Кіровоградський державний технічний університет

Лисиця Михайло Петрович

УДК 658.5.012.7

АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ АКТИВНИХ НВЧ-ВИРОБІВ У ПРОЦЕСІ ЇХ ВИГОТОВЛЕННЯ

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизацiя

технологiчних процесiв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технiчних наук

Кіровоград - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматики та електроприводу Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Галай Микола Васильович, Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри автоматики та електроприводу.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сидоренко Володимир Володимирович, Кіровоградський державний технічний університет,

завідувач кафедри програмного забезпечення;

кандидат технічних наук, доцент

Кравець Петро Іванович, Національний

технічний університет України "КПІ",

доцент кафедри автоматики і управління в технічних системах.

Провідна установа: Науково-виробнича корпорація "Київський інститут автоматики" Міністерства промислової політики України, ДНВП "Автоматизовані інформаційні системи та технології", м. Київ.

Захист відбудеться 25.01.2002 p. o 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 в Кіровоградському державному технічному університеті за адресою: 25006 м. Кіровоград, просп. Університетський, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського державного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, просп. Університетський, 8.

Автореферат розісланий 24.12.2001 p.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М. Каліч

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. До технологiчного процесу виготовлення напiвпровiдникових виробiв (малошумлячих підсилювачів надтовисокої частоти (НВЧ) з фазозсувними ланцюгами — активних НВЧ-чотириполюсників) входить контроль електричних параметрів 4-полюсників, який займає особливе місце у всьому процесі їх виготовлення і становить близько 20% трудомісткості операцiй складального виробництва.

На даний момент iснуючi засоби контролю електричних параметрiв, як i методи контролю параметрiв виробiв, не задовольняють потреб виробництва. Значна кількість перез'єднувань при контролі вказаних характеристик на декількох установках, а також значне розрахункове навантаження на оператора призводять до малоймовірного виходу придатних виробів, малої відтворюваності параметрів, неритмічності і, як наслідок, до підвищення собівартості одиниці продукції.

Автоматизація контролю електричних характеристик активних НВЧ-виробів потребує комплексного пiдходу і є достатньо актуальною проблемою з науково-технічної та економічної точок зору.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами

Робота виконувалася згідно тематичного плану науково-дослідних робіт ВО “ Знамя” (м. Полтава) та ПДТУ ім. Юрія Кондратюка.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертацiйної роботи є створення автоматизованої системи контролю параметрiв активних НВЧ-виробів при їх виготовленні і одноразовому підключенні до даної системи за рахунок досліджень комутуючого тракту та встановлення аналітичних залежностей між комплексними НВЧ-параметрами та виміреними рівнями і фазами сигналів на контрольних перетинах, а також визначення похибки системи контролю.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:—

провести дослідження комутуючої частини системи контролю та встановити аналітичні залежності між комплексним коефіцієнтом передачі, коефіцієнтами стоячих хвиль на входах та виміреними рівнями і фазами сигналів на контрольних перетинах;—

визначити внесок похибок калібрувальних елементів і вимірювальних пристроїв у результуючі похибки системи контролю;—

створити і експериментально дослідити автоматизовану систему контролю параметрів активних НВЧ-виробів при їх виготовленні і одноразовому підключенні до даної системи контролю. Виконати техніко-економічну оцінку створеної системи.

Об’єкт і предмет досліджень. Об’єктом досліджень є процес контролю параметрів активних НВЧ-виробів у складі технологічного процесу їх виготовлення. Предмет досліджень— автоматизація контролю НВЧ-параметрів активних НВЧ-виробів при одноразовому підключенні їх до систем контролю.

Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження. Теоретичні дослідження проводились з використанням методів теорії графів, оптимізації та математичної статистики. Експериментальні дослідження проводились з використанням сучасної вимірювальної техніки та обладнання з обробкою отриманих результатів за допомогою сучасних засобів ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:—

вперше визначені аналітичні залежності між комплексними НВЧ-параметрами та рівнями і фазами сигналу в контрольних точках системи, що дає можливість автоматизувати процес контролю;—

вперше, щоб забезпечити необхідну точність автоматизованого контролю, отримані математичні залежності для визначення внеску похибок калібрувальних елементів і вимірювальних пристроїв у результуючі похибки параметрів, що контролюються.

Практичне значення одержаних результатів. На основі наукових досліджень розроблено електричні, структурні та принципові схеми, а також алгоритм функціонування і програмне забезпечення системи автоматизованого контролю параметрів активних НВЧ-виробів. На ВО "Знамя" (м. Полтава) виготовлено і випробувано у виробничих умовах робочий зразок даної системи (комплекс ВБДК.411734.001). Розроблені та використані лабораторні стенди для досліджень параметрів комутуючої частини системи контролю. Застосування розробленої системи дозволило за рахунок автоматизації технологічного процесу контролю параметрів НВЧ-виробів підвищити продуктивність праці та значно знизити інформаційне навантаження на оператора.

Особистий внесок здобувача. Автором запропонована схема НВЧ-тракту, яка забезпечує контроль НВЧ-параметрів і шумових параметрів чотириполюсника за одноразовим підключенням зразка до системи контролю.

Проведено дослідження комутуючої частини системи контролю та встановлено аналітичні залежності між комплексним коефіцієнтом передачі, коефіцієнтами стоячих хвиль на входах та виміреними рівнями і фазами сигналів на контрольних перетинах.

