Вінницький державний технічний університет

Арсенюк Ігор Ростиславович

УДК 621.3:681.326

РОЗРОБКА СТРУКТУРНИХ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ПІДВИЩЕННЯ

ТОЧНОСТІ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ДЛЯ СИСТЕМ

ПОЕЛЕМЕНТНОГО ДІАГНОСТУВАННЯ

Спеціальність 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Роїк Олександр Митрофанович, Вінницький державний технічний університет, доцент кафедри інтелектуальних систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Володарський Євген Тимофійович, Національний технічний університет України "КПІ", м. Київ, професор кафедри автоматизації експериментальних досліджень

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Погребенник Володимир Дмитрович, Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, м. Львів, старший науковий співробітник відділу електричних вимірювань фізичних величин

Провідна установа: Державний університет "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України, кафедра інформаційно-вимірювальної техніки, м. Львів

Захист відбудеться 27.10.2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому державному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького державного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий 25.09.2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Павлов С. В.ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток науки і техніки характеризується постійним функціональним ускладненням та зростанням різноманітності електронних пристроїв і систем. При цьому їх випуск буде економічно доцільними, якщо вони працюватимуть довго і надійно, що може бути досягнуто, насамперед, шляхом комплексної автоматизації контрольно-вимірювальних операцій на всіх стадіях їх життєвого циклу. Ручні методи пошуку несправностей неефективні і не завжди дозволяють привести пристрій у стан, який би задовольняв технічним вимогам до нього, що призводить до небажаних наслідків. Цим і пояснюється зацікавленість різних фірм і підприємств до створення та застосування автоматизованої контрольно-вимірювальної апаратури.

На сьогоднішній день випускаються системи, що засновані на структурних, покомпонентних і комбінованих методах діагностування. Системи структурного діагностування характеризуються високою вірогідністю результатів тестування та найвищою швидкодією відбраковування продукції, але не відповідають вимогам непошкоджуючого тестування. Системи покомпонентного діагностування забезпечують непошкоджуючий характер тестування, проте вірогідність їх результатів нижча, ніж у систем, заснованих на структурних методах. З цієї точки зору досить актуальною є задача забезпечення високої вірогідності результатів тестування систем покомпонентного діагностування. Серед покомпонентних систем широкого застосування здобули системи поелементного діагностування, оскільки саме вони забезпечують максимальну глибину пошуку дефектів, характеризуються високою швидкодією проведення діагностичних операцій, є універсальними, мають найнижчу вартість та не потребують високої кваліфікації обслуговуючого персоналу.

Системи поелементного діагностування засновані на внутришньосхемних методах вимірювань параметрів елементів складних об’єктів. Даним методам присвячені роботи Мартяшина О.І., Шляндіна В.М., Шахова Е.К., Ципіна Б.В., Володарського Є.Т., Ліхтциндера Б.Я., Байди М.П. , Роїка О.М., Месюри В.І. та інших.

Ефективність систем діагностування визначається вірогідністю прийняття рішень, яка, в свою чергу, визначається методичною та інструментальною складовими. Перша залежить від методики проведення діагностичних операцій, а друга обумовлюється похибками вимірювань засобів діагностування. В останній час запропоновано підхід щодо підвищення методичної складової достовірності контролю в системах поелементного діагностування, який базується на співставленні результатів моделювань функціонування ідеалізованих блоків пристрою і тих же блоків при виміряних параметрах. Даний підхід перспективний, але і він не дозволяє отримати бажаних результатів, якщо засоби діагностування не забезпечують достатньої точності вимірювань. Така точність залежить від точності первинного перетворювача (ПП), який є ядром будь-якої системи поелементного діагностування, оскільки дозволяє здійснити інваріантне перетворення вимірюваного параметра в уніфікований сигнал. Метрологічні характеристики ПП, і зокрема точність, в значній мірі залежать від якості такого перетворення. А оскільки схеми електронної апаратури досить різноманітні за конфігураціями та номіналами їх складових - проявляється загальний недолік розроблених на даний час ПП, який полягає у невисокій точності перетворення (при деяких конфігураціях схеми та параметрах її складових). Це призводить до зниження вірогідності результатів діагностування в цілому. Таким чином, задача підвищення точності поелементних вимірювань та розробки засобів на їх основі, безперечно, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно з тематичним планом проведення НДДКР у ВПI та ВДТУ за рахунок коштів державного бюджету, узгодженим Міністерством освіти України (№ держ. реєстрації 0194U013577). Вибраний напрямок досліджень пов’язаний з пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки "Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв’язку", затвердженим постановою Верховної Ради України від 16.10.1992 р., №2705-XI.

Роль автора полягає у розробці підходів щодо декомпозиції друкованих вузлів аналогових та гібридних електронних пристроїв для задач діагностування.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є поліпшення точносних характеристик підсистем поелементних вимірювань шляхом використання нових методів та засобів інваріантного перетворення параметрів комплексних двополюсників у складі замкнених електричних кіл.

