Модуль измерения отношения сигнал/шум

Таб. 1.

5.2. ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКТИВНОМУ УСТРОЙСТВУ.

5.2.1. Масса модуля измерения ОСШ должна быть не более 25 кг.

5.2.2.Модуль измерения ОСШ должен иметь габаритные размеры 482х177х415 мм для установки модуля в состав стойки контроля и измерений С-1459, применяемой на телецентрах Украины.

5.3. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИ.

Разрабатываемый модуль измерения ОСШ должен иметь такие технические характеристики :

5.3.1. Рабочий диапазон частот измерения ОСШ должен соответствовать стандарту на видеосигнал ;

5.3.2. Измерение ОСШ полного телевизионного видеосигнала размахом 0,7В или видеосигнала без синхронасадки размахом 0,5-0,9 В вещательного стандарта разложения ( ГОСТ 7845-79) ;

5.3.3. Входное сопротивление модуля измерения ОСШ в рабочей полосе частот - 75 Ом 5% ;

5.3.4. Наличие внутренней синхронизации от полного телевизионного видеосигнала, внешней синхронизации от сигнала синхронизации приемника, внешней синхронизации от строчных и кадровых синхронизирующих импульсов;

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

5.3.6. Входное сопротивление модуля измерения ОСШ по цепям синхронизации - 75 Ом 5%;

5.3.7. Диапазон измерения отношения сигнал/шум - 20-60 dB ;

5.3.8. Модуль измерения ОСШ должен обеспечивать измерения ОСШ на любой детали изображения в активной части растра ;

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

5.4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИ.

Разрабатываемый модуль измерения ОСШ должен иметь такие метрологические характеристики :

5.4.1.Предел относительной допускаемой основной погрешности

%

5.5. ТРЕБОВАНИЯ К НАДЕЖНОСТИ

5.5.1. По требованиям к надежности СИ модуль измерения ОСШ должен соответствовать требованиям ГОСТ 22261-82.

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

5.5.3. Значение среднего ресурса должно быть не менее 5000 часов. Ремонт и техническое обслуживание должны проводиться в бюро измерительной техники телецентра специально обученным персоналом.

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

5.6. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Модуль измерения ОСШ предназначен для эксплуатации в составе стойки измерений и контроля С-1459 и должен иметь разъем для приема входного сигнала совместимый со стандартным разъемом стойки. Модуль измерения ОСШ должен быть смонтирован в стандартном корпусе, предназначенном для установки в ячейку стойки С-1459. Питание модуля осуществляется от сети переменного тока с напряжением 220В с частотой 50Гц 3%.

5.7. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ МОНТАЖЕ, ОБСЛУЖИВАНИИ И РЕМОНТЕ.

5.7.1. Наружные металлические части, оси органов управления и регулирования модуля измерения ОСШ, к которым имеется доступ снаружи, не должны находиться под напряжением относительно корпуса.

5.7.2. Корпус модуля измерения ОСШ должен иметь зажим или контакт защитного заземления.

5.7.3. Должна быть предусмотрена световая индикация включения сетевого выключателя.

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

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

5.9.ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДСТВАМ И МЕТОДАМ ПОВЕРКИ.

5.9.1. На разрабатываемый модуль измерения ОСШ должна быть разработана поверочная схема по ГОСТ 8.061-72.

5.9.2. Для проверки модуля измерения ОСШ должна быть применена схема, параметры которой определяются по МИ 83-76.

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

Разрабатываемое средство измерения - модуль измерения отношения сигнал/шум (в дальнейшем модуль измерения ОСШ) является стационарным, рабочим средством измерения, предназначенное для замены морально устаревшего и не экономичного модуля измерения отношения сигнал/шум ИСШ-4, методическая база которого легла в основу данного проекта.