Отримані математичні залежності для визначення внеску похибок калібрувальних елементів і вимірювальних пристроїв у результуючі похибки параметрів, що контролюються.

На основі встановлених аналітичних залежностей розроблено автоматизовану систему контролю параметрів активних НВЧ-виробів при їх виготовленні за одноразовим підключенням виробів до даної системи контролю.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень за темою дисертації доповідались і обговорювалися на науково-практичній конференції молодих учених та спеціалістів НДІ "Волна" (1989 р., м. Саратов), на науково-технічній конференції молодих вчених і спеціалістів промисловості і будівництва (1990 р., м. Полтава), на науково-технічних конференціях Кіровоградського держаного технічного університету та Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка в 1992 — 2001 рр, на засіданні наукової ради науково-виробничої корпорації "КІА" (2001 р., м. Київ) .

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 праць, у тому числі 4 статті в збірниках наукових праць, 1 авторське свідоцтво на винахід і 7 матеріалів доповідей на наукових конференціях і семінарах.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, п'яти додатків і списку літератури з 127 найменувань, у тому числі 65 найменувань на іноземній мові. Обсяг дисертації становить 143 сторінки, включаючи 46 рисунків та дві фотографії, 8 таблиць і додатки на 18 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обгрунтована актуальність теми та викладені основні положення, які виносяться на захист.

Розділ 1. “ Огляд літератури по автоматизації контролю параметрів активних НВЧ-виробів у процесі їх виготовлення". Розглянуто технологічний процес виготовлення активних НВЧ-виробів (рис. 1) та виділені основні параметри, що підлягають контролю в даному техологічному процесі. Проведено класифікацію існуючих методів контролю НВЧ-параметрів дво- і чотириполюсників. Виявлено невідповідність існуючих технічних засобів сучасним вимогам автоматизації технологічного процесу, поставлені задачі досліджень.

Розділ 2. “Загальна методика і основні методи досліджень контролю параметрів активних НВЧ-виробів у процесі їх виготовлення". Загальна методика досліджень полягае в тому, що враховуючи сумiрність розмiрiв компонентів з довжиною хвилi, через комплексні S-параметри п-полюсного пристрою знаходяться такi НВЧ-параметри: коефiцiєнт стоячих хвиль за напругою (КСХ), коефiцiєнт пiдсилення за потужністю (Kp), зсув фази коефiцiєнта пiдсилення за потужністю (jКр), а також інші параметри, утворені від них. Для i-тої та к-тої клем багатополюсника при погоджених навантаженнях (ПН) на інших клемах цi параметри виражаються в наступному виглядi:

, (1)

, (2)

Kpki=20lgЅSkiЅ, (3)

. (4)

Для активного чотириполюсника параметри і та k приймають відповідно значення 1 і 2.

Використовуючи методи теорії графів, для дослідження НВЧ-тракту система контролю подана у вигляді 8-полюсного пристрою та 4-полюсного НВЧ-виробу.

Приведені та обгрунтовані загальні структури схем для дослідження прохідних параметрів та параметрів відбиття комутуючого НВЧ-тракту.

Використовуючи методи математичної статистики при дослідженні параметрів тракту, викладено загальні принципи формування вибірки та аналізу належності розподілу до нормального закону на основі її оцінок за критерієм Колмогорова - Смірнова.

Розділ 3. “Програма і методика експериментальних досліджень контролю параметрів активних НВЧ-виробів у процесі їх виготовлення". З метою контролю векторних характеристик за допомогою не бiльше ніж одного векторного вимiрювача запропоновано метод, що враховує всi похибки НВЧ-тракту й дозволяє знайти S-параметри чотириполюсника. За цим методом уся реальна система контролю подана у вигляді частини системи, що не вносить похибок, восьмиполюсника похибок, до якого внесенi всi неiдеальностi в елементах НВЧ-тракту і вимiрювальних перетворювачах системи контролю, та активного чотириполюсника.

Для знаходження r-параметрів запропоновано за допомогою вимiрювальних приладiв реєструвати рiвнi сигналiв, що пройшли та відбились вiд вхiдних перетинiв чотириполюсника, який контролюється разом з комутуючим пристроєм (НВЧ-трактом). Параметри комутуючого пристрою при цьому знаходяться за допомогою зразкових мiр (еталонiв). Параметри об'єкта контролю розраховуються за вимiреними даними та знайденими параметрами комутуючого пристрою. Для забезпечення контролю падаючих i вiдбитих хвиль на вхiдних перетинах чотириполюсника, а також єдностi граничних умов при зйомi векторних характеристик, чотириполюсник включений в основний канал чотирьох напрямлених вiдгалужувачiв з протилежних кiнцiв, навантажених на ПН (рис. 2). Два з них (10, 11) збуджують хвилi в основному каналi, останнi два (12, 13) вiдгалужують вiдбитi хвилі вiд вхiдних перетинiв об'єкта, що випробується. Напрямок падаючих хвиль задається за допомогою перемикача 1. Погодження НВЧ-комутатора забезпечується додатковими перемикачами 2, 3, якi пiдключають вiльнi виходи напрямлених вiдгалужувачiв до погоджених навантажень. Аналогiчнi функцiї виконують перемикачi 4, 5, 6, якi комутують вiдбитi хвилi вiд перетинiв 11ў, 22ў вимiрювача рiвня сигналу. Перемикачi 7, 8 підключають канал контролю температури шуму (Тш) або канал контролю S-параметрiв зразка, що випробується. Перемикач 9 та низькотемпературний генератор шуму 14 (НГШ) використовуються для задання різних рівнів сигналу при контролі шумових характеристик. Фiксований атенюатор, пiдключений до перетину 22ў чотириполюсника, забезпечує верхню межу діапазону вимірювання коефіцієнта підсилення.