Для досягнення цієї мети необхідно розв’язати такі задачі:

·

· провести аналіз та визначити обмеження по застосуванню існуючих засобів вимірювань в системах поелементного діагностування;

· розробити та провести дослідження методу підвищення точності вимірювальних перетворювачів, що заснований на компенсації похибок шляхом від'ємного шунтування шунтувальних елементів;

· розробити та провести дослідження методу зменшення похибок перетворень, що заснований на заміщенні структури вимірювального перетворювача;

· запропонувати підхід щодо побудови процедури діагностування комплексних двополюсників, який базується на розроблених методах;

· розробити рекомендації щодо проектування підсистем вимірювань і впровадити отримані результати в практику поелементного діагностування друкованих вузлів гібридних та аналогових електронних пристроїв.

Об’єктом дослідження є діагностування технічного стану аналогової та гібридної електронної апаратури. Предметом дослідження є вимірювання параметрів пасивних двополюсників у складі друкованих вузлів електронних пристроїв.

Методи досліджень базуються на використанні теорії графів, теорії множин, методів технічної діагностики, методів машинного моделювання електронних схем, теорії сигналів та теорії вимірювань.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі отримані такі наукові результати:

·

· розширено допустимий діапазон паралельного шунтування пасивних двополюсників у складі замкнених електричних кіл, в межах якого забезпечується задовільна точність перетворень досліджуваних параметрів. Це дозволило підвищити достовірність результатів діагностування;

· вперше розроблено метод зменшення похибок первинних перетворювачів, що заснований на заміщенні їх структур. Даний метод дозволяє зменшити вплив на результати вимірювань інших елементів об’єкта діагностування, які не беруть участь на даному етапі перетворення.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані наукові результати впроваджені на Вітебському телевізійному заводі ВО "Вітязь" (м. Вітебськ, Республіка Білорусь). Впровадження підтверджується відповідним актом.

Використання одержаних у роботі результатів дозволило розробити підсистему вимірювань "ПВ 3000". Експлуатація цієї підсистеми у складі модульної системи контролю "МСК 3000" дозволила реалізувати ефективне діагностичне забезпечення друкованих плат телевізійної техніки за рахунок високої точності вимірювань та автоматизації підготовки тестових процедур.

Розроблена автором підсистема може бути застосована на будь-якому підприємстві, що займається серійним випуском та ремонтом аналогових і гібридних друкованих вузлів електронних пристроїв.

Запропоновані методи підвищення точності вимірювальних перетворювачів, а також загальний алгоритм автоматизації підготовки процедур діагностування комплексних двополюсників у складі друкованих вузлів можуть бути покладені в основу розробки апаратури діагностування з більш високими точносними характеристиками.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Здобувачу належать:

·

· розробка методу підвищення точності вимірювальних перетворювачів, що заснований на заміщенні базової структури перетворювача;

· розробка структурних схем та алгоритмів функціонування вимірювальних перетворювачів з поліпшеними точносними характеристиками;

· розробка структури підсистеми вимірювань параметрів комплексних двополюсників у більш складних структурах;

· розробка узагальненого алгоритму процедури діагностування комплексних двополюсників у замкнених колах;

· розробка автоматизованої підсистеми вимірювань для системи поелементного діагностування друкованих вузлів аналогових та гібридних електронних пристроїв;

· удосконалення мови діагностування комплексних двополюсників у складі друкованих вузлів електронної апаратури, яка передбачає використання запропонованих методів.

Апробація результатів дисертації. Викладені в дисертації результати досліджень пройшли апробацію на таких наукових конференціях і семінарах: друга Міжнародна конференція "Автоматизація проектування дискретних систем" (Мінськ, 1997 р.); Міжнародна наукова конференція "Development and applіcatіon systems" (Suceava, Romanіa, 1998 p.); п’ята Міжнародна науково-технічна конференція "Контроль і управління в складних системах" (Вінниця, 1999 р.). Результати роботи доповідались на XXVI - XXIX науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВДТУ з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників м. Вінниці та області (Вінниця, 1997, 1998, 1999, 2000 рр.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 5-и статтях у наукових фахових журналах та матеріалах доповідей 3-х міжнародних науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів і п'яти додатків. Загальний обсяг дисертації 133 сторінок, з яких 43 рисунки займають 12 сторінок, 2 таблиці займають 0.5 сторінки, 5 додатків займають 15 сторінок. Список використаних джерел займає 8 сторінок і складається з 90 найменувань. Додатки містять додаткові пояснювальні матеріали, результати моделювання та акт впровадження результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність проблеми досліджень, показано зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Сформульовано мету та задачі досліджень. Охарактеризовано наукову новизну та практичну значимість одержаних результатів, а також описано їх апробацію, публікації та впровадження.

В першому розділі проведено огляд сучасного стану та проаналізовано тенденції розвитку систем діагностування друкованих вузлів електронних пристроїв. Показано, що досить важливою складовою для забезпечення високої ефективності будь-якої стратегії діагностування є система поелементного діагностування.