Модуль измерения ОСШ предназначен для автоматического цифрового измерения отношения размаха видеосигнала к эффективному значению помехи на деталях статического телевизионного изображения, а также в интервале кадрового гасящего импульса во время передачи телевизионной программы. Величина отношения сигнал/шум (ОСШ) может быть измерена относительно размаха видеосигнала между уровнями: а)гашения и белого; б)черного и белого; в)гашения и белого в интервале кадрового гасящего импульса. Модуль измерения ОСШ может быть использован для измерения ОСШ в сигнале монохромного телевидения на выходе любого источника видеосигнала или любого участка тракта изображения аппаратно-студийного комплекса телевизионного центра или передвижной телевизионной станции; в первичных сигналах (R,G,B) цветного телевидения на соответствующих выходах камерного канала или декодирующего устройства; на выходе телекинопроекционной аппаратуры видеомагнитной записи; на выходах оконечных и промежуточных пунктов телевизионных линий связи в процессе передачи телевизионной программы и при передаче типовых испытательных сигналов. Кроме того модуль измерения ОСШ может быть использован в лабораториях и на заводах-изготовителях при разработке и проверке телевизионной передающей аппаратуры. Предназначение данной разработки состоит в модернизации находящегося в эксплуатации на теле-визионных центрах Украины модуля измерения ОСШ - ИСШ-4, перевод блоков прибора на современную элементную базу с другими схематическими решениями, изменении функциональных и принципиальных схем блоков существенно влияющих на погрешность измерения.

Отношение сигнал/шум в телевидении определяют как отношение размаха видеосигнала между уровнями белого и гашения (или черного) к эффективному значению шума .

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

= (дБ) (3.1)

где U _c -размах видеосигнала

U _э.ш. -эффективная величина шума.

Под эффективной величиной шума подразумевается средне-квадратическое значение амплитуды шума.

Выражение (3.1) имеет в правой своей части две переменные величины, в следствии чего вычисления потребуют больших затрат, чем если бы в правой выражения (3.1) была бы одна переменная величина. Поэтому есть смысл пронормировать одну из величин и таким образом облегчить процесс обработки информации. Так как видеосигнал является более стационарным по сравнению с шумом, есть смысл нормировать именно его. Таким образом автоматическое поддержание постоянным размаха видеосигнала заменяет собой измерение размаха видеосигнала. При этом измерение отношения сигнал/шум сводится к измерению величины шума, и алгоритм (3.1) преобразуется в алгоритм :

= (3.2)

где В _о -константа.

Обработка шума с целью определения эффективной величины шума в формуле (3.2) осуществляется с помощью стробоскопического метода [ 1 ] , суть которого состоит в выборке мгновенных некоррелированных значений шума с частотой повторения сигнала и в запоминании выбранных значений на время между выборками. Таким образом, период выборки должен быть равен периоду повторения кадров, длительность интервала выборки должна быть менее длительности изображения.

Возможность использования стробоскопического метода основана на том, что шум принимается эргодическим стационарным случайным процессом, а статистические характеристики (среднее значение и дисперсия) такого случайного процесса, полученные в результате усреднения его во времени на отрезке реализации, совпадают с полученными в результате усреднения по совокупности его выборочных мгновенных значений.

Таким образом дальнейшее измерение эффективной величины шума производится в соответствии с алгоритмом (3.3):

где U _k - амплитуда k выборки

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

При использовании алгоритма (3.3) нет необходимости производить как промежуточную операцию определение среднего значения или центрирование шума.

Алгоритм измерения ОСШ (3.2) принимает с учетом алгоритма (3.3) вид :

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

Разрабатываемое СИ является прибором с узкой специализацией, предназначенное, в основном , только для работы в аппаратных телевизионных центров. Поэтому дополнение его функций как измерителя отношения сигнал/шум какими-либо дополнительными функциями является нецелесообразным, так как необходимость этих функций в условиях передвижных телестанций не велика, а в стационарных условиях вообще мала. Таким образом использование на телевидении Украины измерителя ОСШ фирмы “Роде и Шварц” (“Rohde&Schwarz”), превосходящего по своим характеристикам разрабатываемый модуль является непозволительной роскошью ввиду высокой стоимости, необходимости специальной подготовки оператора (знание немецкого языка, вычислительной техники), специальной подготовки персонала для технического обслуживания на фоне более высокой, но не всегда необходимой, точности измерения и не всегда необходимой многофункциональности. Таким образом можно прийти к выводу, что продукция таких известных производителей измерительной техники, как “TESLA” и “HEWLETT-PACKARD” не будет применяться в АСБ телецентров Украины пока не возникнет острая необходимость в приборах такой точности.