Орiєнтований граф, що описує розглянутий тракт, має 16 невiдомих комплексних параметрiв rij (i = 0...3, j =0...3), якi необхiдно визначити.

Для спростування розглянутого графа проводились експериментальнi дослiдження НВЧ-тракту з метою скорочення кiлькостi невiдомих системи. У трактi використовуються електро-механiчнi перемикачi ХЕМ3.600-028-02, ХЕМ3.600-028-03, якi вiдрiзняються вхiдними з'єднувачами, котрi мають вносимi збитки 0,01 дБ з розв'язкою 70 дБ у дiапазонi 1—4 ГГц. У тракті використані напрямленi вiдгалужувачi ХЕМ3.564.054-07 (ВБDК.433372.001) з перехiдним послабленням 10 дБ, напрямленiстю не менше 40 дБ i КСХ у головному каналi близько 1.1.

Використовувалися погодженi навантаження ХЕМ3.564.025-01 та ХЕМ3.580.01-01 для штирьового та гніздового з'єднання відповідно. Вiддаленi елементи НВЧ-тракту з'єднувалися жорсткими коаксiальними лiнiями з каналом 7/3.04. Дослiдження розглянутого 8-полюсника проводилось у два етапи. На першому етапi дослiджувалися векторні значення r-параметрiв за допомогою вимірювача Р4-38 у повному складі свого комплекту.

Мiнiмально необхiдний об'єм вибірки при вимiрюваннi r-параметрiв, за припущенням нормального закону розподiлу випадкових величин, становить 18.

На другому етапі замiсть генератора качаючої частоти, який входить до комплекту Р4-38, використовувався синтезатор частоти BБДК.434841.001, забезпечуючий високу стабiльнiсть частоти генератора в кожній частотній точці. Використання синтезатора для знаходження параметрiв 8-полюсника дало можливiсть у фіксованих частотних точках зменшити похибки випадкових складових більш ніж у два рази, порівняно з похибками першого етапу.

Різниця значень параметрів, одержаних на першошу та другому етапах досліджень, приведена в колонцi "Dr, дБ" табл. 1.

№ з/п Наймену-вання r-пар. ЅrЅ, рази j, градуси dЅrЅ, рази dj, градуси ЅrЅ, дБ dЅrЅ, дБ D r, дБ

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 r00 0.071 290.5 0.00015 0.4 –42.92 0.17 0.14

2 r10 0.3421 144.1 0.0024 0.16 –9.32 0.05 0.0

3 r01 0.3386 198.5 0.0016 0.14 –9.41 0.04 0.05

4 r11 0.0542 263.3 0.00069 0.3 –25.30 0.10 0.22

5 r22 0.1452 77.4 0.0019 0.27 –16.77 0.10 0.17

6 r32 0.1510 96.4 0.0016 0.24 –16.43 0.07 0.33

7 r23 0.1570 59.3 0.0013 0.21 –16.09 0.06 0.19

8 r33 0.0031 177.5 0.000087 0.5 –50.18 0.20 1.38

9 r30 0.00056 283.4 0.000028 0.8 –65.16 0.5 0.84

10 r03 0.00021 62.3 0.000018 1.4 –73.67 0.52 0.32

11 r31 0.00017 36.2 0.000020 1.8 –75.20 0.83 2.19

12 r13 0.00023 169.4 0.000019 1.3 –72.79 0.75 1.39

13 r21 0.00028 133.2 0.00002 1.0 –71.13 0.58 1.72

14 r12 0.00020 241.4 0.000017 1.5 –73.99 0.82 1.07

15 r20 0.00018 81.7 0.000018 1.6 –75.01 0.92 0.17

16 r02 0.00021 148.0 0.000018 1.4 –73.55 0.67 0.75

У колонках 3, 4 таблиці 1 подані значення модуля і фази r-параметрів, а в колонках 5, 6 — їх середньоквадратичні відхилення. Колонки 7, 8 відображають значення r-параметрів та їх середньокводратичні відхилення, виражені в децибелах. На основi результатiв проведених дослiджень видно, що всi r-параметри в пунктах 9—16 роблять вплив на результати вимiрювань в однаковiй мiрi, але дослiдження двох вiдрiзкiв коаксiальних лiнiй, пiдключених до обох кiнцiв вимiрювальної схеми при вiдсутностi НВЧ-тракту (табл.2), дають практично тi ж значення, що i вище вказанi. Абсолютнi значення вказаних величин залежать вiд якостi виготовлення i пiдключення з'єднувачів та якостi екранування коаксiальних лiнiй. Таким чином, встановлено, що параметри r30, r03, r31, r13, r21, r12, r20, r02 являють собою не що iнше, як паразитне проходження зондуючого сигналу зi входу НВЧ-тракту на його вихiд. Параметри r31, r13, r21, r12, r20, r02 мають досить малi абсолютнi значення. Їх результуючий вплив на похибки визначення S-параметрів за найгірших фазових співвідношень становить не більше 5 %. Тому вони можуть бути видаленi з повного орiєнтованого графа восьмиполюсного пристрою.