Проаналізовано точносні характеристики ПП сучасних систем поелементного діагностування, серед яких виділяють перетворювачі, що функціонують за методом заданої напруги (ППН) та заданого струму (ППС). Оскільки всі вони характеризуються досить великою різноманітністю та мають приблизно однакові метрологічні характеристики, похибки перетворення розглядаються на прикладі двох ПП (рис.1) обох вищезгаданих класів (тут Zx - досліджуваний двополюсник; Z1, Z2 - шунтувальні двополюсники; Z0 - взірцевий елемент; СЕК - складне електричне коло; ОП - операційний підсилювач). Функції перетворення ППН і ППС, без врахування складових високого порядку малості, описуються так:

(1)

; (2)

(3)

(4)

де Uппн, Uппс - вихідні напруги ППН і ППС відповідно; U0 - напруга тестового сигналу; K - коефіцієнт підсилення ОП; e0 - напруга зсуву нуля ОП; gн, gс, bн, bс - відповідно мультиплікативні та адитивні складові похибки перетворення; івх.і - вхідний струм ОП по входу, що інвертує.

Рис.1. Функціональні схеми ПП: а) ППН; б)ППС

Значення співвід-ношень Z0/Z1, Zx/Z1 для об'єктів діагностування залежать від параметрів елементів, що входять до СЕК і можуть бути більшими ніж 1000. В таких випадках забезпечення малих значень gн і gс досягається лише при великому коефіцієнті підсилення ОП. З іншого боку, при вимірюванні параметрів комплексних двополюсників (тобто, якщо Zх=Zі || Zш, де Zі, Zш - двополюсники з активним та реактивним характером імпедансів), функції перетворення ППН і ППС при вимірюванні, наприклад, параметра Zі мають, відповідно, такий вигляд:

, ; , ,

де gпн, gпс - неінформативні складові вихідних сигналів ППН та ППС відповідно.

При цьому інваріантне перетворення можливе при виконанні умови

Zі/Zш Ј 5...10, (5)

тобто, якщо значення активного та реактивного імпедансів цих двополюсників не відрізняються більше ніж на порядок. Проте, на практиці часто зустрічаються випадки, коли умова (5) не виконується і ПП входить в режим, що призводить до часткової або повної втрати інформації про вимірюваний параметр. Розв’язання цієї задачі потребує підвищення тестової частоти так, щоб дані імпеданси були сумірними. Наслідком такого підвищення є зниження коефіцієнта підсилення ОП, який залежить від частоти і має спад 20 дБ/дек., починаючи з десятків герц.

Графік залежності gн (gс) від співвідношення Z0/Z1 (Zх/Z1) для різних значень К наведено на рис.2. З графіка бачимо, що вже при Z0/Z1 (Zх/Z1) = 60 похибка перетворення може cягати більше 10%, що призводить до похибок прийняття рішень.

Рис.2. Графік залежності gн (gс) від співвідношення Z0/Z1 (Zх/Z1)

Аналіз методів роздільного отримання вимірювальної інформації показав, що вони не розв’язують поставлену задачу у випадку, якщо не виконується умова (5) і значення Z0/Z1 перевищує 10 на тестовій частоті більшій ніж 5 КГц.

Таким чином, нам необхідно розв'язати дві задачі. Перша задача полягає у зменшенні похибки, що обумовлена шунтуванням входу первинного перетворювача, а друга - у зменшенні похибки, що обумовлена паралельним шунтуванням досліджуваного двополюсника. Тобто, метою розв’язання другої задачі є підвищення точності роздільного отримання інформації.

У другому розділі запропоновано новий метод розв’язання задачі зменшення похибок перетворення ПП, що обумовлені впливом шунтування входу перетворювача, а також паралельним шунтуванням досліджуваного двополюсника іншими елементами схеми ОД. Він полягає у підключенні паралельно до шунтувального двополюсника, що характеризується імпедансом Z і спричиняє виникнення похибки, деякого пристрою з від'ємним імпедансом -Z. Внаслідок цього загальний імпеданс утвореного, таким чином, двополюсного кола дорівнюватиме нескінченності.

Відомо, що пристрій, який дозволяє сформувати від'ємний імпеданс є конвертером від'ємного імпедансу (КВІ), котрий являє собою активний чотириполюсник (рис.3.а), що "перетворює" імпеданс двополюсника, підключеного до однієї пари його полюсів, у від'ємний імпеданс з боку іншої пари полюсів. Один з варіантів реалізації конвертера представлений на рис.3.б, рівняння його вхідного імпедансу Zк.вх можна описати формулою

; ,

де Zк - взірцевий двополюсник; d3 - похибка перетворення імпедансу.

Імпеданс Zgh навантаженого КВІ (рис.3.в) між точками g і h схеми описується формулою (6), яка і доводить справедливість ідеї запропонованого методу:

. (6)

Рис.3. Конвертер від’ємного імпедансу: а) структурна схема; б) функціональна схема;

в) схема навантаженого КВІ

Узагальнена структурна схе-ма ПП, що дозволяє реалізувати метод від'ємного шунтування (рис.4) включає генератор тестових сигналів (ГТС), комутатор напрямку, який дозволяє сформувати будь-яку конфігурацію ПП за методом заданої напруги або струму, і КВІ, для нейтралізації впливу шунтувальних двополюсників на результат перетворення.