Альтернативой метода описанного выше может быть метод который решает задачу измерения ОСШ прямо. Под этим подразумевается то, что для измерения ОСШ производится измерение амплитуды видеосигнала, одновременно измерение величины среднеквадратического значения амплитуды шума, затем производится операция деления результатов измерения, после чего производится накапливание и результатом измерения ОСШ принимается математическое ожидание совокупности результатов вычисления формулы 3.1 для каждой выборки.

Недостатки этого метода по сравнению с описаным выше методом очевидны:

• необходимость двух измерительных каналов, что, естественно нежелательно с точки зрения надежности, схемотехники и даже экономики;
• наличие операции деления в которой один операнд значительно больше другого (как минимум в 10 раз), что приведет к увеличению погрешности;
• также недостатком можно считать отсутствие преймуществ перед описаным выше методом.

Отечественным аналогом разрабатываемого модуля измерения ОСШ является прибор ИСШ-4. Структурная схема измерителя ИСШ-4 состоит из аналоговой измерительной части (блоки усиления и модуляции), цифровой измерительной части (блок автоматической регулировки усиления, арифметический блок , буферный счетчик, блок дешифраторов) и вспомогательной части (блок управления, блок выделения синхросигнала ,блок синхронизации). Структурная схема модуля измерения ОСШ изображена на рисунке 4.1.

Функциональная схема модуля измерения ОСШ изображена на рисунке 4.2.

Видеосигнал (рис. 4.3 а) со входа измерителя “Вход видео” поступает на входные каскады 1, где усиливается до требуемого для подачи на блок фильтра 11 уровня. С выхода блока фильтра 11 видеосигнал, отфильтрованный в требуемой полосе частот поступает на вход усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 2, на выходе которого размах видеосигнала поддерживается постоянным и равным эталонной величине В _о . Импульсный сигнал управления коэффициентом передачи усилителя 2 “Сигнал АРУ” формируется цифровым устройством АРУ 8 блока автоматической регулировки усиления в результате сравнения видеосигнала “Видео сравн.” с выхода усилителя 2 с эталонным напряжением В _о . Автоматическое поддержание постоянным размаха видеосигнала входе измерительного тракта заменяет собой измерение размаха видеосигнала. При этом измерение отношения сигнал/шум сводиться к измерению величины шума, и алгоритм (3.1) преобразуется в алгоритм (3.2).

Видеосигнал, размах которого между уровнями гашения и белого (или черного и белого) равен величине В _о, поступает через потенциометр оперативной калибровки “Калибр” на один вход строб-схемы 3. На другой вод схемы 3 с выхода формирователя поступают строб-импульсы (рис.3г), частота повторения которых - 25Гц, а длительность - примерно 4 мкс. Местоположение строб-импульсов можно менять вручную в пределах всего растра. Строб-импульсы подаются также на вход схемы замешивания метки 25 селектора, где суммируются с видесигналом. С выхода схемы 25 видеосигнал поступает на коаксиальное гнездо “Видео ВКУ”, к которому подключается видеоконтрольное устройство (ВКУ). Замешанный в видеосигнал строб-импульс индицируется на экране ВКУ в виде яркостной метки, по положению которой на растре определяют участок изображения, выбранный для измерения на нем уровня шума. Этот участок изображения должен иметь постоянную яркость на всем протяжении яркостной метки, а соответствующий участок видеосигнала - неизменный размах во временном интервале строб-импульса. На выходе схемы 3 в интервале строб-импульса выделяется сигнал, представляющий собой пьедестал, размах которого пропорционален размаху видеосигнала в интервале стробирования, с наложенным на него шумом (рис.4.3д). Пьедестал с наложенным на него шумом подается на усилитель 4, на входе которого происходит автокомпенсация пьедестала. Стробирование видеосигнала с последующей автокомпенсацией пьедестала, т.е. с устранением информации о видеосигнале, позволяет выделить шум из видеосигнала, а также использовать линейную часть динамической характеристики каскадов 4 и 6 целиком для обработки шума.

