CC BY
8
УДК 621.396.6.004
МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТОВ АНАЛОГОВЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Н. Н. Касьян, К. Н. Касьян
Предлагается метод диагностирования, позволяющий выявлять дефекты аналоговых функциональных преобразователей в виде отклонений электрических параметров и режимов работы комплектующих электрорадиоэлементов за допустимые пределы.
Пропонуеться метод д1агностування, що дозволить ви-являти дефекти аналогових функщональних перетворювач1в у виглядг вгдхилень електричних параметргв i режимгв роботи комплектуючих електрорадiоелементiв за допустимi межi.
The method of diagnosings, allowing to reveal defects of analog functional converters as deviations of electrical parameters and modes of operations of components radioelements for allowable limits is offered.
Анализ ряда технологических процессов производства различных аналоговых функциональных преобразователей (ФП) частоты, амплитуды и формы электрических сигналов показывает, что в среднем 10 - 20% ФП, поступающих на операцию регулировки и функционального контроля, являются дефектными и требуют определенного ремонта. Обобщенная диаграмма относительного распределения дефектов приведена на рисунке 1.
следующий метод.
Рассмотрим с точки зрения системного подхода исследуемый ФП (рис.2). Его внутренними параметрами q являются электрические параметры комплектующих ЭРЭ. На ФП действуют входные воздействия X и внешние факторы Ъ. Под действием этих факторов могут изменяться параметры q, что в свою очередь приводит к изменению выходных характеристик У. Поэтому задачу диагностирования можно поставить следующим образом. Необходимо, измерив выходные характеристики ФП в доступных узлах схемы, определить действительные значения электрических параметров ЭРЭ, а определив эти значения рассчитать и режимы работы ЭРЭ, а затем, сравнив эти значения параметров и режимов работы с предельно допустимыми значениями, классифицировать техническое состояние ФП как исправное или неисправное. При этом ФП классифицируется как неисправный, если действительное значение хотя бы одного параметра или режима работы ЭРЭ выходит за допустимые границы, т.е. не выполняется условие (1).
ном . н „ д „ ном . в q1 - Aq 1 < q1 < q1 + Aq1
ном н д ном в q2 - Aq2 < q2 < q2 + Aq2
ном н д ном в
qN - AqN < qN < qN + AqN
ядоп н < яд < ядоп в
^доп н < rH < ^доп в
, (1)
4on н < rrk < 4оп в
Рисунок 1 - Обобщенная диаграмма относительного распределения дефектов
Эффективно выявлять дефекты в виде обрывов и коротких замыканий позволяют традиционные методы (визуальный контроль, ручная прозвонка, функциональный контроль) и ряд специальных методов, например, метод справочников неисправностей. Выявление дефектов в виде выхода действительных значений параметров электрорадиоэлементов (ЭРЭ) за допуск является более сложной задачей, для решения которой предлагается
ном . н
где q - номинальное значение параметра, Aq и
в „
- соответственно нижний и верхний допуск на параД АГ
метр, q - действительное значение параметра, N - чис-
доп н
ло диагностируемых электрических параметров, Я пДоп в
и Я - соответственно нижнее и верхнее допустимое
значение режима работы, Яд - действительное значение режима работы, К - число диагностируемых электрических режимов работы.
Рисунок 2 - Обобщенное изображение ФП как системы
и
Метод реализуется как на этапе производства ФП, так и на этапе его проектирования. На этапе проектирования решается задача обеспечения диагности-руемости ФП. По спроектированной принципиальной электрической схеме рассчитываются его выходные характеристики с целью выбора тестовых входных воздействий и выходных характеристик, достаточных для однозначного определения значений всех диагностируемых параметров.
На этапе производства с помощью контрольно-измерительной аппаратуры на ФП подаются входные воздействия и измеряются выходные характеристики, выбранные на этапе обеспечения диагностируемости. По измеренным выходным характеристикам, с помощью программного комплекса диагностирования определяются действительные значения параметров и режимов работы элементов, сравниваются с допустимыми и по результатам сравнения принимается решение о техническом состоянии ФП.