Рис.4. Узагальнена структурна схема ПП з КВІ

При використанні КВІ для нейтралізації впливу шунтування входів перетворювачів двополюсником Z1, функції перетворення ППН і ППС набувають вигляду:

, ; (7)

, (8)

Якщо , то , (9)

де ; Uнк, Uск - вихідні напруги ППН та ППС відповідно; gнк, gск - мультиплікативні складові похибки перетворення ППН і ППС відповідно. Порівнюючи формули (7-9) з (1-4) бачимо, що gнк<<gн і gск<<gc у h разів.

Графік залежності gнк (gск) від співвідношення Z0/Z1 (Zx/Z1) при d1=1%, d2=0.1% наведено на рис.5.

Рис.5. Графік залежності gнк (gск) від співвідношення Z0/Z1 (Zх/Z1)

При використанні КВІ для нейтралізації впливу паралельного шунтування двополюсника Zі двополюсником Zш, функції перетворення ППН і ППС набувають, відповідно, такого вигляду:

, ;

, .

Якщо , то , , .

Отже, вимірювання Zі у випадку від'ємного шунтування двополюсника Zш, за допомогою КВІ можливе при виконанні умови

Zі/Zш Ј (5...10)/z.

Порівнюючи дану умову з умовою (5) бачимо, що діапазон вимірювань збільшився у 1/z разів.

У роботі пропонується ще один метод, який дозволяє значно зменшити похибку, обумовлену шунтуванням входу вимірювального перетворювача. В його основі лежить відомий метод заміщення вимірюваної величини взірцевою. Одним з недоліків відомого методу є наявність великої кількості додаткових взірцевих компонентів з відповідними елементами комутації. Для уникнення вказаного недоліку пропонується як одиницю заміни використовувати не досліджуваний елемент, а, власне, структуру самого перетворювача (рис.6.). Вимірювання здійснюється у 2 етапи. На першому етапі, коли ключ SW знаходяться у положенні 1, на виході перетворювача маємо деяку напругу U1вих. При зміні структури перетворювача, за допомогою перемикання SW у положення 2, вихідна напруга дорівнюватиме U2вих. При цьому адитивні похибки перетворення у обох випадках однакові, а мультиплікативні відрізняються на складові високих порядків малості.

Рис.6. Схема ПП, заснованого на заміщенні своєї структури

Тепер, якщо виключити адитивні похибки перетворення обох вихідних напруг і поділити одна на другу отримані напруги, мультиплікативна похибка перетворення практично виключається:

; ,

де g3 - залишкова похибка перетворення ПП, yвих - вихідна провідність ОП.

Графік залежності g3 від співвідношення імпедансів взірцевого елемента до шунтувального приведено на рис.7.

Рис.7. Графік залежності g3 від Z0/Z1

Таким чином, запропонований метод є альтернативою методу заміщення, має практично такі високі метрологічні характеристики, як і останній, та вигідно відрізняється від нього відсутністю додаткового набору взірцевих елементів з відповідними елементами комутації.

У третьому розділі зазначається, що досить важливим етапом при діагностуванні друкованих вузлів електронних пристроїв є розробка процедури діагностування. Від того, наскільки вдало вона розроблена залежать якість і швидкодія діагностування в цілому.

Одним з перших етапів діагностування є вимірювання параметрів пасивних двополюсників. Процедура діагностування пасивних двополюсників може бути зображена у вигляді деякої послідовності операторів: М={m1, m2, ..., mj}. Кожен з mi визначає формальний опис відповідного двополюсника Eі2 та варіант вимірювання qk Є Q (де Q - множина допустимих варіантів вимірювання) його параметра pі12 (під варіантом вимірювання будемо розуміти деякий набір конкретних умов вимірювання), тобто:

mi = f (Eі2(Vі2, pі12), Z1, Z2) = ( cі, qk);

cі = (n1, n2, n3); qk = (n4, n5, n6, n7, n8, n9, n10, n11, n12, n13, n14),

де f - деякий оператор залежності; n1 - тип досліджуваного двополюсника; n2 - його порядковий номер; n3 - одиниця вимірювання досліджуваного параметра pі12; n4 - значення параметра pі12; n5 - значення поля допуску відхилення; n6 - тип ПП; n7 - кількість точок підключення ПП до ОД; n8 - множина Мg точок штучного відокремлення досліджуваного двополюсника Zx від решти схеми ОД; n9 - тип тестового сигналу U0; n10 - амплітуда U0; n11 - метод зменшення похибки перетворення, що обумовлена шунтуванням входу ОП перетворювача; n12 - метод зменшення похибки перетворення, яка обумовлена паралельним шунтуванням Zx; n13 - час затримки зняття вихідного сигналу ПП відносно тестового сигналу U0; n14 - флаг прив'язування вимірювань до частоти промислової мережі.