Обработка пакета шума на выходе усилителя 4 с целью определения эффективной величины шума в формуле (3.2) осуществляется с помощью стробоскопического метода, суть которого состоит в выборке мгновенных некоррелированных значений шума с частотой повторения сигнала и в запоминании выбранных значений на время между выборками. Таким образом, период выборки должен быть равен периоду повторения кадров, длительность интервала выборки должна быть менее длительности элемента изображения. Возможность использования стробоскопического метода основана на том, что шум является эргодическим стационарным случайным процессом, а статические характеристики (среднее значение и дисперсия) такого случайного процесса, полученные в результате усреднения его во времени на отрезке реализации, совпадают с полученными в результате усреднения по совокупности его выборочных мгновенных значений.

Выборка мгновенных некоррелированных значений шума и запоминание их на время между выборками производится следующим образом. Пакеты усиленного шума (рис.4.3е) с выхода каскада 4 поступают на один вход амплитудно-импульсного модулятора (АИМ) 6, на другой его вход поступают импульсы выборки с выхода формирователя 5 (рис 4.3ж). Частота повторения импульсов выборки - 25Гц., а длительность на уровне амплитуды - приблизительно 20нс. Формирователь 5 запускается строб-импульсами с выхода формирователя 7 и обеспечивает положение импульса выборки посередине временного интервала строб-импульса.

На выходе АИМ образуются импульсы, модулированные по амплитуде шумом (рис.3 з), т.е. размах каждого из этих импульсов U _к пропорционален мгновенной величине шума в момент выборки

U _k U _ш.р-р

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

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

(4.1)

где к=1....n.

Широтно-модулированные импульсы поступают на преобразователь длительность-код 12, на выходе которого формируется число-импульсный код шума, представляющий со-

бой пачки (рис.4.4г), число импульсов в которых N _k пропорционально величинам, т.е.

с учетом (4.1)

где К - коэффициент преобразования аналог-код.

После преобразования аналог-код алгоритм (3.4) принимает вид :

где

На выходе вычитателя 13 формируется число-импульсный код разности двух соседних кодов шума (рис.4.4д), т.е. пачки, число импульсов в которых N _k определяется в соответствии с выражением (4.2) :

(4.2)

где к=1....n.

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

(4.3)

где к=1....n.

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

.

Логарифмирование числа N в соответствии с алгоритмом производится блоком дешифраторов, а затем дешифрированный код выводится на индикатор. Не пригодность прибора ИСШ-4 заключается в его недостаточной точности, неэкономичности и сложности схемотехники, что затрудняет техническое обслуживание и ремонт.

Так как метод измерения в разрабатываемом приборе будет такой же как в приборе ИСШ-4, то принципиально схема не изменяется. Структурная схема модуля измерения ОСШ изображена на рисунке 5.1.

Для обеспечения точости обработки сигнала и требований предъявляемых в ТЗ к входным параметрам разрабатываемого прибора входной сигнал подается на элемент структурной схемы - входной усилитель. Задачей которую должен решить этот блок является усиление входного сигнала и его отбор для дальнейшей обработки по выделению синхросигналов, а также обеспечение соответствия входного сопротивления и емкости данным указанным в ТЗ.

Для обеспечения работы всей схемы обработки алгоритма 3.5 вводится блок выделения синхросигналов. Блок выполняет задачу синхронизации всего процесса измерения либо с внешним источником синхронизации либо внутренне от импульсов синхронизации кадров и строчных синхроимпульсов входящих в состав полного видеосигнала. В функции этого блока входит также вывод на внешнее видеоконтрольное устройство (ВКУ) яркостной метки, указывающей место растра, где происходит измерение величины ОСШ. Выходными сигналами блока является синхроимпульс строки в которой производится измерение величины ОСШ и синхроимпульс по которому производится стробирование сигнала.

После блока входного усилителя полный видеосигнал попадает на первый коммутатор, задачей которого является выделение из полного видеосигнала сигнала строки в которой производится измерение.

Затем сигнал выделенной строки подается на устройство линейного сравнения и компенсации (УЛСК) которое производит нормировку в соответствии с формулой 3.2 и компенсацию величины В _о в составе сигнала выделенной строки.

