделенной строки.

После этого сигналподается на второй коммутатор, который должен произвести стробирование припоступлении синхронизирующего импульса от блока выделения синхро-сигналов.Выходной величиной блока является Uk.

Для обеспечениядальнейшей обработки выборок шума, которая является уже чистоматематически-статистической, производится преобразование аналог-код. Для этоговводится блок аналого-цифрового преобразования (АЦП) результатом работыкоторого является код соответствующий Uk — Nk.

В дальнейшем Nkподается на блок цифровой обработки и управления (БЦОиУ). Функциями блокаявляется накопление массива Nk, вычисление ОСШ по формуле 3.5 посовокупности выборок Nk, управление УЛСК, выдача результатаизмерения на отображающее устройство.

И последним блокомструктурной схемы является устройство отображения результата измерения (УОРИ).

6. Предварительныйанализ погрешностей.

Упрощеннаяструктурная схема модуля измерения ОСШ для предварительного анализапогрешностей имеет вид:

где, 1 - входной усилитель 2 - коммутатор 1 3 - УЛСК 4 - коммутатор 2 5 - АЦП 6 - цифровой блок и блок индикации

аддитивные приведенные погрешности i — го блока.

Структурная схемаявляется разомкнутой.

Уравнениепреобразования для приведенной выше схемы имеет вид:

где К1 — К6коэффициенты преобразования соответствующих блоков.

Таким образом суммарная мультипликативнаяпогрешность прибора равна:

где /> коэффициентывлияния соответствующего блока на погрешность в целом.

Определимкоэффициенты влияния /> первого блока намультипликативную погрешность

Аналогично />.

Для мультипликативныхпогрешностей

Суммарнаясистематическая погрешность

Суммарная случайнаяпогрешность (предварительно предположив нормальный закон распределенияпогрешностей блоков):

/>, где

/> — среднеквадратическоеотклонение случайной состав-ляющей мультипликативной погрешности i — блока.

/> — коэффициент,учитывающий вид закона распределения и доверительную вероятность (Р=0,997;k=3).

По требованию ТЗпредел относительной допускаемой основной погрешности

/>%

где,

/> — нормирующее значение ОСШ

/> — результат измерения ОСШ.

Общая допустимаямультипликативная погрешность

/>/>

Распределиммультипликативную составляющую погрешности таким образом:

/>/>

Тогдамультипликативная составляющая систематической погрешности между блоками схемыраспределена следующим образом:

/>/>

Для аддитивнойпогрешности: (Uвх=0)

где /> - аддитивнаяпогрешность, действующая на вход i — го блока.

Приведенная ко входу устройства аддитивная погрешность:

Относительнаяприведенная ко входу аддитивная погрешность:

Номинальныекоэффициенты предачи блоков 2,4,5,6 равны 1.

Тогда уравнение дляаддитивной погрешности упрощается:

Основное влияние наобщую аддитивную погрешность вносят /> так как в первом блоке происходитумножение на К1. Следовательно, основное внимание необходимо уделитьуменьшению этой погрешности.

При номинальномзначении Uвх (т.е. при К3=1 )

где /> аддитивная погрешность i- го блока.

Случайнуюсоставляющюю аддитивной погрешности, предположив ее нормальный законраспределения можно найти как:

/>.

Суммарнаяотносительная аддитивная погрешность по ТЗ не должна превышать 1%.

Распределим этупогрешность следующим образом:

/> (определяется шумами и />/>квантования)

/>(определяетсянапряжением смещения операцион-ных усилителей и т.п.).

Оцениваю /> вносимуюиндикатором результата измерения. По требованиям ТЗ индикатор должен бытьтрехразрядным и цена разряда равняется 0,1 dB. Следовательно индикатор будетвно-сить погрешность квантования индикации результата измерения равную 0,25%.

/>/>/>

На основаниипредположений о законе распределения погрешности оцениваю необходимуюразрядность АЦП

Деление на 1,5необходимо для того, чтобы остался запас по погрешности для остальных блоков идругих составляющих.

Разрядность АЦП равна

Итак, необходимаяразрядность АЦП — 10 разрядов.

На остальныеслучайные составляющие аддитивной погрешности приходиться

/>/>

То есть необходимо,чтобы выполнялось условие

Оценим допустимыйуровень паразитных шумов (максимальное значение)на входе коммутаторов:

при Uвх ном=12В

/>.

Исходя из этихданных, можно выбрать элементарную базу (коммутаторы и операционныеусилители).

Для систематическойсоставляющей аддитивной погрешности:

Так как первый блокработает с малым входным сигналом, то

Оценим требования кнапряжению смещения нуля опера-ционных усилителей (при Uвх ном =12В)

во всем температурномдиапазоне.

Аналогичноопределяется максимально допустимое остаточное напряжение на электронных ключахкоммутатора:

/>/>

7. Разработкафункциональной схемы модуля измерения ОСШ.

Функциональная схемаразрабатываемого модуля измерения ОСШ будет содержать многие общие с приборомИСШ-4 детали, но ввиду изменения принципа обработки сигнала есть необходимостьполностью пересмотреть функциональную схему измерительной части.

До какой-либообработки видеосигнала предусматривается усиление его величины. Это необходимодля того, чтобы дальнейшая обработка производилась с сигналом достаточнобольшого уровня, что обеспечит большую точность при преобразовании сигналадругими блоками. Для этого на входе схемы установлен предварительный усилительс фиксированным коэффициентом усиления. Затем сигнал поступает на блоквыделения синхросигналов и на устройство линейного сравнения и компенсации(УДСК). Блок УЛСК состоит из дифференциального усилителя, компараторанапряжения (КН), меры, генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН),устройства выборки и хранения (УВХ). Все эти элементы предназначены выполнитьзадачу приравнивания величины видеосигнала к постоянной величине Во.На этом этапе ведется обработка уже не полного видео сигнала, а только сигналастроки в которой производится измерение ОСШ. Поэтому перед входомдифференциального усилителя включается ключ, управляемый от блока выделениясинхросигналов и открытый только на время прохождения сигнала строки в которойизмеряется ОСШ. Автоматическое регулирование уровня сигнала строки происходиттаким образом: в начальном состоянии ГЛИН сброшен в ноль и на один входдифференциального усилителя приходит ноль. Выход усилителя подключен ко входукомпаратора напряжения, который сравнивает полученный сигнал с постояннойвеличиной Во. Cигнал несущий информацию сравнения управляет ГЛИНом.В тот момент когда сигнал строки станет равным Во, сигнал управленияс компаратора пропадет и величина напряжения на выходе ГЛИНа будет храниться вУВХ до конца цикла измерения. Таким образом пронормированный сигнал поступает визмерительный блок. Измерительный блок состоит из аналого-цифровогопреобразователя (АЦП), генератора опорного напряжения и генератора тактовыхимпульсов. Также для реализации стробоскопического метода перед АЦП стоит ключуправляемый от схемы перемещения по строке блока выделения синхросигналов.После преобразования аналог-код информация о сигнале поступает в блок цифровойобработки сигнала состоящий из регистра хранения данных, арифметико-логическогоустройства (АЛУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативногозапоминающего устройства (ОЗУ). В этом блоке происходит реализация алгоритма(3.5) и вычисление результата измерения, который в дальнейшем выводиться наотображающее устройство.

Функциональная схемамодуля измерения ОСШ изображена на рисунке 7.1.

8.Разработкапринципиальной схемы измерительного блока модуля измерения ОСШ.

Входной усилительсостоит из усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, который необходимдля предва-рительного усиления полного видеосигнала. Такая необходимостьобусловлена точностными требованиями, которые в дальнейшем будут предъявленысистеме АРУ.

Этот усилительсостоит из прецезионного усилителя, собранного на операционном усилителе (ОУ).Для построения выбрана интегральная микросхема (ИМС) КР140УД1101, котораяотвечает требованиям, предъявляемым к этому усилителю в связи с необходимостьюработы в частотном диапазоне видеосигнала. ИМС КР140УД1101 представляет собойбыстро-действующий операционный усилитель, имеющий повышенную скоростьнарастания выходного напряжения (50В/мксек.) и малое время установления.Коэффициент усиления выбран равным 15. Это связано с необходимостью достичь навыходе усилителя амплитуды сигнала близко 12В. Так как стандартный уровеньбелого в видеосигнале равен 0,7В, коэффициент усиления равен />./>Принципиальнаясхема входного усилителя изображена на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1.

Схема включения ОУпредставляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления равнымотношению

/>/>.

Исходя из R1=15Ком.

/>Ком.

Сопротивление R3выбрано исходя из требования ТЗ о входном сопротивлении прибора.

Усиленный донеобходимой величины сигнал подается на коммутатор, функция которогозаключается в выделении из сигнала только части, которая несет в себеинформацию строки в которой производится измерение ОСШ. В качестве такого ключаиспользуется ключ на МДП-транзисторах с индуцированным затвором р-типа, которыйвходит в состав микросхемы К547КП1А. Ключ управляется блоком выделения строки.

После коммутаторасигнал выделенной строки подается на схему устройства линейного сравнения икомпенсации (УЛСК).

Принципиальнаясхема УЛСК изображена на рисунке 8.2.

УЛСК состоит издифференциального усилителя на ОУ DA2, в качестве которой также используется ИМСКР140УД1101, компаратора напряжения, источника напряжения Во,интегратора и устройства выборки и хранения.

Сигнал выделеннойстроки пройдя через дифференциальный усилитель подается на компараторнапряжения, в качестве которого используется ИМС К521СА4 (DA3). Компараторсрав-нивает значение сигнала с опорным напряжением, которое соответствует Во.В данном случае величина опорного напряжения выбрана равной 12В. Наличиеопорного напряжения обеспечивает ИМС КР140УД17Б (DA4) на которой собранвысоко-стабильный источник опорного напряжения.

В случае есливеличина сигнала выделенной строки меньше Во компаратор вырабатываетсигнал, который запускает генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН)который собран на ИМС КР140УД22 (DA5). Величину выходного напряжения ГЛИНахранит устройство выборки и хранения на ИМС КР140УД1208 (DA6). Это напряжениепоступает на один из дифференциальных входов ИМС DA2. Величина выходногонапряжения на выходе DA2 равна

(8.1) где,

/> - напряжение поступаемое с ГЛИНа;

/> - напряжение на входе блока УЛСК.

Так как напряжение Uару возрастает, возрастает и выходное напряжение и наступит момент, когданапряжения на входах уравняются и тогда устройство выборки и хранениязафиксирует величину напряжения до конца цикла измерения.

Для того чтобы вовремя когда сигнал выделенной строки отсутствует ГЛИН не работал, предусмотрена блокировка выходов компаратора сигналом с блока выделения строки.

Величина резисторовR5,R6,R7,R8, которые влияют на коэф-фициент усиления дифференциальногоусилителя выбраны таковыми, что при величине Uвх=12В коэффициент усилениядиф-ференциального усилителя равен 1.

Исходя из формулы(8.1)

при Uару=0

/> />

R5=R6=R7=R8=15Ком.

Далее необходиморасчитать источник опорного напряжения на DA4. Величину выходного напряжениязадают резисторы R9,R10,R11. Номинал резисторов находится по формуле

/>/>

В схеме примененстабилитрон КС147А,

Величина этогорезистора подбирается при настройке, поэтому в схему устанавливаетсяподстроечный резистор.

/> />

Сигнал последифференциального усилителя попадает на вход компаратора напряжения, гдесравнивается с Во. Результат сравнения на выходе появляется в виде:

если

/>,

если

/>.

/>Этот сигнал попадаетна вход интегратора напряжения собран-ного на ОУ. Для уменьшения влияния шумовперед входом интегратора включена RС цепочка.

Функция устройствавыборки и хранения состоит в том, чтобы в начале цикла измерения в теченииопределенного времени произвести подстройку системы, которая заключается вобеспечении амплитуды выделенной строки после дифференциального усилителяравной Во. Длительность цикла подстройки равна 5 секундам. Частотакадровой развертки отечественного стандарта равна 50 Гц, за интервал междудвумя кадровыми импульсами проходит 312,5 строк, вторая половина растрапроходит в следующий интервал. Из этого следует что определенная строка следуетс частотой 25 Гц. Значит в течении интервала 5 сек. строка в которой проводитсяизмерение появится 20 раз. Из этого следует, что скорость нарастания выходногонапряжения ГЛИНа должна быть такой, чтобы к концу интервала в 5 сек. выходноенапряжение ГЛИНа достигло максимума диапазона амплитуды (12В). Длительностьимпульса строки равна 60 мксек. Следовательно суммарное время работы ГЛИНаравно 1,2 мсек. Для сброса заряда конденсатора по окончанию цикла измеренияпредусматривается шунтирование его управляемым ключом. Схема ГЛИНа представленана рисунке.