В даному розділі наводяться особливості формування лексем nі в залежності від характеристик як досліджуваного двополюсника Zx, так і його оточення (тобто тих елементів, що утворюють з Zx замкнені кола). При цьому особлива увага приділяються вибору методу зменшення похибок перетворення, що обумовлені шунтуванням як входу ПП, так і паралельним шунтуванням Zx іншими двополюсниками. За критерій вибору взято точність та час перетворення. Час перетворення Ткві параметра Zх за методом від'ємного шунтування може бути визначений так:

Ткві = Tц(nZ1к + nZх) + Тз.кві (nZ1к + nZхк); (10)

Тц = Тк + Ттс + Тнв + Ті + Твт + Тацп + Тпр + Тоеом, (11)

де Tц - час циклу перетворення вимірюваного параметра за допомогою ПП; nZ1к - кількість "пасивних" параметрів кола Z1, що підлягають нейтралізації; nZх - кількість паралельних пасивних ДЕК, що входять до складу Zх; Тз.кві - час запису коду корекції в КВІ; nZхк - кількість пасивних параметрів кола Zх, що підлягають нейтралізації; Тк - час комутації СЕК і взірцевих елементів; Ттс - час затримки до початку формування тестового сигналу; Тнв - час затримки до початку вимірювання; Ті - час обробки вихідного сигналу ПП; Твт - час затримки вимірювального тракту; Тацп - час аналого-цифрового перетворення; Тпр - час передачі коду до ЕОМ; Тоеом - час обробки отриманої інформації в ЕОМ.

При перетворенні параметрів Zх за методом заміщення структури ПП також може виникнути необхідність нейтралізації паралельного впливу складових елементів Zх за допомогою КВІ. Час перетворення Тзс параметрів Zх за методом заміщення структури ПП можна оцінити згідно з формулою

Тзс = 2nZхЧTц + nZхкЧТз.кві + nZхЧ(Тмк + Тд), (12)

де Тмк - час затримки між двома вимірюваннями; Тд - час затримки пристрою ділення, або час обробки даних на ЕОМ.

У таблиці 1 показано залежність часу перетворення Ткві, Тзс від значень nZх, nZхк, nZ1к для найбільш типових у практиці випадків.

Аналізуючи рівняння (10 - 12), а також дані таблиці 1, бачимо, що час перетворення, за першим методом залежить від властивостей ДЕК Z1, а за другим - не залежить (при однакових інших умовах). Це необхідно враховувати при виборі того чи іншого методу в кожній окремій ситуації.

Таблиця 1

Значення часу перетворення за методами від'ємного шунтування та заміщення структури ПП

№ nZx nZxк nZ1к Tкві Tзс

1 2 3 4 1 1 2 2 - - 1 1 1 2 1 2 2Тц + Тз.кві 3Тц + 2Тз.кві 3Тц + 2Тз.кві 4Тц + 3Тз.кві 2Тц + Тмк + Тд 2Тц + Тмк + Тд 4Тц + Тз.кві + 2(Тд + Тмк) 4Тц + Тз.кві + 2(Тд + Тмк)

В даному розділі розроблено загальний алгоритм автоматизованої побудови процедури діагностування пасивних двополюсників у складі друкованих вузлів гібридної та аналогової електронної апаратури (рис.8). Вхідною інформацією для даного алгоритму є первинний опис ОД, який містить дані щодо типів Vі2 та точок підключення Tіj2 двополюсників Eі2 до друкованої плати, а також точок підключення багатополюсних елементів.

У першому блоці алгоритму здійснюється ідентифікація топології ОД. В другому, на основі даних цієї ідентифікації та належності контрольних точок ОД двополюсникам, здійснюється формування множин М12, М22, М32 за критерієм кількості паралельно з’єднаних різнотипних пасивних двополюсників, при цьому М12 З М22 З М32 = Ж. У третьому блоці виконується параметрична ідентифікація двополюсників множин М12, М22 і М32 відповідно. У блоці 4 виконується якісне оцінювання похибок результатів вимірювань, що обумовлені шунтуванням, і у випадку, якщо шунтування перевищує певну межу, виконується коригування похибок перетворення (блок 6). Остаточне формування лексем nі операторів процедури (блок 7) доцільно виконувати після завершення параметричної ідентифікації усіх пасивних двополюсників (оскільки останні можуть входити до складу контурів, і впливати, таким чином, на результати досліджень інших елементів цих же контурів). Це дає змогу досить якісно, при даних умовах здійснити декомпозицію ОД, а також вибрати найбільш доцільні, з точки зору точності та швидкодії, типи і конфігурації ПП та режими роботи вимірювального тракту в кожному окремому випадку. У блоці 8 виконується певне розташування операторів mі, що дає змогу підвищити швидкодію діагностування за рахунок виключення зайвих перевірок та процедур корекції похибок.

Рис.8. Загальний алгоритм побудови процедури діагностування пасивних двополюсників ОД

Результатом роботи даного алгоритму є процедура діагностування пасивних двополюсників досліджуваного пристрою в термінах операторів mі, які включають перелік Eі2 з відповідними ідентифікованими значеннями їх параметрів pі12, а також деякі умови nj, котрі необхідно виконати для отримання значень шуканих параметрів із необхідною точністю.