После этого сигнал подается на второй коммутатор, который должен произвести стробирование при поступлении синхронизирующего импульса от блока выделения синхро-сигналов. Выходной величиной блока является U _k .

Для обеспечения дальнейшей обработки выборок шума, которая является уже чисто математически-статистической, производится преобразование аналог-код. Для этого вводится блок аналого-цифрового преобразования (АЦП) результатом работы которого является код соответствующий U _k - N _k .

В дальнейшем N _k подается на блок цифровой обработки и управления (БЦОиУ). Функциями блока является накопление массива N _k , вычисление ОСШ по формуле 3.5 по совокупности выборок N _k , управление УЛСК , выдача результата измерения на отображающее устройство.

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

Структурная схема является разомкнутой.

Уравнение преобразования для приведенной выше схемы имеет вид:

где К ₁ - К ₆ коэффициенты преобразования соответствующих блоков.

Таким образом суммарная мультипликативная погрешность прибора равна:

где коэффициенты влияния соответствующего блока на погрешность в целом.

Определим коэффициенты влияния первого блока на мультипликативную погрешность

Аналогично .

Для мультипликативных погрешностей

Суммарная систематическая погрешность

Суммарная случайная погрешность (предварительно предположив нормальный закон распределения погрешностей блоков):

, где

- среднеквадратическое отклонение случайной состав-ляющей мультипликативной погрешности i - блока.

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

По требованию ТЗ предел относительной допускаемой основной погрешности

%

Общая допустимая мультипликативная погрешность

Распределим мультипликативную составляющую погрешности таким образом:

Тогда мультипликативная составляющая систематической погрешности между блоками схемы распределена следующим образом:

Для аддитивной погрешности: (Uвх=0)

где - аддитивная погрешность, действующая на вход i - го блока.

Приведенная ко входу устройства аддитивная погрешность:

Относительная приведенная ко входу аддитивная погрешность:

Номинальные коэффициенты предачи блоков 2,4,5,6 равны 1.

Тогда уравнение для аддитивной погрешности упрощается:

Основное влияние на общую аддитивную погрешность вносят так как в первом блоке происходит умножение на К ₁ . Следовательно, основное внимание необходимо уделить уменьшению этой погрешности.

При номинальном значении Uвх (т.е. при К ₃ =1 )

где аддитивная погрешность i - го блока.

Случайную составляющюю аддитивной погрешности, предположив ее нормальный закон распределения можно найти как:

.

Суммарная относительная аддитивная погрешность по ТЗ не должна превышать 1%.

Распределим эту погрешность следующим образом:

(определяется шумами и квантования)

(определяется напряжением смещения операцион-ных усилителей и т.п.).

Оцениваю вносимую индикатором результата измерения. По требованиям ТЗ индикатор должен быть трехразрядным и цена разряда равняется 0,1 dB. Следовательно индикатор будет вно-сить погрешность квантования индикации результата измерения равную 0,25%.

На основании предположений о законе распределения погрешности оцениваю необходимую разрядность АЦП

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

Разрядность АЦП равна

Итак, необходимая разрядность АЦП - 10 разрядов.

На остальные случайные составляющие аддитивной погрешности приходиться

То есть необходимо, чтобы выполнялось условие

Оценим допустимый уровень паразитных шумов (максимальное значение)на входе коммутаторов:

при U _{вх ном} =12В

.

Исходя из этих данных, можно выбрать элементарную базу (коммутаторы и операционные усилители).

Для систематической составляющей аддитивной погрешности:

Так как первый блок работает с малым входным сигналом, то

Оценим требования к напряжению смещения нуля опера-ционных усилителей (при U _{вх ном} =12 В)

во всем температурном диапазоне.

Аналогично определяется максимально допустимое остаточное напряжение на электронных ключах коммутатора:

Функциональная схема разрабатываемого модуля измерения ОСШ будет содержать многие общие с прибором ИСШ-4 детали, но ввиду изменения принципа обработки сигнала есть необходимость полностью пересмотреть функциональную схему измерительной части.