Необходимо расчитатьпараметры RС цепи образующей парралельную отрицательную обратную связь понапряжению. Выходное напряжение определяется выражением:

Приняв С=0,1мкФопределяю R

Схема устройствахранения значения выходного напряжения ГЛИНа является типовой схемой включениямикросхемы КР140УД1208 и описана в { }.

После УЛСКпронормированный сигнал выделенной строки подается на инвертирующий входдифференциальный усилитель также собранный на ИМС КР140УД1101. Задачей этогоусилителя является компенсация в сигнале величины собственно видеосигнала иусиление оставшегося сигнала, являющегося по сути измеряемым шумом, до величиныдинамического диапазона аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Таким образомнеоб-ходимо определиться с выбором АЦП. Исходя из требований к быстродействию ик разрядности АЦП выбирается СБИС десяти разрядного АЦП считывания КМ1107ПВ6.Максимальная частота преобразования этой СБИС — 15 Мгц, диапазон входногонапряжения 0....-3В.

Таким образомдифференциальный усилитель должен усилить компенсированный сигнал максимум до-3В.

Принципиальная схемадифференциального усилителя показана на рисунке 8.3.

Рисунок 8.3.

Исходя из диапазона вкотором будут производиться измерения ОСШ и величины видеосигнала можносказать, что величина Uшум на данном этапе не будет превышать 1,2В.Значит коэффициент усиления должен составлять 2,5.

Функция компенсациивидеосигнала выполняется подачей на неинвертирующий вход дифференциальногоусилителя величины Во с источника опорного напряжения описанноговыше.

Величина резисторовR1,R2,R3,R4, которые влияют на коэф-фициент усиления дифференциальногоусилителя выбраны исходя из формулы:

R1=R3=7,5Ком

R2=R4=3Ком.

Схема включения АЦПявляется типовой и расчета не требует за исключением расчета источника опорногонапряжения собранного аналогично источнику Во.

Величину выходногонапряжения задают резисторы R46,R47,R48. Номинал резисторов находится поформуле

/>/>

В схеме примененстабистор КС113А,

Величина этогорезистора подбирается при настройке, поэтому в схему устанавливаетсяподстроечный резистор.

/> />.

После АЦП происходитобработка сигнала уже в виде кода в цифровой части прибора.

Укрупненнаяфункциональная схема блока цифровой обработки сигнала изображена на рисунке8.4.

где, ГТЧ генератор тактовой частоты АЛУ арифметико-логическое устройство УВВ устройство ввода-вывода ПЗУ постоянное запоминающее устройство ОЗУ оперативное запоминающее устройство.

Десятиразрядный кодот АЦП постурает на входные регистры которые помимо функции хранения кода междувыборками выполняют функцию мультиплексирования сигнала из 10 в 8.

Функции ЦПУ,ОЗУ, ПЗУ, УВВ выполняет СБИС однокристаль-ной восьмиразрядной микро-ЭВМКМ1816ВЕ48.

Эта микросхемавыбрана исходя из требований к объему ПЗУ, ОЗУ, а также, что не мало важно, точто эта СБИС имеет перепрограмируемое ПЗУ. Этот параметр имеет большоезначение так как предполагается не большое количество изготовляемых приборов.

Десять разрядов кода сАЦП поступают на регистры и по заднему фронту строб-сигнала записываются изапоминаются до прихода следующего импульса. Код считывается в однокристальнуюЭВМ в такой последовательности:

по приходу сигнала смикро-ЭВМ на чтение памяти считывается младшие восемь разрядов;

разряды 9 и 10выставляются на шину по приходу сигналаТ1 вместе с сигналом чтения памяти.

На время чтениярегистров выходы незадействованного регистра переводятся в Z-состояние.

Микро-ЭВМ производитоперации запоминания предыдущего значения NK, вычисление разности Nk и Nk-1,суммирование разностей, вычисление корня суммы и дальнейшие вычисления поформуле 3.5.

Результат измеренияпоявляется в виде 12 разрядного двоично-десятичного кода на выводах портов 1 и2 микро-ЭВМ.

Этот код подается надешифраторы КР555ИД18 предназначенные для преобразования двоичного кода в коддля семисегментных индикаторов АЛС324Б.

9. Анализ погрешностимодуля измерения ОСШ.

9.1. Погрешностьвходного усилителя.

9.1.1.Погрешность отконечного усиления ОУ.

Погрешность отконечного усиления определяется по формуле:

/>;

где К — коэффициентусиления на частотах измерения

/> - коэффициент передачиобратной связи.

Коэффициент усиленияОУ КР140УД1101 на рабочей частоте равен 50000.

Погрешность похарактеру мультипликативная, систематическая.

9.1.2. Погрешность отнапряжения смещения ОУ.

Погрешностьопределяется по формуле:

/>.

Для КР140УД1101 />3мВ. Тогда:

Дополнительнаятемпературная погрешность от дрейфа напряжения смещения ОУ равна:

где /> — температурный дрейфКР140УД1101 — 50 мкВ/оС;

/>= 5o

где /> — минимальная, максимальнаяи нормальная рабочая температура окружающей среды соответственно.

/>/>

9.4.Расчетпогрешностей коммутатора.

9.4.1. Расчетпогрешности от сопротивления открытого ключа.

Т.к. выходноесопротивление источника сигнала мало по сравнению с сопротивлением закрытогоключа Rз, то можно записать для коэффициента передачи коммутатора:

В идеальном случае Rо= 0; R3 равно бесконечности и К=1. Тогда погрешность :

Для микросхемыК547КП1А Rо<100 Ом;R3>20 Мом.

/>Погрешностьмультипликативная систематическая.

9.2.2.Расчетпогрешности от закрытого ключа.

Коэффициент передачиравен:

В идеальном случае R3равно бесконечности и К=0. Тогда

/>/>

/>Погрешностьмультипликативная систематическая.

9.2.3.Погрешность отостаточного напряжения на ключах коммутатора.

Uост<10мкВ (для К547КП1А)

Тогда погрешность:

Эта погрешность носитхарактер аддитивной случайной.

9.3. Погрешностидифференциального усилителя.

9.3.1. Погрешность отразброса параметров резисторов обратной связи.

Эту погрешность можнооценить, предположив нормальный закон распределения по формуле:

/>/>

где /> погрешность i-го резистора.

При />

Погрешностьмультипликативная систематическая.

9.3.2.Погрешность отконечного петлевого усиления.

Погрешность отконечного петлевого усиления определяется по формуле:

где К — коэффициентусиления ОУ на рабочей частоте.

/> =1

/>/>

Погрешностьмультипликативная систематическая.

9.3.3.Погрешность отнапряжения смещения ОУ.

Эта погрешность похарактеру аддитивная, систематическая.

Для КР140УД1101 />3мВ. Тогда:

Дополнительнаятемпературная погрешность от дрейфа напряжения смещения ОУ равна:

где /> — температурный дрейфКР140УД1101 — 50 мкВ/оС;

/>= 5o

где /> — минимальная, максимальнаяи нормальная рабочая температура окружающей среды соответственно.

/>/>

9.4.Погрешностьустройства сравнения.

Вносимая устройствомсравнения погрешность является аддитивной систематической и возникает она из-занапряжения смещения нуля микросхемы КФ1053СА1.

Uсм<6мВ

9.5.Погрешность устройства выборки и хранения.

Эквивалентная схемаустройства выборки и хранения (УВХ) представлена на рисунке 9.1.

На схеме принятыследующие обозначения

К — ключ

Схр

— емкость хранящего конденсатора R — эквивалентное сопротивление зарядной цепи

Rвх

— эквивалентное сопротивление нагрузки цепи ОУ — операционный усилитель.

9.4.1.Погрешностьиз-за недозаряда конденсатора .

Заряд емкостипроисходит по закону:

где tинт — время интегрирования;

t=R*Схр.

Емкость заряжается поэтому закону до тех пор, пока выходное напряжение не станет равным входному,но с противоположным знаком. Это задано резисторами обратной связи, непоказанными на эквивалентной схеме.

Погрешность из-занедозаряда конденсатора обусловлена конечным временем выборки tинт.

По характерупогрешность мультипликативная случайная.

9.4.2. Погрешностьиз-за разряда конденсатора.

Погрешность возникаетиз-за конечного времени обработки сигнала. Ключ разомкнут и Схрразряжается на эквивалентное сопротивление Rэкв:

Rэкв=/>

где Rsw-сопротивление закрытого ключа (порядка 50 Мом).

Rвх-входное сопротивление ОУ (для КР140УД22 Rвх>30Мом)

Rэкв= />

Разряд Схропределяется формулой

где tр — постоянная времени разрядной цепи

Погрешность отразряда Схр за время tхр равна:

Погрешностьмультипликативная систематическая.

Аналогичным методомрасчитывается погрешность собственно самого УВХ с той лишь разностью, что времяхранения составляет 40сек, сопротивление ключевого транзистора выше и нетдругого пути разряда .

9.5.Погрешности АЦП.

9.5.1.Погрешность отдискретности преобразования.

Погрешностьопределяется как:

погрешность похарактеру аддитивная, случайная (равномерный закон распределения).

9.5.2.Погрешность отнелинейности АЦП.

Определяется посправочной литературе { }. Не превы-шает 0,012%. По характерумультипликативная, систематическая.

9.5.3.Погрешность источника опорного напряжения АЦП.

Погрешностьопределяется отклонением Uст от номиналь-ного зачения итемпературной нестабильностью стабилитрона.

Разброс Uстможет достигать 5%, но эта погрешность корректируется калибровкой.

Дополнительнаятемпературная погрешность равна:

где TKU — температурный коэффициент стабистора (для стабистора КС113А TKU= 5*10-4%)

/>=5оС

где /> — минимальная, максимальнаяи нормальная рабочая температура окружающей среды соответственно.

Погрешностьаддитивная, систематическая.

9.6.Суммированиепогрешностей.

9.6.1.Суммированиемультипликативных погрешностей.

Для удобствасуммирования сведем все мультипликативные погрешности в таблицу.

Наименование. Значение,% Примечание

Погр.от конечного усиления входного усилителя 0,031 сист.

Погр.от сопротивления открытого ключа. 0,005 сист.

Погр.от сопротивления закрытого ключа. 0,005 сист

Погр.от погрешности резисторов обратной связи 0,2 случ

Погр.от конечного петлевого усиления ОУ 0,002 сист

Погр от недозаряда конденсатора ГЛИН. 0,024 сист

Погр от разряда конденсатора ГЛИН. 0,064 сист

Погр от разряда конденсатора УВХ. 0,1 сист

Погр от нелинейности АЦП 0,012 сист

Погр от нестабильности ИОН 0,01 случ

Для суммированияслучайных составляющих мульти-пликативной погрешности определим их СКО с учетомзакона распределения (предполагается нормальный закон распределения):

Значение суммарногозначения СКО мультипликативной погрешности определяется по формуле:

Систематическаясоставляющая мультипликативной погрешности определяется как алгебраическаясумма всех систематических погрешностей. Погрешности /> ввиду их несущественности,не учитываются.

Оценку верхнейграницы суммарной мультипликативной погрешности дадим по формуле:

9.6.1.Суммированиеаддитивных погрешностей.

Для удобствасуммирования сведем все аддитивные погреш-ности в таблицу.

Наименование Значение,% Примечание

/>1

Погр от напряжения смещения входного усилителя. 0,42 сист

/>2

Погр от температурного дрейфа напряжения смещения 0,036 сист

/>3

Погр от остаточного напряжения на ключах 0,001 случ.

/>4

Погр от напряжения смещения дифф. усилителей 0,05 сист

/>5

Погр от температурного дрейфа напряжения смещения дифф. усилителей. 0,002 сист

/>6

Погррешность устройства сравнения 0,05 сист

/>7

Погр от дискретизации АЦП 0,05 сист

/>8

Погрешность ИОН. 0,025 случ.

/>9

Погрешность дискретизации резуль-тата измерения индикатором. 0,25 случ.

Систематическаясуммарная погрешность равна:

Таким образомпогрешность не превышает заданную в ТЗ.

10.Метрологическое обеспечение.

В модуле измеренияОСШ предусмотрена градуировка и оперативная колибровка. Градуировка проводитсяна заводе — изготовителе после настройки модуля, и целью ее является учетвеличины F в алгоритме (3.5). При градуировке на входе измерителяустанавливается градуировочная величина ОСШ и путем регулировки внутреннихнастроечных элементов добиваются показания, соответствующего поданному на входзначению ОСШ.