У четвертому розділі розроблені рекомендації щодо проектування підсистеми вимірювань. Наведена структурна схема системи поелементного діагностування (рис.9), яка включає підсистеми вимірювань та комутації, а також ПЕОМ, котра через блок спряження (БС) керує процесом діагностування і здійснює накопичення, обробку та зберігання даних щодо результатів діагностування різних ОД.

Рис.9. Структурна схема системи поелементного діагностування

Підсистема вимірювань (ПВ) забезпечує генерацію різних тестових впливів і обробку сигналів реакції об'єкта дослідження на ці впливи з метою отримання вимірювальної інформації. Підсистема комутації (ПКТ) здійснює електричний зв'язок ПВ з ОД за допомогою голчатого контактного пристрою завдяки комутації визначених контрольних точок об’єкта.

Структурна схема підсистеми вимірювань, яка дозволяє реалізувати запропоновані методи, наведена на рис.10. Вона включає модуль керування вимірювачем (МКВ), модуль обробки (МО) та модуль взірцевих елементів (МВE).

Рис.10. Структурна схема підсистеми вимірювань

Модуль керування вимірювачем забезпечує формування різних тестових впливів, а також обробку сигналів реакції ОД на ці впливи.

Модуль обробки, який дозволяє реалізувати запропоновані методи зменшення похибок перетворення наведено на рис.11. До його складу входять: комутатор (К); блок проміжних перетворень (який включає комутатор конфігурації, гібридний потужний подільник напруги, повторювач напруги, диференційний підсилювач та регістр стану модуля обробки); потужний гібридний конвертер від’ємного імпедансу (ГКВІ) та вимірювальний перетворювач (ВП).

Рис.11. Структурна схема модуля обробки

У даному розділі також обгрунтовуються режими роботи підсистеми вимірювань, та наводяться часові діаграми її функціонування в різних режимах.

Висновки

В результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень в дисертаційній роботі отримані такі наукові та практичні результати:

1. На основі аналізу основних чинників виникнення похибок вимірювальних перетворювачів систем поелементного діагностування, розроблений новий метод зменшення цих похибок (точність на 1 порядок перевищує точність відомих методів). Метод базується на введенні від'ємного шунтування двополюсників, які спричиняють виникнення похибок, за рахунок паралельного підключення до них конвертера від'ємного імпедансу.

Універсальність методу полягає в тому, що він забезпечує зменшення похибок, котрі обумовлені як впливом шунтування входу первинного перетворювача, так і впливом паралельного шунтування досліджуваного двополюсника іншими двополюсниками. Крім того, даний метод може бути використаний для перетворювачів, що функціонують за методом заданої напруги, а також заданого струму.

2. Запропонований новий метод зменшення похибок вимірювального перетворювача, що обумовлені шунтуванням його входу (похибка шунтування не перевищує 0.5% - 1% при коефіцієнті шунтування до 5Ч102 - 103). В основу методу покладено ідею заміщення структури первинного перетворювача, яке дозволяє отримати два різних сигнали (при різних структурах), значення яких пропорційні вимірюваним параметрам і мають однакові мультиплікативні складові похибки перетворення. А це дає змогу, після виключення адитивної складової похибки перетворення виключити і мультиплікативну складову похибки шляхом ділення цих сигналів. Даний метод в порівнянні з методом заміщення вимірюваної величини взірцевою, не потребує додаткових взірцевих компонентів з відповідними елементами комутації.

3. Запропоновані структурні та функціональні схеми удосконалених первинних перетворювачів, які дозволяють реалізувати запропоновані методи зменшення похибок перетворень параметрів комплексних двополюсників у складі замкнених електричних кіл.

4. Удосконалений узагальнений алгоритм автоматизації підготовки процедури діагностування пасивних двополюсників друкованих плат електронної апаратури. Він передбачає параметричну ідентифікацію пасивних двополюсників досліджуваного об'єкта на основі їх попереднього розподілу між трьома множинами, що не перетинаються. Критерієм розподілу є кількість паралельно з'єднаних різнотипних елементів. Такий розподіл дозволяє зменшити простір пошуку вимірюваних параметрів, а також і загальний час побудови тестової процедури за рахунок виключення додаткових витрат часу на аналітичні перевірки і прийняття рішень щодо типів і значень параметрів пасивних двополюсників об'єкта діагностування.

5. Розроблені рекомендації щодо схемотехнічного проектування підсистеми вимірювань параметрів комплексних двополюсників замкнених кіл з поліпшеними точносними характеристиками та показана можливість реалізації її основних блоків.