До какой-либо обработки видеосигнала предусматривается усиление его величины. Это необходимо для того, чтобы дальнейшая обработка производилась с сигналом достаточно большого уровня, что обеспечит большую точность при преобразовании сигнала другими блоками. Для этого на входе схемы установлен предварительный усилитель с фиксированным коэффициентом усиления. Затем сигнал поступает на блок выделения синхросигналов и на устройство линейного сравнения и компенсации (УДСК). Блок УЛСК состоит из дифференциального усилителя, компаратора напряжения (КН), меры, генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), устройства выборки и хранения (УВХ). Все эти элементы предназначены выполнить задачу приравнивания величины видеосигнала к постоянной величине В _о . На этом этапе ведется обработка уже не полного видео сигнала, а только сигнала строки в которой производится измерение ОСШ. Поэтому перед входом дифференциального усилителя включается ключ, управляемый от блока выделения синхросигналов и открытый только на время прохождения сигнала строки в которой измеряется ОСШ. Автоматическое регулирование уровня сигнала строки происходит таким образом: в начальном состоянии ГЛИН сброшен в ноль и на один вход дифференциального усилителя приходит ноль. Выход усилителя подключен ко входу компаратора напряжения, который сравнивает полученный сигнал с постоянной величиной В _о . Cигнал несущий информацию сравнения управляет ГЛИНом. В тот момент когда сигнал строки станет равным В _о , сигнал управления с компаратора пропадет и величина напряжения на выходе ГЛИНа будет храниться в УВХ до конца цикла измерения. Таким образом пронормированный сигнал поступает в измерительный блок. Измерительный блок состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), генератора опорного напряжения и генератора тактовых импульсов. Также для реализации стробоскопического метода перед АЦП стоит ключ управляемый от схемы перемещения по строке блока выделения синхросигналов. После преобразования аналог-код информация о сигнале поступает в блок цифровой обработки сигнала состоящий из регистра хранения данных, арифметико-логического устройства (АЛУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). В этом блоке происходит реализация алгоритма (3.5) и вычисление результата измерения, который в дальнейшем выводиться на отображающее устройство.

Функциональная схема модуля измерения ОСШ изображена на рисунке 7.1.

Рисунок 8.1.

Схема включения ОУ представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления равным отношению

.

Исходя из R1=15Ком.

Ком.

Сопротивление R3 выбрано исходя из требования ТЗ о входном сопротивлении прибора.

Усиленный до необходимой величины сигнал подается на коммутатор, функция которого заключается в выделении из сигнала только части, которая несет в себе информацию строки в которой производится измерение ОСШ. В качестве такого ключа используется ключ на МДП-транзисторах с индуцированным затвором р-типа, который входит в состав микросхемы К547КП1А. Ключ управляется блоком выделения строки.

После коммутатора сигнал выделенной строки подается на схему устройства линейного сравнения и компенсации (УЛСК).

Принципиальная схема УЛСК изображена на рисунке 8.2.

УЛСК состоит из дифференциального усилителя на ОУ DA2, в качестве которой также используется ИМС КР140УД1101, компаратора напряжения, источника напряжения В _о , интегратора и устройства выборки и хранения.

Сигнал выделенной строки пройдя через дифференциальный усилитель подается на компаратор напряжения, в качестве которого используется ИМС К521СА4 (DA3). Компаратор срав-нивает значение сигнала с опорным напряжением, которое соответствует В _о. В данном случае величина опорного напряжения выбрана равной 12В. Наличие опорного напряжения обеспечивает ИМС КР140УД17Б (DA4) на которой собран высоко-стабильный источник опорного напряжения.

В случае если величина сигнала выделенной строки меньше В _о компаратор вырабатывает сигнал, который запускает генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) который собран на ИМС КР140УД22 (DA5). Величину выходного напряжения ГЛИНа хранит устройство выборки и хранения на ИМС КР140УД1208 (DA6). Это напряжение поступает на один из дифференциальных входов ИМС DA2. Величина выходного напряжения на выходе DA2 равна

Исходя из формулы (8.1)

при U _ару =0

R5=R6=R7=R8=15Ком.