После окончанияградуировки определяют калибровочное число К, необходимое для оперативнойкалибровки измерителя в процессе эксплуатации, для чего на вход измерителяподается эталонный сигнал, иммитирующий шум. Результат измерения уровняиммитируемого шума /> является калибровочным числом Кдля данного измерителя. Калибровочное число К заносится в паспорт прибора. Впрцессе эксплуатации прибора возможно изменение величины F по сравнению созначением, учтенным при градуировке. Эти изменения происходят за счет измененияусловий эксплуатации, старения элементной базы и других причин. Компенсациядрейфа величины F осуществляется оперативной калибровкой. Проводят измерениеуровня иммитируемого шум />. Причем, если результат измеренияК не равен калибровочному значению, то изменяют коэффициент передачиизмерительного тракта ( изменяют величину F ) до совпадения результатов.

При проведенииповерки модуля измерения отношения сигнал/шум должны применятсяконтрольно-измерительная аппаратура, перечень которой приведен в приложении 2.

При проведенииповерки должны соблюдаться следующие условия :

• напряжение питающейсети должно быть 220В/>5% ;

• температураокружающей Среды — от 15 до 35 оС ;

• относительная влажностьвоздуха — не более 90 % при температуре 30 оС;

• атмосферное давление- 750 />30мм. рт. ст.

10.1.Определение метрологических параметров.

Схема подключенияаппаратуры для определения погрешности измерения приведена на рисунке 10.1.

Приборы установить вследующие режимы работы. Генератор импульсов Г5-26 установить в режимвнешнего запуска и запускать его от строчных импульсов. Величина задержкимомента запуска импульса 2 установить равной 20 мкс., а длительность — 15 мкс.Переключатель полярности в положение положительной полярности. Устанавливаетсяамплитуда выходных импульсов генератора такой величины, чтобы вольтметр Щ1513на входе измерителя показывал 0,7 В. Установить на выходе генератора Г2-37амплитуду шума в 0,7В и контролировать эту величину на вольтметре В3-39.Изменяя параметры магазина сопротивлений не менее четырех измерений, затемизменить диапазон и повторить измерения. По результатам измерений произвестивывод о соответствии модуля измерения ОСШ метрологическим параметрам. В случаепревышения разности показаний прибора и установленным на магазине затуханием,хотя бы в одном измерении, более чем на 0,2 дБ, принимается решение онесоответствии прибора метрологическим характеристикам.

10.2. Определение разброса результатов ряда измерений (вариация).

Произвести подряддесять измерений одной и той же величины ОСШ, установленной на входе прибора.При этом следить за постоянством уровня шума и постоянством уровня импульсов.

На основанииполученных результатов определить величину разброса результатов ряда измерений,которая не должна превышать 1,5 дБ, по формуле :

/> = />max — />min ,

где />max; />min — соответственнонаибольший и наименьший из полученных результатов.

Технико-экономическоеобоснование.

Планированиеорганизации конструкторских работ по теме “Модуль измерения отношениясигнал-шум”.

Данныйдипломный проект представляет собойусовершенствованиемодуляизмерения отношения сигнал\шум ИСШ4.

Приборпредназначен для полуавтоматических измерений и контроля параметровтелевизионного тракта аппаратно-студийного комплекса телевидения.

Длярасчета длительности и трудовых ресурсов комплекса работ по созданию и освоениюновой техники применяются сетевые методы. Весь комплекс работ представляетсясетевым графиком — направленным гра-фом, на котором показаны работы и события.

Этапысетевого планирования:

* расчленениевсего комплекса работ на отдельные логически завершенные работы;

* определениепродолжительности работ и ресурсов (для их выполнения используются нормативы иэкс-пертные оценки);

Временныеоценки дают эксперты, которые являются ответственными исполнителями работ и имеютбольшой опыт выполнения таких работ. Предполагается незави-симость экспертов.

Припостроении сетевого графика в начале составляется перечень работ. В немуказывается шифр работ, исполнители и их количество, затем определяетсядлительность работ по соответствующим нормативам. При отсутствии нормативовожидаемое время выполнения работ tож определяется по двум оценкамвремени, которые берутся из статистических данных по аналогичным работам илиполучаются в виде экспертных оценок различных специалистов, минимальнойпродолжительности работы (оптимистическая оценка) tmin имаксимальной продолжительности (пессимистическая оценка) tmax .

Минимальнаяпродолжительность работы пред-полагает наличие самых благоприятных условий дляее выполнения. Максимальная продолжительность опре-деляется с учетомвозможности неблагоприятных усло-вий.

Ожидаемоевремя выполнения работ определяется по формуле:

3tmin + 2tmax

tож= ----------------

Результаты расчетовожидаемого времени заносим в таблицу 1.

Следующимэтапом построения сетевого графика является составление перечня событий (табл.3). На основе таблицы 2 и таблицы 3 строится сетевой график (см. рис. ). Награфике указывается продолжительность работ, номера событий и параметрысобытий.

Определяем параметрыработ:

* время раннего началаработы:

tpн = Трi;

* время раннегоокончания работы:

tpo = tpн+ tij;

· времяпозднего окончания работы:

tпо= Tпj;

* время позднегоначала работы:

tпн = tпо — tij;

* полный резерввремени:

Rij= Tпi — Tpi — tij

* свободный резерввремени:

Rc = Tрj — Tpi — tij;

гдеТpi — ранний срок настурления события;

Tпi — поздный срок наступления события;

tIJ — длительность работы.

Таблица 1.

Шифр работ Наименование работ. Исполнители

Оценки экспертов.

(дни)

tож

дни

должн. кол-во 1 2 3 4 5 6 7 0 — 1 Разработка техни-ческого задания

инж.

руков.

12 7 8 10 11 10 11 10 1 — 2 Обзор и анализ су-ществующих решений

инж.

руков.

7 12 8 9 12 10 11 10 2 — 3 Обоснование прин-ципа работы ИОСШ

инж.

руков.

14 15 12 10 11 9 9 12 3 — 4 Разработка структурной схемы

инж.

руков.

16 15 15 14 13 12 12 14 4 — 5 Разработка функци-ональной схемы

инж.

руков.

9 9 14 10 12 14 14 12 5 — 6 Предварительный анализ погрешностей.

инж.

руков.

4 6 7 9 10 10 10 8 6 — 7 Доработка блока измерений.

инж.

руков.

11 11 12 10 9 8 8 10 7 — 10 Анализ погрешностей блока измерений.

инж.

руков.

11 10 12 12 13 11 12 12 10-11 Разработка принци-пиальной схемы БИ.

инж.

руков.

4 5 8 9 5 8 6 7 6 — 8 Подбор элементнои базы.

инж.

руков.

11 11 10 11 10 9 8 10 8 — 9 Разработка принци-пиальной схемы.

инж.

руков.

18 17 11 17 15 8 9 14 9 -11 Анализ погрешностей схемы.

инж.

руков.

11 11 12 10 9 8 8 10 11 — 12 Общий анализ погрешностей.

инж.

руков.

12 12 9 10 11 8 7 10 12 — 14 Разработка конструкции.

инж.

руков.

12 14 11 13 15 16 16 14 14 — 15 Расчет показателей надежности.

инж.

руков.

11 12 11 13 12 13 13 12 15 — 16 Технико-экономи-ческое обоснование.

инж.

руков.

15 9 14 10 16 7 7 12 12 — 13

Разработка монтаж-

ной схемы.

инж.

руков.

4 6 4 5 4 5 4 5 13 — 16 Разводка печатных плат.

инж.

руков.

22 20 24 25 15 17 13 20 14 — 16 Разработка меропри-ятий по охране труда.

инж.

руков.

11 13 10 12 9 6 8 10 16 — 17 Оформление техни-ческой документации.

инж.

руков.

13 9 12 8 13 6 6 10

Содержаниеи параметры работ сетевого графика приведены в таблиуе 2, 3.

Содержаниеи параметры работ сетевого графика.

Таблица 2.

Шифр работ Наименование работ. Продолж Исполнители. Трудоемкость. Полный резерв времени дни. должн кол — во чел-дни дни. 0 — 1 Разработка техни-ческого задания 10

инж.

руков

40 1 — 2 Обзор и анализ су-ществующих решений 10

инж.

руков

30 2 — 3 Обоснование прин-ципа работы ИОСШ 12

инж.

руков

36 3 — 4 Разработка структурной схемы 14

инж.

руков

42 4 — 5 Разработка функци-ональной схемы 12

инж.

руков

36 5 — 6 Предварительный анализ погрешностей. 8

инж.

руков

32 6 — 7 Доработка блока измерений. 10

инж.

руков

30 5 7 — 10 Анализ погрешностей блока измерений. 12

инж.

руков

24 5 10-11 Разработка принци-пиальной схемы БИ. 7

инж.

руков.

21 5 6 — 8 Подбор элементнои базы. 10

инж.

руков.

30 8 — 9 Разработка принци-пиальной схемы. 14

инж.

руков

42 9 -11 Анализ погрешностей схемы. 10

инж.

руков

40 11 — 12 Общий анализ погрешностей. 10

инж.

руков

40 12 — 13

Разработка монтаж-

ной схемы.

инж.

руков

5 13 13 — 16 Разводка печатных плат. 20

инж.

руков

40 13 12 — 14 Разработка конструкции. 14

инж.

руков

42 14 — 15 Расчет показателей надежности. 12

инж.

руков

24 14 — 16 Разработка меропри-ятий по охране труда. 10

инж.

руков

20 14 15 — 16 Технико-экономи-ческое обоснование. 12

инж.

руков

36 16 — 17 Оформление техни-ческой документации. 10

инж.

руков

Таблица 3.

Шифр работ Продолж. дни. Время раннего начала работы Время раннего окончания работы Время позднего начала работы Время позднего окончания работы

Полный резерв времени

дни

Свободн. резерв времени

дни

0 — 1 10 10 10 1 — 2 10 10 20 10 20 2 — 3 12 20 32 20 32 3 — 4 14 32 46 32 46 4 — 5 12 46 58 46 58 5 — 6 8 58 66 58 66 6 — 7 10 66 76 71 81 5 7 — 10 12 76 88 81 93 5 10-11 7 88 95 93 100 5 5 6 — 8 10 66 76 66 76 8 — 9 14 76 90 76 90 9 -11 10 90 100 90 100 11 — 12 10 100 110 100 110 12 — 13 5 110 115 123 128 13 13 — 16 20 115 135 128 148 13 13 12 — 14 14 110 124 110 124 14 — 15 12 124 136 124 136 14 — 16 10 124 134 138 148 14 14 15 — 16 12 136 148 136 148 16 — 17 10 148 158 148 158

Сетевой графикприведен на рисунке 1.

После составлениясетевого графика производится его анализ с целью выявления ошибок и уточненияпоследовательности работ. При анализе решаются задачи обеспечения минимальногосрока выполнения всего комплекса работ и определение необходимого штатаисполнителей с обеспечением их равномерной загрузки. После анализа производитсяоптимизация сетевого графика.

Анализ и оптимизациясетевого графика.

При оптимизациисетевого графика общий срок выполнения всего комплекса работ принимается равнымдлине критического пути. При таком варианте решения оптимизация проводитсятолько по загрузке исполнителей:

* изменяется числоисполнителей на соответствующих работах при сохранении исходной трудоемкости;

* в пределах резервоввремени по работам, не лежащих на критическом пути, производится сдвиг сроковначала и окончания этих работ с целью получения равномерной загрузкиисполнителей.

Оптимизация сетевогографика выполняется с целью минимизации и выравнивания потребностей висполнителях. Для этого построим карту проекта, которая содержитпреобразованный сетевой график (рис 2).

Оптимизацияначинается с построения карты загрузки исполнителей, на которой указываетсядлительность и последовательность работ, а также трудоемкость их выполнения.Карта содержит:

* преобразованныйсетевой график;

* диаграмму занятостиработников .

При оптимизациисетевого графика по загрузке исполнителей выполняемые работы можно сдвигатьвправо (на более поздние сроки) в пределах имеющихся резервов времени. Нельзянарушать последовательность и взаимосвязь работ. В случае изменения численностиисполнителей конкретной работы, трудоемкость ее должна оставаться постоянной.

В данном случае дляоптимизации могут быть выбраны лишь участки работ 6 — 7, 7 — 10, 10 — 11 и 14 — 16.

Работа 10 — 11обладает достаточным резервом времени чтобы вместо трех человек ее поручитьдвум.

С целью равномернойзагрузки исполнителей работа 14 — 16 сдвигается в пределах своего резервавремени на 12 дней, со сроком начала работ на 136 день.