6. Розроблена підсистема вимірювань "ПВ 3000" впроваджена на Вітебському телевізійному заводі ВО "Вітязь" (м. Вітебськ, Республіка Білорусь). Експлуатація розробленої підсистеми у складі модульної системи контролю "МСК 3000", дозволила підвищити рівень якості друкованих плат телевізійної техніки (за рахунок підвищення інструментальної складової вірогідності діагностування та автоматизації підготовки тестових програм), а також скоротити ремонтно-відладочні роботи обслуговуючого персоналу.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Роїк О. М., Арсенюк I. Р., Месюра В. I. Вимірювання параметрів багатополюсних кіл для задач діагностування радіоелектронних пристроїв // Вісник ВПІ. - 1998.- № 2.- С. 13 - 17.

2. Роїк О. М., Арсенюк І. Р. Підвищення точності вимірювання параметрів комплексних двополюсників в замкнених колах // Вісник ВПІ.- 1998.- № 4.- С. 5-9.

3. Роїк О. М., Арсенюк І. Р. Метод пофрагментного діагностування радіоелектронних пристроїв // Вісник ВПІ.- 1999.- № 4.- С. 5 - 9.

4. Роїк О. М., Колодний В. В., Арсенюк І. Р. Метод автоматичної корекції похибки перетворення параметрів двополюсних електричних кіл заснований на заміщенні структури перетворювача // Вісник ВПІ. - 1999.- № 5.- С. 5 - 10.

5. Арсенюк І. Р., Месюра В. І., Роїк О. М. Виключення мультиплікативної складової похибки перетворення в системах поелементного діагностування пристроїв РЕА // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ (Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу).- 1999.- Т. 8, № 36.- С. 114 - 120.

6. Vladimir I. Mesyura, Alexandr M. Roik, Igor R. Arsenyuk Increasing validity of complex two-terminal identification in closed circuits Arsenyuk // Development and Application Systems. Conf. Session.- Suceava (Romania).- 1998.- Р. 157-164.

7. Месюра В. И., Роик А. М., Арсенюк И. Р. Основанный на знаниях алгоритм покомпонентной идентификации гибридных электронных устройств // Материалы II международной конференции CAD DD'97. - Том 3.- Минск: Белгосуниверситет.- 1997.- С. 193 - 200.

8. Роїк О. М., Колодний В. В., Арсенюк І. Р. Метод вимірювання параметрів складних електричних кіл для задач діагностики // Матеріали V міжнародної науково-технічної конференції "Контроль і управління в складних системах" (КУСС-99).- Том 2.- Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця.- 1999. - С. 209 - 213.

Особистий внесок в роботах, опублікованих у співавторстві:

[1, 2] - запропоновано з метою нейтралізації впливу шунтувальних двополюсників здійснювати їх від'ємне шунтування за допомогою конвертера від'ємного імпедансу. Наведені основні співвідношення; [3] - запропоновані структурні схеми відповідних пристроїв; [4, 5] - розроблені структурні схеми перетворювачів, наведені основні співвідношення та алгоритми функціонування перетворювачів; [6] - запропонований загальний алгоритм ідентифікації; [7] - розроблено загальний підхід до ідентифікації аналогових елементів у замкнених колах; [8] - сформульовані основні вимоги до перетворювача та запропонована його структурна схема.

Автор висловлює подяку кандидату технічних наук, доценту кафедри інтелектуальних систем Вінницького державного технічного університету Колодному В. В. за плідні науково-методичні консультації під час роботи над дисертацією.

АНОТАЦІЇ

Арсенюк І. Р. Розробка структурних методів та засобів підвищення точності вимірювальних перетворювачів для систем поелементного діагностування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи. - Вінницький державний технічний університет, Вінниця, 2000.

Дисертацію присвячено розробці методів та засобів підвищення точності вимірювальних перетворювачів параметрів комплексних двополюсників у складі замкнених електричних кіл. В роботі проаналізовані методи та засоби поелементного діагностування, визначені обмеження по їх використанню. Розроблено метод зменшення похибок перетворення, що заснований на від’ємному шунтуванні елементів, які спричиняють виникнення похибок. Розроблено метод зменшення похибок, який заснований на заміщенні структури первинного перетворювача. Запропоновано алгоритм підготовки процедури діагностування пасивних двополюсників в більш складних структурах. Застосування на практиці розробленої автором підсистеми вимірювань, в якій втілені розроблені методи та алгоритми для розв’язання задач поелементного діагностування друкованих вузлів телевізійних приймачів, дало успішні результати та довело доцільність її використання.

Ключові слова: система діагностування, метод діагностування, засіб діагностування, об’єкт діагностування, пасивний двополюсник, поелементне діагностування, від’ємне шунтування, вимірювальний перетворювач, підвищення точності вимірювального перетворювача.

Arsenyuk I. R. The development of structural methods and means of increasing the transducers accuracy of in-circuit test systems.- Manuscript.

The thesis for obtained the scientific degree of the candidate of technical science on the speсiality 05.11.16 - informational-measuring system - Vinnitsa State Technical University, Vinnitsa, 2000.