№ з/п r- параметри, рази r- параметри, дБ

1 0.0001 –80

2 0.00008 –82

3 0.00003 –90.5

На основi пророблених двоетапних дослiджень виявлено, що параметри r00, r10, r01, r11, r22, r32, r23, r33, r30 i r03 необхiдно вважати значимими i вони створюють нову редуковану модель.

Розділ 4. “Теоретичні дослідження по визначенню аналітичних залежностей між НВЧ-параметрами та виміреними рівнями сигналів". Для орiєнтованого графа системи контролю, який об'єднує в собi восьмиполюсник i об'єкт контролю (рис. 3), обчислення r-параметрiв восьмиполюсника похибок розбито на 3 етапи.

Перший етап — знаходження параметрiв r00, r11, r01Чr10 для вхiдного, по вiдношенню до перетину S11, чотириполюсника. Другий етап — визначення аналогiчних параметрiв r33, r22, r32Чr23 для вхiдного, по вiдношенню до перетину S22, чотириполюсника. Третiй етап — знаходження прохiдних параметрiв r01Чr23, r10Чr32 за допомогою еталонної лiнiї передачi i знаходження параметрiв паразитного проходження r30 i r03.

Розрахунок r-параметрiв на першому етапi проводиться при пiд'єднанні двополюсника з коефiцiєнтом вiдбиття Sn до перетину 11ў. При цьому вимiрений рiвень сигналу М виражається через значення визначника Dr формулою:

M = r00 + MЧSnЧr11- SnЧDr, (5)

де Dr = r00Чr11- r01Чr10. (6)

Слiд зазначити, що добуток r01Чr10 позначений однією невiдомою.

Розглянута система лiнiйних рiвнянь для однозначного визначення повинна мати що найменше три рiвняння з рiзними значеннями Sn i їм вiдповiдними показаннями приладiв М. Таким чином, система комплексних рiвнянь, записана в матричнiй формi,має вигляд:

[ A( Mi , Si )ij ]Ч [ rj ] = [ Mi ] , (7)

де A( Mi, Si )ij — коефiцiєнти, якi залежать вiд Mi, Si; Mi — показання вимiрювальних пристроїв; Si — значення калiбрувальних констант; rj — упакований масив параметрiв rmh; i, j — цiлi числа вiд 1 до N; m, h — індекси, які мають значення в діапазоні 0 — 3.

У даній системі N = 3, і розв'язок такої системи рiвнянь можна знайти для будь-яких калiбрувальних констант Si. Однак, ураховуючи граничнi можливостi вимiрювальних пристроїв, обумовлені фiзичними явищами, формуючими процес вимiрювання, необхiдно при заданих допустимих флуктуацiях показань Mi мати мiнiмальну похибку параметрiв rij. Виміреними параметрами в цьому випадку виступають Si, вибiр яких визначає обумовленiсть системи рiвнянь.

Для забезпечення максимальної обумовленостi системи рiвнянь застосований градiєнтний метод пошуку параметрiв калiбрувальних елементiв (Si). Мiнiмiзуюча функцiя мети при цьому має вигляд:

, (8)

де . (9)

При i + 1 > N виконується рівність .

Функцiя обмеження (Fobm) має ненульовi значення при виходi значень параметрiв Si за межi областi визначення. Вектори утворенi координатами вiдповiдних елементiв i-того рядка матрицi коефiцiєнтiв .

У результатi проведеної мiнiмiзацiї були одержанi значення Si, якi розмiщенi на границях кола одиничного радiуса, поданого на комплекснiй площинi, на максимальнiй вiдстанi один вiд одного, тобто ЅS1Ѕ=1, js1=180° , ЅS2Ѕ=1, js2=- 60°, ЅS3Ѕ= 1, js3=60°.

Однак калібрувальні константи вибрані інші: короткозамкнуте навантаження (ЅS1Ѕ=1, js1=180°); навантаження холостого ходу (ЅS2Ѕ= 1, js2=0° ) i погоджене навантаження (ЅS3Ѕ=0). Даний набiр калiбрувальних констант не забезпечує мiнiмальне значення функцiї мети (0.24). Однак його вiдхилення (0.08) вiд заданого значення незначне порівняно з максимальним значенням (3.0) i є компромiсним рiшенням у широкому дiапазонi частот.

Розв'язок системи рiвнянь (7) вiдносно r-параметрiв при вiдомих Si i Mi має вигляд:

* , (10)

*, (11)

*. (12)

Добуток r01Чr10 вираховується зі знайдених параметрiв за формулою (6). Параметри r33, r22, r32Чr23 знаходяться на другому етапi (аналогiчно першому етапу) з замiною r00 на r33, r11 на r22, r01Чr10 на r32Чr23. При цьому MiЅi=1,2,3 — вимiренi рiвнi вiдбитих сигналiв вiд калiбрувальних навантажень на перетинi 22ў.