Определим среднееколичество исполнителей, необходимое для выполнения разработки по формуле:

где n — количество работ сетевого графика;

· Тij — продолжительность работы, дни;

· rij — количество исполнителей работы, человек;

· Ткр- продолжительность критического пути

· Тср- среднее количество исполнителей, человек .

/>/>.

Так как количествоисполнителей не может быть дробным, то округляемТср. Тср =4.

В результатеоптимизации мксимальное количество исполнителей сократилось с семи человек дошести и загруженность их стала более равномерной.

Оптимизированнаякарта проекта сетевого графика изображена на рисунке 3.

Расчет затрат наопытно — конструкторскую разработку.

Затраты на разработкуопределяются путем составления калькуляции плановой себестоимости. Калькуляцияявляется основным документом, на основании которого производится планирование иучет затрат на опытно — конструкторскую разработку. Калькуляцию плановой себестоимостисоставляют до начала выполнения работ, поэтому все расчеты в ней носятприближенный характер.

Калькуляция плановойсебестоимости рассчитывается по таким статьям:

* Заработная плата(основная и дополнительная).

* Отчисления в фондсоциального страхования, фонд занятости и фонд ликвидации последствийЧернобыльской катастрофы.

* Материалы.

* Спецоборудование.

* Затраты на научныекомандировки.

* Прочие затраты.

* Накладные расходы.

* Оплата услугсторонних организаций.

Основная заработнаяплата рассчитывается на основе данных о трудоемкости выполняемых отдельныхэтапов разработки проекта, установленных ранее в сетевом графике и должностныхокладов исполнителей. Дневная зарплата определяется исходя из месячных окладов,учитывая, что “условный месяц“ имеет продолжительность 21,2 дня при пятидневнойрабочей неделе.

Заработная платаисполнителей может быть рассчитана по формуле:

где n — количествокатегорий исполнителей;

Зdi — средняя заработная плата исполнителей первой категории за один день, крб.;

Тdi — количество дней работы исполнителей.

На должностируководителя находится инженер первой категории, а на должности инженераинженер второй категории.

Для инженера первой категориипри пятидневном рабочем режиме и заработной плате 17080000 крб. за месяц:

/>крб в день.

Для инженера второйкатегории при пятидневном рабочем режиме и зароботной плате 13210000 крб. замесяц:

/>крб в день.

Заработная платаисполнителей приведена в таблице 4.

Таблица4.

Должность Трудоемкость, чел. — дн. Средняя дневная заработная плата, крб. Сумма, крб. Инженер 1- ой категории 143 805677 115211811 Инженер 2- ой категории 507 623113 315918291

Премия составляет 20%: 431130102

Зп =(147438891+290993771)х 0,2 = 86226020 крб.

Дополнительнаязаработная плата составляет 6,6 % от основной:

Зо = Ззар + Зп =431130102+ 86226020= 517356122 крб.

Зд = Зо х 0,066 = 517356122 х 0,066 = 34145504 крб.

Зсум=Зо+Зд=526119194 + 34723866 = 551501626 крб.

Отчисление в фондзанятости составляет 2 % от Зсум:

Ззан = (Зо + Зд) х 0,02 =(517356122 + 34145504) х 0,02=

=11030032 крб.

Отчисление в фондЧернобыля 12% от Зсум:

ЗЧер = (Зо+ Зд) х 0,12 = (517356122 + 34145504) х 0,12= = 66180195 крб.

Отчисление в фондпенсии 37% от Зсум:

Зпенс =(Зо + Зд) х 0,37 = (517356122 + 34145504) х 0,37= = 204055601 крб.

Расчет материалов, необходимых для выполнениятемы, приведен в таблице 5.

Таблица 5.

Наименование Количество, шт. Цена, крб. Сумма, крб. Бумага формата А — 4 500 5 000 2 500 000 Листы формата А — 1 15 130 000 1 950 000 Карандаши 15 30 000 450 000 Чертежный набор 2 2 000 000 4 000 000 Всего 8 900 000

В статью прочихзатрат включаются затраты на обработку с помощью ЭВМ. Стоимость одного часаработы на ЭВМ IBM PC / AT 386:

Т = 200000 крб.

Затраты на обработкуинформации с помощью ЭВМ:

Зобр = t х С х Т

где Т — время,необходимое для работы на ЭВМ, дни;

С — длительностьсмены, С = 8 ч,

Зобр. = 12 х 8 х200000= 19200000 крб.

Расходы наспецоборудование, на научные командировки, оплату услуг сторонних организацийне предусмотрены.

Накладные расходысоставляют 5%.

Смета затрат наопытно-конструкторскую разработку по теме: “Модуль измерения отношениясигнал-шум”. Таблица 6.

Статьи затрат.

Сумма, крб

Удельный вес,%

Заработная плата

551501626 63,84

Отчисления.

281265828 32,56

Материалы.

8 900 000 1,03

Прочие расходы

19200000 2,22

Накладные расходы

3000000 0,35

Итого

863867454 100,00

Прибыль

172773490,8 20

Всего стоимость работ

1036640945

7. Разработкафункциональной схемы модуля измерения ОСШ.

До какой-либообработки видеосигнала предусматривается усиление его величины. Это необходимодля того, чтобы дальнейшая обработка производилась с сигналом достаточнобольшого уровня, что обеспечит большую точность при преобразовании сигналадругими блоками. Для этого на входе схемы установлен предварительный усилительс фиксированным коэффициентом усиления. Затем сигнал поступает на блоквыделения синхросигналов и на устройство линейного сравнения и компенсации(УДСК). Блок УЛСК состоит из дифференциального перемножителя, управляемогофильтра, компаратора напряжения (КН), меры, генератора линейно изменяющегосянапряжения (ГЛИН), устройства выборки и хранения (УВХ). Все эти элементыпредназначены выполнить задачу приравнивания величины видеосигнала к постояннойвеличине Во. На этом этапе ведется обработка уже не полного видеосигнала, а только сигнала строки в которой производится измерение ОСШ. Поэтомуперед входом дифференциального перемножителя включается ключ, управляемый отблока выделения синхросигналов и открытый только на время прохождения сигналастроки в которой измеряется ОСШ. Автоматическое регулирование уровня сигналастроки происходит таким образом: в начальном состоянии ГЛИН сброшен в ноль ина один вход дифференциального премножителя приходит ноль. Выход усилителяподключен ко входу компаратора напряжения, который сравнивает полученный сигналс постоянной величиной Во. Перед входом компаратора напряжениявключен сглаживающий фильтр, на выходе которого присутствует величинасоответствующая среднему значению сигнала выделенной строки. Для предотвращенияразряда конденсатора фильтра в период отсутствия сигнала выделенной строкипредусмотрено отключение конденсатора во время отсутствия сигнала. Cигналсоответствующий среднему значению сигнала выделенной строки управляет ГЛИНом. Втот момент когда сигнал строки станет равным Во, сигнал управления скомпаратора пропадет и величина напряжения на выходе ГЛИНа будет храниться в УВХдо конца цикла измерения. Таким образом пронормированный сигнал поступает визмерительный блок. Величина сигнала после нормировки соответствует Bo.Таким образом коэффициент передачи этой части УЛСК равен:

/>/>,

где Uc — амплитуда сигнала выделенной строки.

Затем сигнал подаетсяна коммутатор, который стробирует сигнал по импульсу поступающему от устройстваперемещения по строке.

После коммутатораимпульс подается на дифференциальный усилитель, который вычитает из неговеличину Во. Из процедуры нормировки следует:

/>,/>

где /> среднее значение сигналавыделенной строки получаемое на выходе фильтра.

Таким образом последифференциального усилителя на входе измерительного блока появляются отсчеты соответсвующиеформуле:

где /> коэффициент передачидифференциального усилителя.

Так какматематическое ожидание шума равно нулю, то можно вывести следующую формулу:

Так какпредполагается, что видео сигнал на протяжении цикла измерение не изменяется тоследует предположить, что:

В последней формуле,в ее правой части, находится две постоянных и собственно отношение сигнал/шум,что и требовалось получить.

Измерительный блоксостоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), генератора опорногонапряжения и генератора тактовых импульсов. После преобразования аналог-кодинформация о сигнале поступает в блок цифровой обработки сигнала состоящий изрегистра хранения данных, арифметико-логического устройства (АЛУ), постоянногозапоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Вэтом блоке происходит реализация алгоритма (3.5) и вычисление результатаизмерения, который в дальнейшем выводиться на отображающее устройство.

Функциональная схемамодуля измерения ОСШ изображена на рисунке 7.1.

8.Разработкапринципиальной схемы измерительного блока модуля измерения ОСШ.

Этот усилительсостоит из прецезионного усилителя, собранного на операционном усилителе (ОУ).Для построения выбрана интегральная микросхема (ИМС) КР140УД1101, котораяотвечает требованиям, предъявляемым к этому усилителю в связи с необходимостьюработы в частотном диапазоне видеосигнала. ИМС КР140УД1101 представляет собойбыстро-действующий операционный усилитель, имеющий повышенную скоростьнарастания выходного напряжения (50В/мксек.) и малое время установления.Коэффициент усиления выбран равным 6. Это связано с необходимостью достичь навыходе усилителя амплитуды сигнала близко 4В. Так как стандартный уровеньбелого в видеосигнале равен 0,7В, коэффициент усиления равен />./>Принципиальнаясхема входного усилителя изображена на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1.

Схема включения ОУпредставляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления равнымотношению

/>/>.

Исходя из R1=15Ком.

/>Ком.

Сопротивление R3выбрано исходя из требования ТЗ о входном сопротивлении прибора.

Принципиальнаясхема УЛСК изображена на рисунке 8.2.

УЛСК состоит издифференциального перемножителя на ИС DA2, в качестве которой такжеиспользуется ИМС Н525ПС4, фильтра, компаратора напряжения, источника напряженияВо, интегратора и устройства выборки и хранения.

Сигнал выделеннойстроки пройдя через дифференциальный перемножитель подается на фильтр,состоящий из R и С , а также ключа который отключает конденсатор на времяотсутствия сигнала. Фильтр предназначен для выделения из смеси сигнал/шумсреднего значения сигнала выделенной строки. Для этого время установленияфильтра должно соответствовать примерно длительности импульса.

При длительностиустановления 60 мкс

При R =510 Ом С =47нФ.

В качествекомпаратора напряжения используется ИМС К521СА4 (DA3). Компаратор сравниваетсреднее значение сигнала с опорным напряжением, которое соответствует Во.В данном случае величина опорного напряжения выбрана равной 3В. Наличиеопорного напряжения обеспечивает ИМС КР140УД17Б (DA4) на которой собранвысоко-стабильный источник опорного напряжения.

(8.1) где,

/> - напряжение поступаемое с ГЛИНа;

/> - напряжение на входе блока УЛСК.

Для того чтобы вовремя когда сигнал выделенной строки отсутствует ГЛИН не работал, предусмотренаблокировка выходов компаратора сигналом с блока выделения строки.

Схема включенияперемножителя Н525ПС4 является типовой и описана в {10}.

/>/>

В схеме примененстабилитрон КС133А,

Величина этогорезистора подбирается при настройке, поэтому в схему устанавливаетсяподстроечный резистор.

/> />

Сигнал последифференциального перемножителя, через фильтр, попадает на вход компараторанапряжения, где сравнивается с Во. Результат сравнения на выходепоявляется в виде:

если

/>,

если

/>.

/>Этот сигнал попадаетна вход интегратора напряжения собран-ного на ОУ.

Функция устройствавыборки и хранения состоит в том, чтобы в начале цикла измерения в теченииопределенного времени произвести подстройку системы, которая заключается вобеспечении амплитуды выделенной строки после дифференциального усилителяравной Во. Длительность цикла подстройки равна 5 секундам. Частотакадровой развертки отечественного стандарта равна 50 Гц, за интервал междудвумя кадровыми импульсами проходит 312,5 строк, вторая половина растрапроходит в следующий интервал. Из этого следует что определенная строка следуетс частотой 25 Гц. Значит в течении интервала 5 сек. строка в которой проводитсяизмерение появится 125 раз. Из этого следует, что скорость нарастания выходногонапряжения ГЛИНа должна быть такой, чтобы к концу интервала в 5 сек. выходноенапряжение ГЛИНа достигло максимума диапазона амплитуды (4В). Длительностьимпульса строки равна 60 мксек. Следовательно суммарное время работы ГЛИНаравно 7,5 мсек. Для сброса заряда конденсатора по окончанию цикла измеренияпредусматривается шунтирование его управляемым ключом. Схема ГЛИНа представленана рисунке.