С помощью описанного метода исследуется диагностическая модель аналогового ФП. Его математическая модель рассматривается в базисе узловых потенциалов: I (ф ) = 0 , (2)
где ф
вектор узловых потенциалов,
Г( ч) = I I
1 г = 1
У] г рас ( Ч ) \У]г изм(Ч)
• Ш1П ,
Элементы вектора градиента целевой функции (3) определяется по формуле
м
<(Ч) = %Т -21 I
где
1 г = 1
У,.,
У] г рас ( Ч ) _ 1 VУ]г изм(Ч)
Эо У г рас(Ч) 1п
У]Г изм( ч)
,(4)
дг~У]г( Ч) = < =
Эдп ]г оп
= 11ш
ДОп ^ 0 А°
АУ]г У. (о + До) - У. (о)
]г = ] г4 4 п ] г ■ 4 п
(5)
I - вектор т 1
узловых токов, т - количество узлов в схеме.
Т.к. в общем случае число параметров достаточно велико, а число доступных узлов схемы ФП, на которые можно подавать входные тестовые воздействия и измерять выходные характеристики существенно меньше числа недоступных узлов, задача определения значений параметров является оптимизационной задачей. При этом оптимизируются значения параметров ЭРЭ Ч таким образом, чтобы максимально приблизить расчетные выходные характеристики к измеренным.
В качестве целевой функции оптимизации используется критерий минимума средне-квадратической ошибки. Целевая функция преобразовывается с учетом разнородности выходных характеристик (они приводятся к относительной форме) и того, что каждая характеристика представляется определенным числом дискретов во временной или частотной области:
*п Д0п
- функции чувствительности выходных характеристик по параметрам, рассчитываемые методом приращений.
Т.к. в процессе обеспечения диагностируемости ФП, на диагностируемые параметры приходится накладывать ограничения, а метод ДФП является методом безусловной оптимизации, применяется метод преобразованных параметров [2].
Для успешного диагностирования необходимо предварительно обеспечить диагностируемость ФП. Задачей обеспечения диагностируемости в разработанном методе является задача нахождения глобального минимума целевой функции (3). Проверка этого проводится следующим образом. Все параметры элементов узла задаются номинальными Чном и рассчитываются соответствующие им номинальные выходные характеристики
У„
Затем эти выходные характеристики под-
(3)
где У]г рас(Ч) , У.г изм(Ч) - расчетное и измеренное
значения г-го отсчета ]-й выходной характеристики, М -число выходных характеристик, Р. - число отсчетов ]-й
выходной характеристики.
Выходные характеристики, входящие в целевую функцию рассчитываются с помощью метода Ньютона-Рафсона и метода Ь-и разложения [3, 4]. Значения диагностируемых параметров рассчитываются методом Давидона-Флетчера-Пауэлла (ДФП) [1, 2].
ставляются в целевую функцию (3) в качестве измеренных Уном = Уизм , а начальные значения параметров
задаются отклоненными от номинальных случайным образом Чо ^ Чном . Если в результате оптимизации значения параметров становятся равными номинальным Чрасч = Чном , значит глобальный минимум найден. Для
того, чтобы глобальный минимум был найден из любой начальной точки необходимо:
- накладывать ограничения на возможные значения параметров (обычно в 2 - 3 раза превышающие допуск);
- включать в целевую функцию (3) дополнительные выходные характеристики.
При этом порядок выбора характеристик следующий. В первую очередь включаются характеристики, снимаемые с внешних узлов схемы в функциональном режиме работы. Затем - характеристики, снимаемые с доступных внутренних узлов схемы в функциональном режиме. Если этих характеристик недостаточно - на схему подаются тестовые воздействия и снимаются выходные характеристики с внешних или доступных внутренних узлов.
После того, как диагностируемость ФП обеспечена можно проводить диагностирование. Для этого с помощью контрольно-измерительной аппаратуры на ФП подаются входные воздействия и измеряются выходные характеристики, выбранные на этапе обеспечения диаг-
Р
М Р]
ностируемости, а затем по измеренным характеристикам рассчитываются значения параметров и режимов работы ЭРЭ, которые сравниваются с допустимыми.
Для автоматизированного диагностирования ЭРЭ ФП разработан программный комплекс, состав которого приведен на рисунке 3.
Структурное разбиение комплекса на ряд функциональных блоков выполнено в соответствии с основными задачами, которые решаются программным комплексом в процессе его функционирования с целью обеспечения диагностируемости ФП на стадии его проектирования или диагностирования комплектующих ЭРЭ в процессе производства ФП.
Каждый блок структурной схемы представляет собой набор программных модулей, объединенных в блок, с точки зрения функционального назначения. Программные модули решают частные задачи по реализации
отдельных методов и вычислительных процедур. Блоч-но-модульная структура комплекса позволяет эффективным образом дополнять комплекс другими функциональными блоками и программными модулями, расширяющими его возможности, а также использовать уже имеющиеся блоки.