Далее необходимо расчитать источник опорного напряжения на DA4. Величину выходного напряжения задают резисторы R9,R10,R11. Номинал резисторов находится по формуле

В схеме применен стабилитрон КС147А,

Величина этого резистора подбирается при настройке, поэтому в схему устанавливается подстроечный резистор.

Сигнал после дифференциального усилителя попадает на вход компаратора напряжения, где сравнивается с В _о . Результат сравнения на выходе появляется в виде:

Этот сигнал попадает на вход интегратора напряжения собран-ного на ОУ. Для уменьшения влияния шумов перед входом интегратора включена RС цепочка.

Функция устройства выборки и хранения состоит в том, чтобы в начале цикла измерения в течении определенного времени произвести подстройку системы, которая заключается в обеспечении амплитуды выделенной строки после дифференциального усилителя равной В _о . Длительность цикла подстройки равна 5 секундам. Частота кадровой развертки отечественного стандарта равна 50 Гц, за интервал между двумя кадровыми импульсами проходит 312,5 строк, вторая половина растра проходит в следующий интервал. Из этого следует что определенная строка следует с частотой 25 Гц. Значит в течении интервала 5 сек. строка в которой проводится измерение появится 20 раз. Из этого следует, что скорость нарастания выходного напряжения ГЛИНа должна быть такой, чтобы к концу интервала в 5 сек. выходное напряжение ГЛИНа достигло максимума диапазона амплитуды (12В). Длительность импульса строки равна 60 мксек. Следовательно суммарное время работы ГЛИНа равно 1,2 мсек. Для сброса заряда конденсатора по окончанию цикла измерения предусматривается шунтирование его управляемым ключом. Схема ГЛИНа представлена на рисунке.

Необходимо расчитать параметры RС цепи образующей парралельную отрицательную обратную связь по напряжению. Выходное напряжение определяется выражением:

Приняв С=0,1мкФ определяю R

Схема устройства хранения значения выходного напряжения ГЛИНа является типовой схемой включения микросхемы КР140УД1208 и описана в { }.

После УЛСК пронормированный сигнал выделенной строки подается на инвертирующий вход дифференциальный усилитель также собранный на ИМС КР140УД1101. Задачей этого усилителя является компенсация в сигнале величины собственно видеосигнала и усиление оставшегося сигнала, являющегося по сути измеряемым шумом, до величины динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Таким образом необ-ходимо определиться с выбором АЦП. Исходя из требований к быстродействию и к разрядности АЦП выбирается СБИС десяти разрядного АЦП считывания КМ1107ПВ6. Максимальная частота преобразования этой СБИС - 15 Мгц, диапазон входного напряжения 0....-3В.

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

Принципиальная схема дифференциального усилителя показана на рисунке 8.3.

Рисунок 8.3.

Исходя из диапазона в котором будут производиться измерения ОСШ и величины видеосигнала можно сказать, что величина U _шум на данном этапе не будет превышать 1,2В. Значит коэффициент усиления должен составлять 2,5.

Функция компенсации видеосигнала выполняется подачей на неинвертирующий вход дифференциального усилителя величины В _о с источника опорного напряжения описанного выше.

Величина резисторов R1,R2,R3,R4, которые влияют на коэф-фициент усиления дифференциального усилителя выбраны исходя из формулы:

R1=R3=7,5Ком

R2=R4=3Ком.

Схема включения АЦП является типовой и расчета не требует за исключением расчета источника опорного напряжения собранного аналогично источнику В _о.

Величину выходного напряжения задают резисторы R46,R47,R48. Номинал резисторов находится по формуле

В схеме применен стабистор КС113А,

Величина этого резистора подбирается при настройке, поэтому в схему устанавливается подстроечный резистор.

.

После АЦП происходит обработка сигнала уже в виде кода в цифровой части прибора.

Укрупненная функциональная схема блока цифровой обработки сигнала изображена на рисунке 8.4.

;

где К - коэффициент усиления на частотах измерения

- коэффициент передачи обратной связи.

Коэффициент усиления ОУ КР140УД1101 на рабочей частоте равен 50000.

Погрешность по характеру мультипликативная, систематическая.

9.1.2. Погрешность от напряжения смещения ОУ.