Приняв С=0,1мкФопределяю R

Схема устройствахранения значения выходного напряжения ГЛИНа является типовой схемой включениямикросхемы КР140УД1208 и описана в {10 }.

Таким образомдифференциальный усилитель должен усилить компенсированный сигнал максимум до-3В.

Принципиальная схемадифференциального усилителя показана на рисунке 8.3.

Рисунок 8.3.

Исходя из диапазона вкотором будут производиться измерения ОСШ и величины видеосигнала можносказать, что величина Uшум на данном этапе не будет превышать 0,4В.Значит коэффициент усиления должен составлять 7,5.

R1=R3=7,5Ком

R2=R4=1Ком.

Величину выходногонапряжения задают резисторы R46,R47,R48. Номинал резисторов находится поформуле

/>/>

В схеме примененстабистор КС113А,

Величина этогорезистора подбирается при настройке, поэтому в схему устанавливаетсяподстроечный резистор.

/> />.

После АЦП происходитобработка сигнала уже в виде кода в цифровой части прибора.

Укрупненнаяфункциональная схема блока цифровой обработки сигнала изображена на рисунке8.4.

Функции ЦПУ,ОЗУ, ПЗУ, УВВ выполняет СБИС однокристаль-ной восьмиразрядной микро-ЭВМКМ1816ВЕ48.

Десять разрядов кодас АЦП поступают на регистры и по заднему фронту строб-сигнала записываются изапоминаются до прихода следующего импульса. Код считывается в однокристальнуюЭВМ в такой последовательности:

по приходу сигнала смикро-ЭВМ на чтение памяти считывается младшие восемь разрядов;

разряды 9 и 10выставляются на шину по приходу сигналаТ1 вместе с сигналом чтения памяти.

На время чтениярегистров выходы незадействованного регистра переводятся в Z-состояние.

Результат измеренияпоявляется в виде 12 разрядного двоично-десятичного кода на выводах портов 1 и2 микро-ЭВМ.

Надежность.

Расчетпараметров надежности проводится для измерительного блока модуля измерения ОСШ,для которого в данном дипломном проекте разработаны функциональная,принципиальная схемы с перечнем элементов.

Анализ возможныхотказов и состояний устройства.

Измерительныйблок состоит из одной печатной платы, установленных на ней комплектующихэлементов и разъема. Плата размещается внутри негерметичного корпуса прибора.Эксплуатация прибора происходит в условиях заводской лаборатории или аппаратнойтелецентра при нормальных клима-тических условиях, соответствующихклиматическому исполнения УХЛ 4 а.

Наиболеевероятными для данного устройства считаются элементные и эксплуатационныеотказы, имеющие как внезапный, так и постепенный характер.

Как следует из анализа функциональной и принципиальной схемы, рассматриваемыймодуль может находиться в исправном, неисправном, работоспособном инеработоспособном состоянии. Тот факт, что модуль находится внутри жесткогометаллического корпуса прибора значительно уменьшает вероятность егомеханического повреждения.

Измерительный блок неимеет резервирующих элементов. Неисправность любого из элементов схемы ведетлибо к отказу всего устройства в целом, либо к потере его частичнойработоспособности, которая отождествляется с неработо-способным состояниемвсего прибора.

Проведеный анализсостояний функциональных элементов измерительного модуля позволяет составитьего надежностно — функциональную схему, представленную на рисунке.

Надежностно — функциональная схема измерительного модуля.

УЛСК — устройстволинейного сравнанения и компенсации.

К — коммутатор.

Дифф.ус.-дифференциальный усилитель

АЦП — аналого-цифровой преообразователь.

.Интенсивностьотказов и восстановлений i-го элемента соответственно равны li и mi.Восстанавливаетмодуль одна ремонтная бригада; приоретет обслуживания прямой .

Большинство составныхчастей модуля может находиться в двух соостояниях — исправном и неисправном.Наиболее вероятной причиной отказа является обрыв монтажа ( дефект пайки ) ивыход из строя микросхем. Обе эти причины приводят модуль измерения ОСШ внеработоспособное состояние.

Измерительный блокполностью собран на интегральных микросхемах. Необходимым условиемработоспособного состояния счетчика является исправность всех входящих в негокомпонентов. Неисправность любой из микросхем измерительного блока приводит кпрекращению выполняемых им функций, а, следовательно, к неисправному состояниювсего модуля.

АЦП выполнено наодной интегральной микросхеме. Особенностью устройства микросхемы являетсявозможность ее частичного отказа, вызванного дефектом одной из ячеек сравнения.При этом неизбежно возникнет ситуация несоответствия показаний цифрового табломодуля измерения ОСШ с реальным значением ОСШ. Данная метрологическаяхарактеристика дожна однозначно соответствовать требованиям техническогозадания, следовательно, в данном случае весь прибор считается неработоспособным.

Расчет показателейнадежности по внезапным отказам.

Основнымипоказателями надежности по внезапным отказам являются :

* Рвн( tзад ) — вероятность безотказной работы модуля за время t зад;

* l åвн — интенсивность внезапныхотказов модуля в целом;

* Тов- средняя наработка на внезапный отказ.

Интенсивностьвнезапных отказов модуля, состоящего из комплектующих элементов и деталей,находим по формуле:

/>, где

l i — интенсивность отказовi — го элемента;

N — количествооднотипных элементов;

n — количество групподнотипных элементов.

Интенсивность отказовi — го элемента с учетом условий применения, определяется по формуле:

l i = lio А эi , где

l о — табличное значениеинтенсивности отказов элемента ( детали );

Аэ i — комплексный поправочный коэффициент, учиты-вающий вид комплектующих и влияниевнешних факторов и условия эксплуатации.

Необходимые коэффициенты рассчитываются по формулам:

коэффициентэксплуатации для микросхем, транзисторов и диодов

А э= а1 х а2 х а4 х а5;

коэффициентэксплуатации для резисторов:

А э = а1 х а2 х а4 х а6х а7;

коэффициентэксплуатации для конденсаторов:

А э = а1 х а2 х а4;

коэффициент эксплуатациидля соединителей:

А э = а1х а2 х а4 х m, где

m — числозадействованных контактов;

а1 = в1х в2 х в3 х в4 х в5 х в6х в7

вi — коэффициенты условий внешних влияний. Согласно [ МУ 107 ] :

* в1 = 1 — влияние вибрации;

* в2 = 1 — влияние ударов;

* в3 = 1 — влияние влажности;

* в4 = 1 — влияние атмосферного давления;

* в5 = 1,2 — влияние климата;

* в6 = 3 — особенность назначения;

* в7= 10 — качество обслуживания.

* а2 — электрическая нагрузка и температура:

для микросхем впластмассовом корпусе: а2 = 1;

для транзисторов: а2= 0,25;

для постоянныхрезисторов: а2 = 0,35; К н = 0,5

коэффициент нагрузки

для конденсаторов:а2 = 0,07;

для соединителей: а2= 0,09.

а4 — соотношение отказов вида КЗ / обрыв:

для микросхем: а4= 0,8;

для транзисторов: а4= 0,75;

для постоянныхрезисторов: а4 = 0,9;

для соединителей: а4= 0,95.

* а5= 5 — для микросхем;

а5 = 5 — для транзисторов;

а5 = 3 — для диодов.

* а6= 0,5 — для постоянных резисторов.

а7 = 1 — для переменных резисторов.

Расчеты поприведенным выше выражениям сведены в таблицу.

Наименование и тип элементов Кол-во.

Таб.знач. интенсив-ности

Факторы эксплуатации

А э

Интенсивность i — го элемента

Микросхемы КР140УД708 7 0,3 112 33,6 235,2 КР140УД1101 2 0,3 112 33,6 67,2 КР140УД17Б 2 0,3 112 33,6 67,2 КМ1107ПВ6 1 0,3 112 33,6 33,6 КР140УД1208 1 0,3 112 33,6 33,6 К521СА4 1 0,3 112 33,6 33,6 К547КП1А 3 0,3 95 28,5 85,5 ТранзисторКТ3102 1 0,3 33,75 10,125 10,125 ТранзисторКП305А 1 0,3 33,75 10,125 10,125 Стабилитрон 2 0,5 28,08 14,04 28,08 Резисторы постоянные 70 0,01 11,34 0,1134 7,938 Конденсатор керамическ. дисковые 40 0,04 1,764 0,07056 2,8224 Конденсатор электрол. 10 0,3 12,996 3,8988 38,988
Наименование и тип элементов Кол-во.

Таб.знач. интенсив-ности

Факторы эксплуатации

А э

Интенсивность i — го элемента

Плата печатная 1 0,1 1 0,1 0,1 Пайки РЭ 360 0,001 1 0,001 0,36 Соединит.ГРПН — 14 1 0,02 28,8 0,576 0,576 Соединит.ГРПН — 28 1 0,02 57 1,14 1,14

lå=656,1544/>

Наработка на отказблока рассчитывается по формуле:

Тбл = — =/>ч.

lбл

Определяемвероятность безотказной работы в течении непрерывного времени работы, равноговеличине, указанной в техническом задании ( 1500 часов ), на основании формулы:

где,Ni — количествооднотипных элементов;

l i — интенсивность отказовi — го элемента;

t — время безотказнойработы.

Расчет надежности попостепенным отказам.

Постепенные отказыизмерительного блока проявляются в нарушениях метрологических характеристик,возникающих прежде всего по случайным причинам. Причинами возникновенияотклонений может являться воздействие внешних факторов ( теплота, влажность,механические воздействия, изменение напряжения питающей сети ) и внутреннихфакторов ( постепенное изменение параметров электрорадиоэлементов,конструктивные и технологические дефекты ).

Систематическиепричины возникновения отказов не столь вероятны по причине отсутствия вконструкции прибора сложных механических элементов, электровакуумных приборов,коммутаторв высокого напряжения.

Параметры надежностипо постепенным отказам подчиняются нормальному закону распределения ( НЗР ). Кданным параметрам относятся:

* Рn( t ) — вероятность безотказной работы изделия в течение заданного интервалавремени tзад ( по техническому заданию tзад = 1500 ч ).

* Топ- время наработки на постепенный отказ;

* Тсроп — среднее время наработки на постепенный отказ.

Для определениянадежности по постепенным отказам измерительного блока выбираеммультипликативную погрешность определения отношения сигнал/шум, как параметр,определя-ющий состояние изделия. Изменение этого параметра описываетсяфункциями М/> ( t ) и s/> ( t ), определяющимивозможную реализацию точностных характеристик измерительного блока во времени.Функции М/> ( t ) и s/> ( t ) можнопредставить в виде:

М/> ( t ) = А х t ;

s/> ( t ), = sо + В х t, где

sо — дисперсияпогрешности измерения отношения сигнал/шум в момент начала эксплуатации.

Выбираем:

sо = 0,5

Коэффициенты А и Ввыбираем по интенсивности внезапных отказов lå из соотношений:

А = 0,01 l åвн

В = 0,1 l åвн

Вероятностьбезотказной работы измерительного блока в течении заданного в техническомзадании интервала времени t зад = 1500 ч по постепенным отказамоцениваем по формуле:

/>доп — максимальнодопустимая величина ( по ТЗ — 0,5 % );

/>о = />доп - /> зад — производственный допуск

/>о — мультипликативнаяпогрешность измерительного блока в момент начала эксплуатации .

Принимаем />о = 0,4 % ( 4х10-3)

Pn ( t ) = 0,76

Для определениявремени наработки на постепенный отказ воспользуемся формулой:

/> доп = />о+/>/>

где n — параметр, характеризующий изменениепогрешности во времени ( для цифровых приборов n = 0,2 1/ год ).

/>=1789 ч.

Расчет комплексногопоказателя надежности.

Комплексныйпоказатель надежности рассчитываем по формуле:

Р ( t ) = Рвн ( t зад) х Рп ( tзад ) = 0,62 х 0,76 = 0,47

Межповерочныйинтервал рассчитываем по формуле:

Тмп= /> ln P ( t зад ) =/>/>=1150ч.

где l<sub/>å<sub/> - интенсивностьотказов прибора.

Это составляет,исходя из данных ТЗ и условий работы на телецентрах 1,5 месяца.

Вывод: приведенныевыше расчеты не требуют изменения требований технического задания.

Анализ рабочего места.

Вдипломном проекте производится анализ условий труда на рабочем месте приэксплуатации модуля измерения ОСШ.

Площадьпомещения, занимаемого под аппаратную телевизионного центра составляет:

S=18м3

V=45м3,

чтосоответствует СН 245-71. В аппаратной работает 3 человека. Таким образом наодного человека приходиться 6 квадратных метров площади и 15 кубометроввоздуха. В аппаратной, где будет эксплуатироваться модуль измерения ОСШ, былисделаны замеры вредных факторов, которые сведены в таблицу:

Наименов.