Для знаходження прохiдних параметрiв на третьому етапi спростовано напрямлений граф, розбивши його на двi частини за вiдшукуваними групами параметрiв: Sm1, Tm1 i Sm2, Tm2.

*, (13)

*, (14)

*, (15)

*. (16)

В одержаних рiвняннях (13) — (16) Sm1 i Sm2 показують вимiренi при включеному 4-полюснику рiвнi сигналiв, вiдбитих вiд вхiдних перетинiв 11ў i 22ў вiдповiдно, а Tm1 i Tm2 — вимiренi значення рiвнiв сигналiв, якi проходять через даний чотириполюсник. Параметри r30 i r03, якi являють собою паразитне проходження сигналу з-за кiнцевої розв'язки елементiв тракту, знайденi шляхом безпосереднього вимiрювання рiвня сигналу, що проходить через тракт із входу на вихiд i з виходу на вхiд чотириполюсника при вiдсутностi самого чотириполюсника на шляху проходження. Добуток параметрiв r10Чr32 та r01Чr23 знайдено зі спiввiдношень (14) i (16):

, (17)

, (18)

де , (19) —

параметри зразкової лiнiї. У даних рiвняннях параметри Т1 i Т2 виступають значеннями рiвнів сигналiв, котрi реєструються вимiрювачем, коли мiж перетинами 11ў i 22ў включена зразкова лiнiя i сигнал надходить вiд перетину 11ў до 22ў i вiд перетину 22ў до перетину 11ў вiдповiдно.

Розв'язок системи рiвнянь вiдносно чотириполюсника має вигляд:

*, (20)

*, (21)

*, (22)

*, (23)

де * (24)

Для врахування внеску похибок калiбрувальних елементiв та похибок вимірювача у результуючі похибки параметрiв Kр, КСХ, jКр виведено співвідношення для вказаних похибок.

Залежності приведеної вiдносної похибки коефiцiєнта стоячої хвилi для входу i виходу чотириполюсника (КСХin(out)), а також коефiцiєнта передачi від S-параметрів 4-полюсника подані на рис. 4. З поданих залежностей випливає, що при варiацiях параметра S21 у межах вiд 1 до 100 (Кр = 0 дБ — 40 дБ), параметрiв S11 i S22 у межах вiд 1.024 до 0.33 (КСХin(out) = 1.05 — 2) i фаз у межах вiд -180° до +180°, внесок приведеної похибки вимiрювання модуля коефiцiєнта передачi за рахунок похибки модуля коефiцiєнта вiдображення еталонiв (4 %, 0.34 дБ) i похибки фази еталонної лiнiї (0.5°) для типового чотириполюсника складає не бiльше 8.4 % (0.35 дБ). Внесок похибки фази коефiцiєнта передачi при тих самих даних становить не бiльше 1.2°, а внесок приведеної похибки КСХin(out) не бiльше ніж 7.8 %.

За розрахунками встановлено, що для вимiрювача рiвня сигналу, який має власну похибку вимiрювання фази сигналу 0.8° (з надiйною ймовiрнiстю Р = 0.95) i похибку рівня сигналу 0.35дБ, внесок у похибку розрахунку Кр складає не бiльше 0.5 дБ, внесок у похибку розрахунку становить 1.55°, а внесок у приведену похибку КСХin(out) не перебiльшує 10 % для типового активного чотириполюсника з параметрами Кр = 30 дБ, =120°, KCXin = КСХout = 1.6.

Результуюча похибка всiєї системи контролю для кожного з параметрiв Кр, КСХ, знайдена як середньоквадратичне значення похибок еталонiв i вимiрювача для вiдповiдних залежностей змiн S-параметрiв чотириполюсника. Максимальне значення приведеної похибки коефiцiєнта передачi, вирахованого таким чином, має значення 14 %. Похибка фази коефiцiєнта передачi складає не бiльше 2°, а приведена похибка КСХin i КСХout не перевищує 10.3 % i 11.2 % вiдповiдно.

За викладеною методикою знаходження НВЧ-параметрів побудовано структурну алгоритмічну схему системи контролю, подану у векторній формі (рис. 5).

Розділ 5. “Технічна реалізація наукових результатів та їх техніко-економічна оцінка". Для реалiзацiї викладених теоретичних передумов була розроблена автоматизована система (рис. 6), що дозволяє за допомогою обчислень r i s-параметрiв контролювати модуль коефiцiєнта передачi чотириполюсника за потужністю, його фазу i нерiвномiрнiсть у дiапазонi частот, коефiцiєнт стоячих хвиль за напругою для входу й виходу, нелiнiйнiсть фазочастотної характеристики, еквiвалентну шумову температуру входу.

Крiм вказаних параметрiв, система також дозволяє контролювати струм i напругу живлення активного чотириполюсника, струми та напруги, вмонтованих у чотириполюсник фазообертувачiв.

До складу системи входить блок iнтерфейсний, який приймає вiд ПЕОМ i видає на неї вiдповiднi сигнали. Цей блок являє собою систему функцiональних плат, котрi об'єднуються шиною обмiну iнформацiєю. Вiн забезпечує доступ до всiх елементiв системи за допомогою плат паралельного периферійного інтерфейсу (ППІ), плат силових ключів (ПСК) та схем комутації (СК). Керування та початкове програмування самого блока iнтерфейсного виконується за допомогою iнтерфейсної плати (ПІ2) через адаптер указаної плати (АІ2). Камера холоду та тепла (КХТ) забезпечує необхідні температурні режими НВЧ-виробу.