Таким образом, предложенный метод позволяет выявлять дефекты аналоговых функциональных преобразователей, которые традиционными методами диагностирования не выявляются. При этом действительные значения параметров комплектующих элементов определяются расчетным путем на основе экспериментально полученных выходных характеристик ФП и затем сравниваются с допустимыми значениями, а набор выходных характеристик, достаточный для однозначного определения параметров элементов определяется путем моделирования на этапе проектирования ФП.
Рисунок 3 - Состав программного комплекса диагностирования
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.: ил.
2. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования.: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.: ил.
3. Влах И,, Сингхал К. Машинные методы анализа и
проектирования электронных схем. Пер с англ. - М.: Радио и связь, 1988.- 560 с.: ил.
4. Глориозов Е.Л. и др. Введение в автоматизацию схемотехнического проектирования. - М.: Сов. радио, 1976. - 224 с.: ил.
Надшшла 16.04.99 Шсля доробки 03.09.99
УДК 621.3.083
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ЧАСТОТНЫХ ДАТЧИКОВ ПО КРИТЕРИЮ НЕСТАБИЛЬНОСТИ НАЧАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ
В. Л. Костенко, Н. А. Омельчук, В. В. Семёнов
В статье проведён анализ нестабильности частоты автогенераторов, предназначенных для частотных датчиков, произведена оптимизация параметров элементов частотно-зависимых цепей и даны рекомендации по их выбору.
У статт1 проведений анал1з нестаб1льност1 частоти автогенератор1в, призначених для частотних датчитв, виконана оптим1защя параметр1в елемент1в частотно-залежних кы та поданх рекомендацИ з Чхнього вибору.
In the article the analysis of frequency instability of oscillators, which is intended for frequent gauges, is performed, the optimization of parameters for frequency - dependent circuit elements is made and the recommendations at their choice are given.
ВВЕДЕНИЕ
Современные тенденции развития измерительных систем, предназначенных для работы в условиях значительных помех или для дистанционных измерений, характеризуются всё более широким применением цифровых методов обработки информации [1]. Требованиям, предъявляемым к датчикам в подобных системах, в наибольшей мере соответствуют датчики с частотно-модулированным выходным сигналом. Поскольку преобразование аналогового сигнала чувствительного элемента в частоту выходного сигнала обычно сопровождается дополнительной погрешностью [2], представляют интерес схемы промежуточных преобразователей, обеспечивающие непосредственное преобразование изменения информационного параметра чувствительного элемента (индуктивности, ёмкости, сопротивления) в частоту или период выходного напряжения датчика. В настоящее время эта задача решается с помощью автогенераторов, в которых чувствительный элемент входит в состав частотно-зависимой цепи положительной обратной связи [3,4]. Одним из основных источников погрешности измерения частотных датчиков является нестабильность начальной частоты генератора, которая не может быть скорректирована в процессе дальнейшей обработки информации. Причинами такой нестабиль-
ности могут быть температурная нестабильность элементов схемы, зависимость их параметров от напряжения питания и т.д. Для генераторов, выполненных на базе интегральных операционных усилителей, основной причиной ухода собственной частоты (без учёта изменения параметров чувствительного элемента) является зависимость фазочастотной характеристики усилителя от внешних факторов, главные из которых -температура и напряжение питания.
Целью предлагаемой работы является оценка нестабильности автогенераторов ЬС и И С типов, выполняемых на базе интегральных операционных усилителей, и оптимизация параметров хронирующих элементов по критерию стабильности начальной частоты автогенератора.
МЕТОДИКА АНАЛИЗА НЕСТАБИЛЬНОСТИ
АВТОГЕНЕРАТОРА
Для оценки влияния параметров автогенератора на стабильность его начальной частоты рассмотрим систему, структурная схема которой показана на рис.1. Система содержит усилитель с коэффициентом усиления К, частотно-зависимую цепь положительной обратной связи (ПОС) с коэффициентом передачи Ш(]т) и частотно-независимую цепь отрицательной обратной связи (ООС) с коэффициентом передачи в . Изменение параметров усилителя, в предположении, что рабочий диапазон частот генератора соответствует средним частотам усилителя, учитывается с помощью дополнительного звена, имеющего коэффициент передачи К(ц) , зависящий от параметра возмущения ц :
К(ц) = = (1 + ]ц),
вых
где ц « 1 - малый параметр, учитывающий сдвиг фазы выходного сигнала усилителя под воздействием внешних возмущающих факторов.