Факт.уров.

производ.

шума дБа.

Фактич.

вибрац.

дБ.

Фактич.

загазов.

мг/м3.

Фактич.

запылен.

мг/м3.

Фактич.

освещен.

лк.

Фактич.

температ.

о С

Фактич.

влажн.

Аппаратная 70 нет 0,009 нет 200 20-22 40-60

Микроклимат.

Подметеорологическими условиями производственной среды согласно ГОСТ 12.1.005-76понимают сочетание температуры, относительной влажности и скорости движениявоздуха. Перечисленные факторы оказывают огромное влияние на функциональнуюдеятельность человека, его самочувствие и здоровье и надежность работы средствизмерения. В произ-водственных условиях характерно суммарное действиемикроклиматических факторов.

Температуравоздуха является одним из основных параметров, характеризующих тепловоесостояние микроклимата (степень нагретости) и измеряется в градусах Цельсия илив Кельвинах.

Скоростьдвижения воздуха V — вектор усредненной скорости перемещения воздушных потоков(струй) под действием различных побуждающих сил. Скорость движения измеряется вм/с.

Дляхарактеристики содержания влаги в воздухе используют понятия абсолютная,максимальная и относительная влажность.

Особеннобольшое влияние на микроклимат оказывают источники теплоты, существующие впомещении.

Дляоценки метеорологических условий в основных и производственных помещенияхпроизводят измерение температуры, влажности, скорости движения воздуха,интенсивности теплового излучения. Результаты измерений сравнивают снормативами.

Измерениепараметров микроклимата помещений осуществляют с помощью приборов непрерывногои переодического измерения. Измерения проводят не менее пяти раз в смену навысоте 1,5 м от пола, повторяя их в разное время дня и года.

Температуруизмеряют с помощью ртутных и спиртовых термометров, относительную влажность — спомощью психометров, а скорость движения воздуха — с помощью анемометров икататермометров.

Сцелью создания нормальных условий для персонала установ-лены нормыпроизводственного микроклимата (ГОСТ 12.1.005-88). Эти нормы устанавливаютоптимальные и допустимые величины температуры, влажности и скорости движениявоздуха для рабочей зоны производственных помещений с учетом избытка явноготепла, тяжести выполняемой работы и сезонов года.

ГОСТ12.1.005-88 устанавливает нормы и требования к показа-ниям микроклимата идопустимое содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Показателями,характеризующими микроклимат являются :

* температуравоздуха ;

* относительнаявлажность ;

* скоростьдвижения воздуха ;

интенсивностьтеплового излучения.

Оптимальнодопустимые показатели в воздухе рабочей зоны производственного помещенияприведены в таблице 2.

Приобеспечении допустимых показателей микроклимата темпе-ратура внутреннихповерхностей конструкций, ограждающих рабо-чую зону (стен, потолка, пола) недолжна превышать предел допус-тимых величин температуры воздуха, установленных в таблице 2.

Перепадтемпературы воздуха по высоте рабочей зоны допуска-ется до 3 оС.Колебания температуры воздуха по горизонтали в рабочей зоне допускаются до 5оС при работе средней тяжести.

Вхолодный период года следует применять средства защиты рабочего места отрадиационного охлаждения от остекленных поверхностей оконных проемов, в теплыйпериод от попадания прямых лучей.

Таблица2.

Период

года.

Категор.

работ.

Температура,

Относительн.

влажность,%

Скорость

движения м/с

оптим допустим оптим допустим оптим допустим верхн нижн Холодный

средней

тяжести

17-19 21 15 40-60 75 0,2 0,4 Теплый

средней

тяжести

20-22 27 16 40-60 70 0,3 0,2-0,5

Интенсивностьтеплового облучения работающих от нагретых поверхностей оборудования,осветительных приборов не должна превышать 70 ватт/м при величине облученияповерхности от 25% до 50% на постоянных рабочих местах.

Требованияк измерению микроклимата:

Температуру,относительную влажность и скорость движения воздуха измеряют на высоте 1,5метра от пола или рабочей площадки при работах, выполняемых сидя.

Температуруи относительную влажность воздуха следует измерять аспирационными термометрами.

Диапазонизмерения и допустимая погрешность измерительных приборов должнысоответствовать требованиям таблицы 3.

Содержаниевредных веществ в воздухе рабочей зоны не должны превышать предельнуюдопустимую концентрацию (ПДК).

Таблица3.

Наименование показателя. Диапазон измерений. Предел отклонения. Температура воздуха по сухому термометру, С от 30 до 50 0,2 Температура воздуха по смоченному термометру, С от 0 до 50 0,2 Относительная влажность воздуха,% от 10 до 90 0,5 Скорость движения, м/с свыше 0,5 0,1

Содержаниевредных веществ в воздухе рабочей зоны подлежит системному контролю. Впомещении, где используется модуль измерения ОСШ, вредные вещества неиспользуются.

Вывод:замеры, сделанные в аппаратной не превышают допустимых значений.

Освещенность.

Рациональное освещение производственныхпомещений оказывает положительное влияние на здоровье и работоспособностьчеловека. В аппаратной пользуются двумя видами освещения — естественным иискусственным. Естественное боковое одностороннее и искусственное рабочее и комбинированное, состоящее из общего освещения помещения и местного освещениярабочих мест. Естественное и искусственное освещение нормируется СНиПII-4-79 в зависимости от характеристики зрительной работы, принятой системыосвещения и других факторов. Для естественного освещения нормируемыми параметрами является коэффициент
естественной освещенности Е,%, представляющий собой отношение.

E вн

Е= — * 100 %,

E нар

где E вн

Е нар создаваемая светом полностью открытого небо-свода, лк.

Работы, проводимые в аппаратной, относятся к разряду работ средней точности, 4 разряду, с наименьшимиразмерами объекта различения (0.5..1) мм. Подразряд зрительных работ присреднем контрасте объекта различения с фоном и при среднем фоне. Значение КЕОнормируется для третьего пояса светового климата. Для города Киева, расположенного в четвертом поясе светового климата, нормируемое значение КЕОопределяется по формуле

e = e * M * C,

где M — коэффициент светового климата ;

C — коэффициент солнечногоклимата.

Для города Киева значения M и C равны 0.9 и 0.95 соответ-ственно.

Нормируемые значения освещенности и КЕОприведены в табл. 4.

Измерение освещенности производится на основном участке рабочего места и в нескольких точках горизонтальной рабочейповерхности. Измерения производят при помощи объективных люксметров типа Ю-16, Ю-17. В аппаратной освещенность при искусственном освещении равна 290 лк, приобщем освещении и 450 лк при комбинированном, что соответствует установленнымСНиП II-4-79 нормам. Необходимые мероприятия по под-держанию освещенности внорме предусматривают регулярную очистку остекленных проемов и светильников отзагрязнений, своевременную замену перегоревших ламп и контроль напряжения восветительной сети, очистку воздуха в помещении от пыли, дыма и копоти. НормыКЕО установлены с учетом сроков очистки остекленных проемов не менее четырехраз в год при значительном загрязнении, не менее трех раз в год при умеренноми не менее двух раз в год при незначительном загрязнении остекленных проемов. Не реже раза в год должна производится побелка потолка и стен в аппаратной.

Таблица 4.

Характеристик

зрит.работ.

Наименьш.

размер

объекта.

Разряд

зрительных

работ.

Подразряд

зрительных

работ

Освещение, лк

Искусственное

освещение.

КЕО,%

общая комбин

средней

точности

0,5...1 4 В 200 400 1.2825

Шум.

Шум является одним из наиболеераспространенных факторов внешней среды, неблагоприятно воздействующих наорганизм человека. Шум вредно воздействует не только на слух человека, но и наего нервную систему. У человека ослабляется внимание, ухудшается память. Всеэто приводит к значительному снижению производительности труда, ростуколичества ошибок в работе.

С физиологической точки зрения под понятием“шум” подразумевается любой неприятный или нежелательный для человека звукнезависимо от его характера и происхождения. Звук представляет собойколебания твердой, жидкой или газообразной среды под воздействием механическихколебаний материальных тел. В воздухе колебания тел вызывают появление зонсжатий и разряжения с различным давлением, которые благодаря упругим свойствамвоздуха распространяются в окружающем пространстве с определенной скоростью ввиде звуковых волн.

Колебания, воспринимаемые органом слухачеловека как звук, лежат примерно в пределах 20Гц — 20кГц. Эти границы неодинаковы у различных людей и зависят от возраста человека и состояния егослухового аппарата.

Основными физическими параметрами звукаявляются: интенсивность, звуковое давление и частота колебаний.

Шумы подразделяются на широкополосные снепрерывным спектром шириной более одной октавы и тональные, в спектре которыхимеются слышимые дискретные тона.

По временным характеристикам шумыподразделяются на постоянные, уровень которых за рабочий день изменяется вовремени не более, чем на 5 дБа, и непостоянные, уровень которых изменяется вовремени более, чем на 5 дБа. Непостоянные шумы подразделяются наколеблющиеся, прерывистые и импульсные.

Измерение шума на рабочих местах производят всоответствии с ГОСТ 20445 — 75 и ГОСТ 23941 — 79.

Снижение шума, создаваемого на рабочих местахвнутренними источниками, а также шума, проникающего извне, осуществляетсяследующими методами: уменьшением шума в источнике; рациональной планировкойпомещения; акустической обработкой помещений; уменьшением шума по пути егораспространения.

Общие требования безопасности шумапредусматриваются ГОСТ 12.1.003. — 83.

Допустимые уровни звукового давления воктавных полосах, уровни звука на рабочих местах приведены в таблице 5.

Таблица 5.

Рабочее место

Уровни звукового давления,

дБ в окт.полосах со средне-

геометрическим f в Hz.

Уровень звука, дБа. 63 125 250 1000 2000 4000 8000 />

Постоянное рабочее место

в аппаратной.

99 92 86 80 78 76 74 80

Напредприятиях должен быть обеспечен контроль уровней шума на рабочих местах нереже одного раза в год, по ГОСТ 20445 — 75 и ГОСТ 23941 — 79.

Вывод: проведенные замеры шума не превышают допустимых уровней шума.

Вибрация.

Однимиз отрицательных факторов, влияющих на работу, является вибрация. Ееклассификация и общие требования к ней рассматриваются в ГОСТ 12.1.012 — 78.

Гигиеническиенормы вибрации, воздействующие на человека, приведены в таблице 6.

Таблица6.

Виды вибрации.

Напряжения по которым

нормируется вибрация.

Логарифмические уровни

вибрации, дБ в октавных

полосах со среднегеометрическими f,Hz

1 2 4 8 16 31,5 65

Общая.

вертикальная(по оси z),/

горизонт.(по оси х, у)

1,3

108

0,45

0,22

0,2

Виброопасныеусловия труда должны быть обеспечены применением средств виброзащиты, снижающихвоздействующую на работающих вибрацию на путях ее распространения.

Припроектировании технологических процессов должны быть :

производственныерасчеты ожидающихся уровней вибрации на рабочих местах;

выбраныи рассчитаны необходимые средства виброзащи-щенности рабочего места оператора,позволяющие вместе со строительными решениями обеспечить гигиенические нормывибрации на рабочих местах.

Организационно- технические мероприятия должны включать в себя проведение периодическихэксплуатационных проверок вибра-ции в срок, установленный НТД, не реже одногораза в год для общей вибрации.

Вывод: проведенные замеры в лабораториях, показали, что вибрация на рабочих местахне превышает допустимых норм по ГОСТ 12.1.012 — 78.

Электробезопасность.

Однойиз особенностей поражения электрическим током является отсутствие внешнихпризнаков грозящей опасности, которые человек мог бы заблаговременно обнаружитьс помощью органов чувств.

Токприводит к серьезным повреждениям центральной нервной системы и таких жизненноважных органов как сердце и легкие. Поэтому второй особенностью воздействиятока на человека является тяжесть поражения.

Третьяособенность поражения человека электрическим током заключается в том, что токи промышленной частоты силой в 10 — 25 мА способны вызвать интенсивныесудороги мышц.

И,наконец, воздействие тока на человека вызывает резкую реакцию отдергивания, а вряде случаев и потерю сознания.

Окружающаясреда (влажность и температура воздуха, наличие заземленных металлическихконструкций и полов, токопроводящей пыли и др.) оказывает дополнительноевлияние на условия электробезопасности. Степень поражения электрическим током во многом зависит от плотности и площади контакта человека с токоведущимичастями.

Понапряжению электроустановки и сети подразделяются на две группы: напряжениемдо 1000В и выше. Модуль измерения ОСШ относить к установкам с напряжением до1000 В.