Результати досліджень системи приведенi в табл. 3. З приведеної таблицi видно, що результуюча фактична похибка системи контролю для коефiцiєнта передачi не перевищує 0.4 дБ (Р = 0.95). Похибка контролю фазового зсуву не бiльше 1.21° (Р = 0.95). Коефiцiєнт стоячих хвиль за напругою вимiрювався для активного чотириполюсника та пасивних навантажень. При цьому похибка контролю КСХ для входу не перевищує 7 %, а для виходу не бiльше 3 % (Р = 0.95). Контроль температури шуму чотириполюсника проводився з похибкою, що не перевищує 5 % при надiйнiй імовiрностi 0.997.

№ з/п Назва характеристики Система ВБДК411734.001 (номери вимірювань) Знач. парам. зразка Факт. знач. похибки Допуст. знач. пох.ТЗ

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 Коеф. підсилення за потужністю Кр, дБ min max 29.135 29.89 29.04 29.80 29.02 29.79 29.04 29.80 29.03 29.81 29.20 30.10 0.213 0.395 0.9 0.9

2 Нерівномірн. Kp, дБ 0.76 0.76 0.77 0.76 0.78 0.80 0.048 0.5

3 Еквівалентна шумова температура Тш, К 113.6 115.8 115.7 114.6 115.8 113.8 4.43 % 12 %

4 Фазовий зсув на центр. частоті: I розр, град. II розр, град. III розр, град. –45.79 –90.47 178.18 –45.05 –89.42 179.08 –45.05 –89.50 179.25 –45.20 –89.21 178.95 –45.14 –89.62 179.31 –45.7 –90.4 179.5 0.739 1.21 0.946 2 2 3

5 Нелінійність ФЧХ, град. 1.8 1.5 1.5 1.4 1.3 1.35 0.312 3

6 КСХвх. мах, од. 1.676 1.658 1.666 1.673 1.665 1.59 6.792 % 15 %

7 КСХвих.мах, од. 1.327 1.367 1.367 1.348 1.35 1.33 2.752 % 15 %

Порiвнюючи час проведення контролюючих операцiй оператором на існуючих установках i час виконання цих же операцiй на розглянутій системі, був одержаний 4-разовий виграш у часі контролю виробів. При впровадженнi системи збiльшилася вірогіднiсть достовірного контролю параметрiв чотириполюсника, а також покращились естетичнi i ергономiчнi показники. Економiчний ефект вiд упровадження автоматизованої системи в масштабах цін 1997 року складає 85 тисяч гривень на рiк.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації одержані нові науково обгрунтовані теоретичні та експериментальні результати, сукупність яких є суттєвою для розвитку автоматизованих систем контролю параметрiв активних НВЧ-виробів та автоматизованих технологій при їх виробництві:

1. Проведено дослідження комутуючої частини системи контролю та встановлено аналітичні залежності між комплексним коефіцієнтом передачі, коефіцієнтами стоячих хвиль на входах та виміреними рівнями і фазами сигналів на контрольних перетинах.

2. Запропонована схема НВЧ-тракту, яка забезпечує контроль НВЧ-параметрів і шумових параметрiв чотириполюсника за одноразовим пiдключенням зразка до системи контролю.

3. Знайдено потрібну кількість калібрувальних елементів та їх параметри (ЅS1Ѕ = 1, js1=180°, ЅS2Ѕ = 1, js2 = 0°, ЅS3Ѕ = 0), котрi забезпечують мiнiмальну, стiйку похибку системи в широкiй смузi частот.

4. Виведено математичні залежності для визначення внеску похибок калібрувальних елементів і вимірювальних пристроїв у результуючі похибки системи контролю. При цьому встановлено, що за рахунок похибки модуля коефіцієнта відображення еталонів (4 %), похибки фази еталонної лінії (0.5°), а також похибки фази (0.8°) і модуля (0.35 дБ) вимірювача рівня сигналу внесок у приведену похибку системи контролю становить не більше: 14 % (0.66 дБ) для модуля коефіцієнта передачі, 2.0° для його фази і 12 % для КСХin(out) .

5. У результатi проведення теоретичних i експериментальних дослiджень створено автоматизовану систему контролю, яка дозволяє за встановленими аналітичними залежностями між НВЧ-параметрами та виміреними рівнями і фазами сигналів на контрольних перетинах при одноразовому підключенні НВЧ-виробу до системи контролю знайти коефiцiєнт стоячих хвиль за напругою для входу та виходу, коефiцiєнт пiдсилення за потужністю, фазу коефiцiєнта пiдсилення, нелiнiйність фазочастотної та нерiвномiрність амплiтудно-частотної характеристик.

Фактична похибка контролю коефіцієнта передачі не перевищує 0.4 дБ, фази— 1.21°, КСХin(out) — 7 % (P = 0.95), що повністю підтверджує результати теоретичних досліджень і задовольняє вимогам технічного завдання на виготовлення системи.

6. Автоматизована система контролю дозволяє здійснювати сумісний контроль НВЧ-параметрів та температуру шуму виробів при одноразовому їх підключенні.