The thesis is devoted to the development of the methods and means for increasing the accuracy of transducers of complex two-poles in constitution of closed electric circuits. In the work the methods and means of in-circuit diagnosing, determines the limits of their application is analyzed. The method of transformation errors reduction which is based on the negative shunting the elements that lead to the errors occurring has been elaborated. The method of errors reduction which is based on the replacing the initial transducer structure has been elaborated. The algorithm of preparing the passive two-pole diagnosing procedure in the more complex structures is suggested. The practical application of the developed measurement subsystem for solving the tasks of in-circuit diagnosing of TV-sets printed units gave successful results and proved the efficiency of its using.

Key words: system of the diagnosing, method of the diagnosing, means of the diagnosing, object of the diagnosing, passive two-poles, in-circuit diagnosing, negative shunting, transducer, the increase of the transducer accuracy.

Арсенюк И. Р. Разработка структурных методов и средств повышения точности измерительных преобразователей для систем поэлементного диагностирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 - информационно-измерительные системы. - Винницкий государственный технический университет, Винница, 2000.

Диссертация посвящена разработке методов и средств повышения точности измерительных преобразователей параметров комплексных двухполюсников в замкнутых электрических цепях. В работе проанализированы известные методы и средства поэлементного диагностирования пассивных двухполюсников в составе печатных узлов гибридных и аналоговых электронных устройств, а также теоретические подходы, которые положены в основу их построения. Показано, что современные измерительные преобразователи параметров комплексных двухполюсников в составе сложных структур не всегда позволяют оценить исследуемые параметры с достаточной точностью, что приводит к ошибкам принятия решения о техническом состоянии объекта диагностирования. Показано, что актуальным и перспективным является улучшение точностных характеристик измерительных преобразователей путем создание новых методов и средств снижения погрешностей измерений.

Разработан новый метод снижения погрешности измерительного преобразователя, основанный на введении в сложную электрическую цепь, содержащую исследуемый пассивный двухполюсник, отрицательного шунтирования. Такое введение позволяет значительно снизить влияние реально существующих шунтирующих элементов на результаты преобразования исследуемых параметров. В качестве устройства, позволяющего сформировать отрицательный импеданс предложено использовать конвертер отрицательного импеданса, реализованного на базе операционных усилителей.

Предложенный метод позволяет устранить влияние как шунтирования входа измерительного преобразователя на результат измерения, так и параллельного шунтирования самого исследуемого двухполюсника. Показано, что измерительные преобразователи, в основу которых положен предлагаемый метод, характеризуются достаточно высокой точностью измерений (на 1 порядок превышает точность известных).

Разработан новый метод снижения погрешности преобразований, основанный на замещении базовой структуры измерительного преобразователя, которое достигается за счет изменения подключения сложной исследуемой цепи, а также источника тестовых сигналов. Данный метод характеризуется, практически, таким же высоким показателем точности, как и метод замещения (погрешность измерений не превышает 0.5 - 1 % в условиях шунтирования входа измерительного преобразователя с коэффициентом до 102...103) исследуемого двухполюсника образцовым, однако, его реализация не требует использования дополнительных образцовых элементов с соответствующими цепями коммутации.

Рассмотрены вопросы выбора предложенных методов уменьшения погрешностей преобразований в наиболее часто встречающихся на практике случаях. В качестве критериев выбора взяты время и точность преобразования исследуемого параметра. Усовершенствован язык поэлементного диагностирования, использующий данный выбор.

На основе предложенных методов построены структурные и функциональные схемы измерительных преобразователей с высокими показателями точности. Разработаны рекомендации по проектированию подсистемы поэлементных измерений параметров комплексных двухполюсников аналоговых и гибридных электронных устройств, с улучшенными характеристиками точности.

Рассмотрены вопросы и особенности практической реализации подсистемы измерений на базе персонального IBM- совместимого компьютера, а также структурные схемы и алгоритмы функционирования модулей управления процессом измерений и обработки измерительной информации.

Разработан обобщенный алгоритм автоматизации подготовки процедур диагностирования комплексных двухполюсников замкнутых цепей с использованием предложенных методов. В его основу положена параметрическая идентификация пассивных двухполюсников исследуемого объекта на основе их предварительного распределения между тремя непересекающимися множествами. Критерием распределения есть количество параллельно соединенных разнотипных элементов. Такое распределение позволяет исключить неоднозначности идентификации, а также уменьшить пространство поиска измеряемых параметров. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению общего времени построения тестовой процедуры, благодаря исключению дополнительных затрат времени на аналитические проверки и принятия решений относительно типов и значений параметров конкретных двухполюсников объекта диагностирования.

Основные научные результаты работы позволили разработать и внедрить на промышленном предприятии, занимающемся серийным выпуском и ремонтом телевизионной техники, подсистему поэлементных измерений с улучшенными характеристиками точности.

Ключевые слова: система диагностирования, метод диагностирования, средство диагностирования, объект диагностирования, пассивный двухполюсник, поэлементное диагностирование, отрицательное шунтирование, измерительный преобразователь, повышение точности измерительного преобразователя.

Підписано до друку 29.08.2000 р. Формат 29.7ґ42 1/4

Наклад 100 прим. Зам. № 2000-72

Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького державного технічного університету.

м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 93. Тел.: 44-01-59