Работав действующих электроустановках по мерам безопасности разбивают на 4 категории: выполняемые при полном снятии напряжения; при частичном снятии напряжения;без снятия вблизи и на токоведущих частях; без снятия напряжения вдали оттоковедущих частей, находящихся под напряжением.

Организационнымимероприятиями, обеспечивающими без-опасность работы в электроустановкахявляется: оформление работы; допуск к работе; надзор во время работы;перевода на другое рабочее место; окончание работы.

СогласноГОСТ 12.1.038- 82, установлены предельно допустимые значения токов, проходящихчерез человека при нормальном и аварийном режимах работы электроустановок.Данные приведены в таблице 7.

Таблица7.

Род тока Продолжительность действия, сек. до 0.08 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Переменный ток

частотой 50 Гц, в мА.

650 500 250 165 125 100 85 70 65 55 1

Поусловиям электробезопасности модуль измерения ОСШ, разрабатываемый в дипломномпроекте, относится к категории установок, работающих с напряжением до 1000 В.Установка относится к 1 классу, так как имеет рабочую изоляцию и место длязаземления. В системе, в соответствии с ГОСТ 12.1.009 — 76 применяется рабочаяизоляция. Безопасность эксплуатации при нормальном режиме работыэлектроустановки обеспечивается следующими защитными мерами: применениеизоляции, недоступность токоведущих частей, применение малых напряжений,изоляция электрических частей от земли.

Вывод: разрабатываемая установка соответствует условиям электробезопасности.

Расчет защитного заземления.

Расчетпроводится из расчета, что эксплуатация прибора проходит в аппаратнойтелецентра которые как правило питаются от сети с изолированной нейтралью.

Исходнымиданными для расчета заземления является :

* удельноесопротивление грунта;

* токкороткого замыкания ;

* типодиночного заземления.

Вустановках до 1000 В принимается, что ток короткого замыкания не превышает 10А. При этом сопротивление заземления R не превышает 4 Ом. Сопротивлениеодиночного заземления представляет собой заземлитель длиной L и диаметром d,расположенного от поверхности земли на глубине Lo и соединительной шиной наглубине t, определяется по формуле:

/>,

где/>, где />-коэффициент сезонности,равный 1,5.

Удельноесопротивление грунта типа суглинок ризм =100Ом.

Принимаемдлину круглого стержня равной 2,5 м, диаметром d=0,02; Lo=0,5 м; t=0,2 м. Тогдасопротивление одиночного заземления будет равно :

Необходимое числоэлектродов определяется по формуле :

/> - требуемоесопротивление заземления;

/> - коэффициентэкранирования.

Выбираяотносительное расстояние между стержнями и их длинной равной l и числостержней n=20, найдем е=0,48 (заземлители расположены в ряд ).

ПринимаетсяRз=50 ом.

/>шт.

Для соединительныхстержней используется полоса. Длина полосы :

Сопротивлениерастекания полосы без учета экранирования действия стержней находится поформуле:

учитывая, что b=0,05м, t=0,7м, находится Rпо:

С учетомэкранирования :

/>Ом

Суммарноесопротивление заземления :

/>Ом

Пожарнаябезопасность.

СогласноОНТП 24- 86 по взрывоопасности и пожарной опасности помещение относится ккатегории “В”.

Повзрывоопасности помещение относится к классу В — IIa и по пожароопасности кклассу П — II a. К этому классу относятся помещения, в которых опасныесостояния не имеют места при нормальной эксплуатации, а возможны только в результатеаварии или неисправностей.

Причинойвозникновения пожара при использовании электрооборудования является:электрические искры, дуги, корот-кое замыкание, перегрев приборов. В помещениидля пред-отвращения пожара согласно ГОСТ 12.1.004. — 74 “Пожарная безопасностьобщие требования.” предусматривает следующие меры :

* Применяютсяплавкие предохранители для защиты от короткого замыкания ;

* Имеющиесявоспламеняющиеся материалы хранятся в спе-циальном несгораемом шкафу ;

* Вкачестве индивидуального средства тушения пожаров пред-усматриваютсяуглекислотные огнетушители ОУ-5; ОУ-8;

* Сработниками проводится инструктаж по пожарной безопасности;

* Запрещенопользоваться электронагревательными приборами;

* Разработанплан эвакуации персонала в случае пожара.

Эвакуационныйплан ведет из расположенного в любом помещении, кроме первого, в коридор илипроход, ведущий к лестничной клетке, имеющей выход наружу непосредственно иличерез вестибюль, отделенный от коридоров перегородками или дверьми.

Вывод:помещение в котором будет эксплуатироваться модуль измерения ОСШ соответствуетнормам электро и пожаро-безопасности.

9. Анализ погрешности модуля измерения ОСШ.

9.1. Погрешность входного усилителя.

9.1.1.Погрешность от конечного усиления ОУ.

Погрешность от конечного усиления определяется поформуле:

/>;

где К — коэффициент усиления на частотах измерения

/> -коэффициент передачи обратной связи.

Коэффициент усиления ОУ КР140УД1101 на рабочей частотеравен 50000.

Погрешность по характеру мультипликативная,систематическая.

9.1.2. Погрешность от напряжения смещения ОУ.

Погрешность определяется по формуле:

/>.

Для КР140УД1101 />3мВ.Тогда:

Дополнительная температурная погрешность от дрейфанапряжения смещения ОУ равна:

где />-температурный дрейф КР140УД1101 — 50 мкВ/оС;

/>=5o

где />-минимальная, максимальная и нормальная рабочая температура окружающей средысоответственно.

/>/>

9.4.Расчет погрешностей коммутатора.

9.4.1. Расчет погрешности от сопротивления открытогоключа.

Т.к. выходное сопротивление источника сигнала мало посравнению с сопротивлением закрытого ключа Rз, то можно записать длякоэффициента передачи коммутатора:

В идеальном случае Rо = 0; R3равно бесконечности и К=1. Тогда погрешность :

Для микросхемы К547КП1А Rо<100 Ом;R3>20Мом.

/>Погрешностьмультипликативная систематическая.

9.2.2.Расчет погрешности от закрытого ключа.

Коэффициент передачи равен:

В идеальном случае R3 равно бесконечности иК=0. Тогда

/>/>

/>Погрешностьмультипликативная систематическая.

9.2.3.Погрешность от остаточного напряжения на ключахкоммутатора.

Uост<10 мкВ (для К547КП1А)

Тогда погрешность:

Эта погрешность носит характер аддитивной случайной.

9.3. Погрешности дифференциального усилителя.

9.3.1. Погрешность от разброса параметров резисторовобратной связи.

Эту погрешность можно оценить, предположив нормальныйзакон распределения по формуле:

/>/>

где /> погрешностьi-го резистора.

При />

Погрешность мультипликативная систематическая.

9.3.2.Погрешность от конечного петлевого усиления.

Погрешность от конечного петлевого усиленияопределяется по формуле:

где К — коэффициент усиления ОУ на рабочей частоте.

/> =1

/>/>

Погрешность мультипликативная систематическая.

9.3.3.Погрешность от напряжения смещения ОУ.

Эта погрешность по характеру аддитивная, систематическая.

Для КР140УД1101 />3мВ.Тогда:

Дополнительная температурная погрешность от дрейфанапряжения смещения ОУ равна:

где />-температурный дрейф КР140УД1101 — 50 мкВ/оС;

/>=5o

где />-минимальная, максимальная и нормальная рабочая температура окружающей средысоответственно.

/>/>

9.4.Погрешность устройства сравнения.

Вносимая устройством сравнения погрешность являетсяаддитивной систематической и возникает она из-за напряжения смещения нулямикросхемы КФ1053СА1.

Uсм<6мВ

9.5.Погрешность устройства выборки и хранения.

Эквивалентная схема устройства выборки и хранения(УВХ) представлена на рисунке 9.1.

На схеме приняты следующие обозначения

К — ключ

Схр

— емкость хранящего конденсатора R — эквивалентное сопротивление зарядной цепи

Rвх

— эквивалентное сопротивление нагрузки цепи ОУ — операционный усилитель.

9.4.1.Погрешность из-за недозаряда конденсатора .

Заряд емкости происходит по закону:

где tинт — время интегрирования;

t=R*Схр.

Емкость заряжается по этому закону до тех пор, пока выходное напряжение не станет равным входному, но с противоположным знаком. Этозадано резисторами обратной связи, не показанными на эквивалентной схеме.

Погрешность из-за недозаряда конденсатора обусловленаконечным временем выборки tинт.

По характеру погрешность мультипликативная случайная.

9.4.2. Погрешность из-за разряда конденсатора.

Погрешность возникает из-за конечного времени обработкисигнала. Ключ разомкнут и Схр разряжается на эквивалентноесопротивление Rэкв:

Rэкв=/>

где Rsw -сопротивление закрытого ключа(порядка 50 Мом).

Rвх -входное сопротивление ОУ (для КР140УД22Rвх>30Мом)

Rэкв= />

Разряд Схр определяется формулой

где tр — постоянная времени разрядной цепи

Погрешность от разряда Схр за время tхрравна:

Погрешность мультипликативная систематическая.

Аналогичным методом расчитывается погрешность собственносамого УВХ с той лишь разностью, что время хранения составляет 40сек, сопротивление ключевого транзистора выше и нет другого пути разряда .

9.5.Погрешности АЦП.

9.5.1.Погрешность от дискретности преобразования.

Погрешность определяется как:

погрешность по характеру аддитивная, случайная(равномерный закон распределения).

9.5.2.Погрешность от нелинейности АЦП.

Определяется по справочной литературе { }. Непревы-шает 0,012%. По характеру мультипликативная, систематическая.

9.5.3.Погрешность источника опорного напряжения АЦП.

Погрешность определяется отклонением Uст отноминаль-ного зачения и температурной нестабильностью стабилитрона.

Разброс Uст может достигать 5%, но этапогрешность корректируется калибровкой.

Дополнительная температурная погрешность равна:

где TKU — температурный коэффициент стабистора (длястабистора КС113А TKU= 5*10-4%)

/>=5оС

где />-минимальная, максимальная и нормальная рабочая температура окружающей среды соответственно.

Погрешность аддитивная, систематическая.

9.6.Суммирование погрешностей.

9.6.1.Суммирование мультипликативных погрешностей.

Для удобства суммирования сведем все мультипликативныепогрешности в таблицу.

Наименование. Значение,% Примечание

Погр.от конечного усиления входного усилителя 0,031 сист.

Погр.от сопротивления открытого ключа. 0,005 сист.

Погр.от сопротивления закрытого ключа. 0,005 сист

Погр.от погрешности резисторов обратной связи 0,2 случ

Погр.от конечного петлевого усиления ОУ 0,002 сист

Погр от недозаряда конденсатора ГЛИН. 0,024 сист

Погр от разряда конденсатора ГЛИН. 0,064 сист

Погр от разряда конденсатора УВХ. 0,1 сист

Погр от нелинейности АЦП 0,012 сист

Погр от нестабильности ИОН 0,01 случ

Для суммирования случайных составляющихмульти-пликативной погрешности определим их СКО с учетом закона распределения(предполагается нормальный закон распределения):

Значение суммарного значения СКО мультипликативнойпогрешности определяется по формуле:

Систематическая составляющая мультипликативнойпогрешности определяется как алгебраическая сумма всех систематическихпогрешностей. Погрешности /> ввиду ихнесущественности, не учитываются.

Оценку верхней границы суммарной мультипликативнойпогрешности дадим по формуле:

9.6.1.Суммирование аддитивных погрешностей.

Для удобства суммирования сведем все аддитивныепогреш-ности в таблицу.

Наименование Значение,% Примечание

/>1

Погр от напряжения смещения входного усилителя. 0,42 сист

/>2

Погр от температурного дрейфа напряжения смещения 0,036 сист

/>3

Погр от остаточного напряжения на ключах 0,001 случ.

/>4

Погр от напряжения смещения дифф. усилителей 0,05 сист

/>5

Погр от температурного дрейфа напряжения смещения дифф. усилителей. 0,002 сист

/>6

Погррешность устройства сравнения 0,05 сист

/>7

Погр от дискретизации АЦП 0,05 сист

/>8

Погрешность ИОН. 0,025 случ.

/>9

Погрешность дискретизации резуль-тата измерения индикатором. 0,25 случ.

Систематическая суммарная погрешность равна:

Таким образом погрешность не превышает заданную в ТЗ.

9.3.4.Погрешность от нелинейности дифференциальногоусилителя.

Погрешность возникает от отличия значения коэффициентаусиления в зависимости от значения опорного напряжения. Для операционногоусилителя КР140УД1101 значение этой пог-решности в диапазоне в котором ИСработает равна 0,02% {10}.