7. Впровадження вказаної системи дозволило за рахунок автоматизації технологічного процесу контролю параметрів активних НВЧ-виробів одержати 4-разовий виграш у часі контролю виробів. Рiчний економiчний ефект вiд упровадження такої системи в масштабах цін 1997 року склав 85 тисяч гривень.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Лисиця М. П. Дослідження та побудова моделі системи, що контролює параметри технологічного процесу при виготовленні активних НВЧ-чотириполюсників // Збірник наукових праць (техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматика). — Вип. 6. — Кіровоград: КДТУ, 2000. — С. 118 — 121.

2. Лисиця М.П. Внесення похибок еталонів у похибку системи контролю // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). — Вип.2. — Полтава: ПДТУ ім. Ю. Кондратюка, 1998. — С. 353-357.

3. Галай М.В., Лисиця П.М., Лисиця М.П. Принцип розподіленого струмового навантаження в пристроях регулювання з виконавчими електромагнітними елементами // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). — Вип.2. — Полтава: ПДТУ ім. Ю. Кондратюка, 1998. —С. 350-353.

4. Лисица М.П. Система контроля параметров электронных элементов автоматики // Пути повышения эффективности строительства: Тем. сб. науч. тр. — Киев, 1993. — С.142-150.

5. A. C. 1441468 СССР. Формирователь импульсов с удвоением напряжения / М.П. Ли-сица (СССР). — Опубл. в Б.И., 1988, № 44.

6. Галай Н.В., Лисица М.П. Моделирование систем контроля электрических параметров полупроводниковых приборов // Тез. докл. 44 науч. конф. проф., преп., науч. работников, асп. и студентов ин-та / Полт. ИСИ. — Полтава, 1992, Ч.2. — С.312-313.

7. Лисица М.П. Автоматизированный комплекс измерения электрических параметров твердотельных усилителей СВЧ-диапазона // Сб. тез. обл. научно-технической конф. ученых и специалистов пром-сти и строительства. —Полтава: Обл. совет МУиС, 1990. — С.27-30.

8. Галай Н.В., Лисица М.П. Автоматизированная система контроля полупроводниковых изделий в процессе изготовления // Тез. докл. 43 науч. конф. проф., преп., науч. работников, асп. и студентов ин-та / Полт. ИСИ. — Полтава, 1991. — С.305.

9. Галай М.В., Лисиця М.П. Моделювання похибок системи контролю, що вносяться калiбруючими елементами // Тез. доп. 46 наук. конф. проф., викл., наук. працiвникiв, асп. та студентiв iн-ту / Полт. IБI. — Полтава, 1994. — С.96-97.

10. Лисиця М.П. Моделювання похибок системи контролю, що вносяться вимiрювачем // Тез. доп. 46 наук. конф. проф., викл., наук. працiвникiв, асп. та студентiв iн-ту / Полт. IБI. — Полтава, 1994. — С.100.

11. Галай Н.В., Лисица М.П. Программно-аппаратный комплекс автоматизированного контроля электрических параметров полупроводниковых изделий // Тез. доп. 45 наук. конф. проф., викл., наук. працiвникiв, асп. та студентiв iн-ту / Полт. IБI. — Полтава, 1993. — С.196-198.

12. Лисица М.П. Структура комутуючого тракту автоматизованої системи контролю НВЧ параметрів активних чотириполюсників // Тез. доп. 50 наук. конф. проф., викл., наук. працiвникiв, асп. та студентiв університету / Полтава: ПДТУ ім. Ю. Кондратюка, 1998. — С.4.

АНОТАЦІЯ

Лисиця М.П. Автоматизована система контролю параметрів активних НВЧ-виробів у процесі їх виготовлення.— Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07— автоматизація технологічних процесів.— Кіровоградський державний технічний університет, Кіровоград, 2001.

Має результати теоретичних та експериментальних досліджень, які напрямлені на створення структури, методу розрахунку й алгоритму функціонування системи контролю електричних параметрів активних НВЧ-виробів у процесі їх виготовлення за одноразовим підключенням виробів до даної системи.

Знайдено необхідні значення параметрів калібрувальних елементів та встановлено аналітичні залежності між комплексним коефіцієнтом передачі, коефіцієнтами стоячих хвиль на входах, коефіцієнтом шуму виробу та виміреними рівнями і фазами сигналів на контрольних перетинах. Проведено числовий аналіз внеску похибки калібрувальних елементів і похибки вимірювача в результуючу похибку системи. Приведені дані на впровадження автоматизованої системи у виробництво.

Ключові слова: автоматизована система, НВЧ-тракт, калібрувальний елемент, модель, теоретичні дослідження, параметри, чотириполюсник, система, похибка.

АННОТАЦИЯ

Лисица М.П. Автоматизированная система контроля параметров активных СВЧ-изделий в процессе их изготовления.— Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 — автоматизация технологических процессов.— Кировоградский государственный технический университет, Кировоград, 2001.

Содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание структуры, метода расчета и алгоритма функционирования автоматизированной системы контроля электрических параметров активных СВЧ-изделий, однократно подключаемых к данной системе.