9.6.Суммирование погрешностей.

9.6.1.Суммирование мультипликативных погрешностей.

Для удобства суммирования сведем все мультипликативныепогрешности в таблицу.

Наименование. Значение,% Примечание

Погр.от конечного усиления входного усилителя 0,031 сист.

Погр.от сопротивления открытого ключа. 0,005 сист.

Погр.от сопротивления закрытого ключа. 0,005 сист

Погр.от погрешности резисторов обратной связи 0,2 случ

Погр.от нелинейности ОУ 0,4 сист.

Погр.от конечного петлевого усиления ОУ 0,002 сист

Погр от недозаряда конденсатора ГЛИН. 0,024 сист

Погр от разряда конденсатора ГЛИН. 0,064 сист
Наименование. Значение,% Примечание

Погр от разряда конденсатора УВХ. 0,1 сист

Погр от нелинейности АЦП 0,012 сист

Погр от нестабильности ИОН 0,01 случ

Однако надо заметить, что погрешности входногоусилителя и первого коммутатора не влияют на результат измерения так каксистема АРУ компенсирует их. Таким образом эти погрешности не учитываются.

Для суммирования случайных составляющихмульти-пликативной погрешности определим их СКО с учетом закона распределения(предполагается нормальный закон распределения):

Значение суммарного значения СКО мультипликативнойпогрешности определяется по формуле:

К случайной мультипликативной погрешности можно такжеотнести методическую погрешность, которая возникает ввиду конечного числавыборок. Длительность измерительного цикла прибора — 40 секунд. Частотапоявления выделенной строки — 25 Гц. Следовательно количество выборок 1000.Принимаем, что шум распределен по нормальному закону, пик-фактор шума 3.

Тогда />,

где nколичество выборок.

/>=0,005%

Эта величина принебрижимо мала и не учитывается.

Систематическая составляющая мультипликативнойпогрешности определяется как алгебраическая сумма всех систематическихпогрешностей. Погрешности /> ввиду их
несущественности, не учитываются.

Оценку верхней границы суммарной мультипликативнойпогрешности дадим по формуле:

9.6.1.Суммирование аддитивных погрешностей.

Для удобства суммирования сведем все аддитивныепогрешности в таблицу.

Наименование Значение,% Примечание

/>1

Погр от напряжения смещения входного усилителя. 0,42 сист

/>2

Погр от температурного дрейфа напряжения смещения 0,036 сист

/>3

Погр от остаточного напряжения на ключах 0,001 случ.

/>4

Погр от напряжения смещения дифф. усилителей 0,05 сист

/>5

Погр от температурного дрейфа напряжения смещения дифф. усилителей. 0,002 сист

/>6

Погррешность устройства сравнения 0,05 сист

/>7

Погр от дискретизации АЦП 0,05 сист

/>8

Погрешность ИОН. 0,025 случ.

/>9

Погрешность дискретизации резуль-тата измерения индикатором. 0,25 случ.

Также не учитывается погрешность входного усилителя икоммутатора.

Систематическая суммарная погрешность равна:

Таким образом погрешность не превышает заданную в ТЗ.

10.Метрологическое обеспечение.

Вмодуле измерения ОСШ предусмотрена градуировка и оперативная колибровка.Градуировка проводится на заводе — изготовителе после настройки модуля, и цельюее является учет

1.Наименование иобласть применения.

Разрабатываемое СИ — модуль измерения отношения сигнал/шум предназначено для применения в телевидениив качестве рабочего стационар-ного средства измерения и контроля параметровтелевизионного сигнала монохромного телевидения на выходе любого источникавидеосигнала.

Основанием дляразработки является задание на дипломный проект, выданное на кафедреинформационно-измерительной техники 3 апреля 1996г.

Целью разработкиявляется создание модуля измерения отношения сигнал/шум ( в дальнейшем модульизмерения ОСШ ), более совершенного, экономичного и точного, чем используемыйсейчас на телецентрах Украины модуль измерения соотношения сигнал/шум ИСШ-4М,который является морально устаревшим и не удобным в обращении. Данный модульявляется необходимым при настройке параметров любого звена (участка) трактаизображения аппаратно-студийного комплекса телевизионного центра илипередвижной телевизионной станции. Кроме того модуль измерения ОСШ может бытьиспользован в лабораториях и на заводах-изготовителях при разработке и проверкетелевизионной передающей аппаратуры.

Источникамиразработки является техническая документация ПО “Оркан” на модуль измеренияотношения сигнал/шум ИСШ-4М.

5.1. Требования кклиматическим и механическим воздействиям.

5.1.1. Модульизмерения ОСШ должен соответствовать требованиям ГОСТ 15150-69 и 2 группы ГОСТ22261-82.

5.1.2. Модуль измеренияОСШ должен сохранять внешний вид и свои параметры в процессе воздействияследующих видов климатических и механических факторов, указанных в таблице 1,соответствующих климатическому исполнению УХЛ категории размещения 4.1 по ГОСТ15150-69.

Таб.1.

Влияющие

факторы

Рабочие условия Предельные условия эксплуатации Верхн. знач. Нижн. знач. Верхн. знач. Нижн. знач.

Температура

окружающего

воздуха. Со

+ 25 + 10 + 40 + 1

Относительная

влажность %

( при t= Cо )<sup/>

60 ( 20 ) 80 ( 25 )

Атмосферное

давление, кПа

106,7 86,6 147 84

5.1.3. Нормальныезначения влияющих величин по ГОСТ 22261-82: температура окружающего воздуха — 20 о С/>5%; относительнаявлажность ок-ружающего воздуха — 40-70%; атмосферное давление — 88-104 кПа.

5.1.4. Модульизмерения ОСШ должен обеспечивать в рабочих условиях эксплуатации требуемыехарактеристики по истечении времени установления рабочего режима.

5.1.5. Времяустановления рабочего режима не должно быть более 10 секунд по ГОСТ 22261-82.

5.1.6. Модульизмерения ОСШ должен допускать продолжительность непрерывной работы не менее 8часов.

5.2. ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКТИВНОМУ УСТРОЙСТВУ.

5.2.1. Масса модуляизмерения ОСШ должна быть не более 25 кг.

5.2.2.Модульизмерения ОСШ должен иметь габаритные размеры 482х177х415 мм для установкимодуля в состав стойки контроля и измерений С-1459, применяемой нателецентрах Украины.

5.3. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИ.

Разрабатываемыймодуль измерения ОСШ должен иметь такие технические характеристики :

5.3.1. Рабочийдиапазон частот измерения ОСШ должен соответствовать стандарту на видеосигнал ;

5.3.2. Измерение ОСШполного телевизионного видеосигнала размахом 0,7В или видеосигнала безсинхронасадки размахом 0,5-0,9 В вещательного стандарта разложения ( ГОСТ7845-79) ;

5.3.3. Входноесопротивление модуля измерения ОСШ в рабочей полосе частот — 75 Ом/>5% ;

5.3.4. Наличиевнутренней синхронизации от полного телевизионного видеосигнала, внешнейсинхронизации от сигнала синхронизации приемника, внешней синхронизации от строчныхи кадровых синхронизирующих импульсов;

5.3.5. Размахвнешнего синхронизирующего сигнала должен быть 2-3 В отрицательной полярности ;

5.3.6. Входноесопротивление модуля измерения ОСШ по цепям синхронизации — 75 Ом/>5%;

5.3.7. Диапазонизмерения отношения сигнал/шум — 20-60 dB ;

5.3.8. Модульизмерения ОСШ должен обеспечивать измерения ОСШ на любой детали изображения вактивной части растра ;

5.3.9. Модульизмерения ОСШ должен иметь выход на видеоконтрольное устройство видеосигнала,содержащего импульс яркостной метки для индикации детали изображения, накоторой происходит измерение ОСШ .

5.4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИ.

Разрабатываемыймодуль измерения ОСШ должен иметь такие метрологические характеристики :

/>5.4.1.Пределотносительной допускаемой основной погрешности

/>%

где,

/> — нормирующее значение ОСШ

/> — результат измерения ОСШ.

5.4.2. Вариацияпоказаний не должна превышать — 1,5 dB ;

5.4.3. Минимальная ценаделения цифрового индикатора модуля измерения ОСШ — 0,1 dB ;

5.4.4. Времяустановления показаний модуля измерения ОСШ не более 45 секунд.

5.5. ТРЕБОВАНИЯ К НАДЕЖНОСТИ

5.5.1. По требованиямк надежности СИ модуль измерения ОСШ должен соответствовать требованиям ГОСТ22261-82.

5.5.2. Времябезотказной работы модуля измерения ОСШ должно быть не менее 1500 часов.

5.5.3. Значениесреднего ресурса должно быть не менее 5000 часов. Ремонт и техническоеобслуживание должны проводиться в бюро измерительной техники телецентраспециально обученным персоналом.

5.5.4. Среднее времявосстановления модуля измерения ОСШ должно быть не более 2 часов.

5.6. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Модуль измерения ОСШпредназначен для эксплуатации в составе стойки измерений и контроля С-1459 идолжен иметь разъем для приема входного сигнала совместимый со стандартнымразъемом стойки. Модуль измерения ОСШ должен быть смонтирован в стандартномкорпусе, предназначенном для установки в ячейку стойки С-1459. Питание модуляосуществляется от сети переменного тока с напряжением 220В/> с частотой 50Гц<sub/>/> 3%.

5.7. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ МОНТАЖЕ, ОБСЛУЖИВАНИИ И РЕМОНТЕ.

5.7.1. Наружныеметаллические части, оси органов управления и регулирования модуля измеренияОСШ, к которым имеется доступ снаружи, не должны находиться под напряжениемотносительно корпуса.

5.7.2. Корпус модуляизмерения ОСШ должен иметь зажим или контакт защитного заземления.

5.7.3. Должна бытьпредусмотрена световая индикация включения сетевого выключателя.

5.8. ТРЕБОВАНИЯ К ОБЕСПЕЧЕНИЮ КОНТРОЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МОДУЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСШ.

Модуль измерения ОСШдолжен обеспечивать возможность контроля метрологических характеристик впроцессе изготовления и эксплуатации без необходимости демонтажа печатных плат,входящих в состав модуля измерения соотношения сигнал/шум.

5.9.ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДСТВАМ И МЕТОДАМ ПОВЕРКИ.

5.9.1. Наразрабатываемый модуль измерения ОСШ должна быть разработана поверочная схемапо ГОСТ 8.061-72.

5.9.2. Для проверкимодуля измерения ОСШ должна быть применена схема, параметры которойопределяются по МИ 83-76.

5.9.3. При проведенииповерки модуль измерения ОСШ условия окружающей среды должны быть нормальные.

Список литературы.

1. Орнатский “ Автоматические измеренияи приборы”. “ Вища школа” 1986 г.

2. В.А.Кузнецов, В.А. Долгов,В.М.Коневских и др. ” Измерения в электронике.” Справочник. Энергоатомиздат,1987 г.

3. Малиновский, Р.М. Демидова — Панфероваи др. ”Электри-ческие измерения” Энергоатомиздат, 1985 г.

4. П.Хоровиц, У.Хилл “ Искуствосхемотехники” Москва “ Мир”, 1986 г.

5. Б.И.Горошков “ Элементырадиоэлектронных устройств.” Москва, издательство” Радио и связь”.

6. Методические указания по выполнениюдипломных проектов и работ. Сост. Циделко В.Д. и др.

7. Методические указания по суммированиюпогрешностей средств измерения. Сост. Яремчук Н.А.

8. Методические указания к курсовому идипломному проектированию по курсу ”Информационно — измерительные системы”.Сост. В.А.Тесленко и др.

9. Методические указания к организационно- экономическому разделу дипломных проектов . Сост. Гладушко Л.В.

10.И.В.Новаченко,В.А.Телец ”Интегральные схемы для бытовой радиоаппаратуры” Москва,издательство ”Радио и связь”. 1995 г.

11. Техническаядокументация на модуль измерения отношения сигнал/шум ИСШ-4.

12.И.В.Варламов,И.Л.Касаткин “Микропроцессоры в бытовой технике.” Москва, издательство ”Радиои связь”. 1989 г.

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Исследование комбинационных помех в анализаторе спектра миллиметрового диапазона длин волн

1 Сентября 2013

Реферат по радиоэлектронике

Модуляция. Формирование модулированных сигналов

1 Сентября 2013

Реферат по радиоэлектронике

Алгоритмы трассировки

1 Сентября 2013

Реферат по радиоэлектронике

Блок возбуждения для ВТП

1 Сентября 2013