Идея повышения эффективности контроля состоит в совмещении контроля параметров СВЧ-изделия и коммутирующего устройства. Контролируемые параметры СВЧ-изделия определяются на основе установленных аналитических зависимостей между комплексным коэффициентом передачи, коэффициентами стоячих волн на входах, коэффициентом шума изделия и измеренными уровнями и фазами сигналов на контролируемых сечениях. При этом параметры коммутирующего устройства находятся с помощью квазиоптимально выбранных образцовых мер.

В работе обоснована и разработана математическая модель системы автоматизированного контроля электрических параметров активных СВЧ-изделий с использованием теории графов. Предложенная модель позволяет непосредственным выделением 8-полюсника погрешностей и предварительным нахождением его параметров вычислить S-параметры контролируемого четырехполюсника.

Предложена схема СВЧ-тракта, которая обеспечивает контроль S-параметров и шумовых параметров четырехполюсника при однократном подключении образца к системе контроля. Схема позволяет устанавливать все направления прохождения волн через СВЧ-изделие.

Проведено исследование указанного СВЧ-тракта для нахождения векторных характеристик, которые характеризуют 8-полюсник погрешностей, в результате чего был получен редуцированный ориентированный граф данного 8-полюсника.

Найдено решение математической модели относительно параметров 8-полюсника погрешностей и относительно S-параметров четырехполюсника.

Найдено необходимое количество калибрующих элементов и их параметры (ЅS1Ѕ=1,js1 = 180° , ЅS2Ѕ = 1, js2= 0°, ЅS3Ѕ = 0), которые обеспечивают минимальную, устойчивую погрешность системы, работающей в широкой полосе частот.

Проведено численный анализ погрешностей калибрующих элементов и погрешностей измерительных приборов, внесенных в результирующую погрешность автоматизированной системы. При этом выявлено, что за счет погрешности модуля коэффициента отражения эталонов (4 %), погрешности фазы эталонной линии (0.5°), а также погрешности фазы (0.8°) и модуля (0.35 дБ) измерителя уровня сигнала внесение в приведенную погрешность системы контроля составляет не больше 14 % для модуля коэффициента передачи, 2.0° для его фазы и 12 % для КСВвх(вых).

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана и изготовлена автоматизированная система контроля, которая позволяет с помощью установленных аналитических соотношений найти S-параметры активного четырехполюсника. Они необходимы для нахождения коэффициента стоячих волн по напряжению для входа и выхода, коэффициента усиления по мощности, фазы коэффициента усиления, нелинейности фазочастотной и неравномерности амплитудно-частотной характеристик.

Основным компонентом всей системы является ПЭВМ. С помощью ее обеспечивается управление ресурсами всей системи, контроль почти всех ее элементов, обработка информации, которая поступает от всех первичных источников и выдача результатов на устройство индикации. При этом основные результаты документируются на печатающем устройстве.

В состав системы входит блок интерфейсный, который принимает от ПЭВМ и выдает на нее соответствующие сигналы. Этот блок представляет собой систему функциональных плат, объединенных шиной обмена информацией. Он обеспечивает доступ ко всем элементам системы с помощью плат паралельного периферийного интерфейса, плат силовых ключей и схем комутации. Управление на начальное программирование самого блока интерфейсного осуществляется с помощью интерфейсной платы через адаптер указанной платы. Камера холода и тепла обеспечивает необходимые температурные режимы СВЧ-изделия.

Фактическая погрешность контроля КСВвх(вых) не превышает 7 % (P = 0.95), модуля коэффициента передачи — 0.4 дБ, фазы коэффициента передачи — 1.21°, что полностью подтверждает результаты теоретических исследований.

Кроме перечисленных выше параметров, система обеспечивает контроль температуры шума и параметров питания и управления, которые характеризуют режим роботы активного четырехполюсника.

Внедрение указанной системы позволило за счет автоматизации технологического процесса контроля параметров активных СВЧ-изделий получить 4-разовый выигрыш в производительности труда. Годовой экономический эффект от внедрения системы в масштабах цен 1997 года составил 85 тысяч гривень.

Ключевые слова: автоматизированная система, СВЧ-тракт, калибровочный элемент, модель, теоретические исследования, параметры, четырехполюсник, система, погрешность.

SUMMARY

M.P. Lisitsa. The automated monitoring system of parameters of active microwaves-items during their manufacturing.— Manuscript.

The thesis for gaining the degree of the candidate of technical sciences for the speciality 05.13.07 — automation of technological processes.— The Kirovograd State Technical University. Kirovograd, 2001.

It contains the results of theoretical and experimental researches aimed to create a structure method of calculation and algorithm to operate the automated monitoring system of electrical features of active microwaves-items during their manufacturing at a sole connection to the given system.

Necessary values of calibrating features of elements have been found and revealed the analytical dependences between complex factor of transfer, factors of immobile waves on inputs, a noise factor of an item and measured levels and phases of signals on control sections. The numerical analysis of accounting an error of calibration elements and error gauge in resulting error of system has been conducted. The data on introduction of automated system in production have been indicated.

Key words: automated system, syperhigh-frequency path, calibration element, model, theoretical researches, parameters, two-port network, system, error.

Підписано до друку 10.12.2001р. Формат 60ґ90/16. Папір друк.

Надруковано на різографі. Умов. друк. арк. 1,25. Зам. № 143/2001 Тираж 100 прим.

ПДТУ ім. Ю. Кондратюка 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24