Погрешность определяется по формуле:

.

Для КР140УД1101 3мВ. Тогда:

Дополнительная температурная погрешность от дрейфа напряжения смещения ОУ равна:

где - температурный дрейф КР140УД1101 - 50 мкВ/ ^о С;

= 5 ^o

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

9.4.Расчет погрешностей коммутатора.

9.4.1. Расчет погрешности от сопротивления открытого ключа.

Т.к. выходное сопротивление источника сигнала мало по сравнению с сопротивлением закрытого ключа R _з , то можно записать для коэффициента передачи коммутатора:

В идеальном случае R _о = 0; R ₃ равно бесконечности и К=1. Тогда погрешность :

Для микросхемы К547КП1А R _о <100 Ом;R ₃ >20 Мом.

Погрешность мультипликативная систематическая.

9.2.2.Расчет погрешности от закрытого ключа.

Коэффициент передачи равен:

В идеальном случае R ₃ равно бесконечности и К=0. Тогда

Погрешность мультипликативная систематическая.

9.2.3.Погрешность от остаточного напряжения на ключах коммутатора.

U _ост <10 мкВ (для К547КП1А)

Тогда погрешность:

Эта погрешность носит характер аддитивной случайной.

9.3. Погрешности дифференциального усилителя.

9.3.1. Погрешность от разброса параметров резисторов обратной связи.

Эту погрешность можно оценить, предположив нормальный закон распределения по формуле:

где погрешность i-го резистора.

При

Погрешность мультипликативная систематическая.

9.3.2.Погрешность от конечного петлевого усиления.

Погрешность от конечного петлевого усиления определяется по формуле:

где К - коэффициент усиления ОУ на рабочей частоте.

=1

Погрешность мультипликативная систематическая.

9.3.3.Погрешность от напряжения смещения ОУ.

Эта погрешность по характеру аддитивная, систематическая.

Для КР140УД1101 3мВ. Тогда:

Дополнительная температурная погрешность от дрейфа напряжения смещения ОУ равна:

где - температурный дрейф КР140УД1101 - 50 мкВ/ ^о С;

= 5 ^o

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

9.4.Погрешность устройства сравнения.

Вносимая устройством сравнения погрешность является аддитивной систематической и возникает она из-за напряжения смещения нуля микросхемы КФ1053СА1.

U _см <6мВ

9.5.Погрешность устройства выборки и хранения.

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

На схеме приняты следующие обозначения

9.4.1.Погрешность из-за недозаряда конденсатора .

Заряд емкости происходит по закону:

где t _инт - время интегрирования;

t=R*Схр.

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

Погрешность из-за недозаряда конденсатора обусловлена конечным временем выборки t _инт .

По характеру погрешность мультипликативная случайная.

9.4.2. Погрешность из-за разряда конденсатора.

Погрешность возникает из-за конечного времени обработки сигнала. Ключ разомкнут и С _хр разряжается на эквивалентное сопротивление R _экв :

R _экв =

где R _sw -сопротивление закрытого ключа (порядка 50 Мом).

R _вх -входное сопротивление ОУ (для КР140УД22 R _вх >30Мом)

R _экв =

Разряд С _хр определяется формулой

где t _р - постоянная времени разрядной цепи

Погрешность от разряда С _хр за время t _хр равна:

Погрешность мультипликативная систематическая.

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

9.5.Погрешности АЦП.

9.5.1.Погрешность от дискретности преобразования.

Погрешность определяется как:

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

9.5.2.Погрешность от нелинейности АЦП.

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

9.5.3.Погрешность источника опорного напряжения АЦП.

Погрешность определяется отклонением U _ст от номиналь-ного зачения и температурной нестабильностью стабилитрона.

Разброс U _ст может достигать 5%, но эта погрешность корректируется калибровкой.

Дополнительная температурная погрешность равна:

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

=5 ^о С

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

Погрешность аддитивная, систематическая.

9.6.Суммирование погрешностей.

9.6.1.Суммирование мультипликативных погрешностей.

Для удобства суммирования сведем все мультипликативные погрешности в таблицу.

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

Значение суммарного значения СКО мультипликативной погрешности определяется по формуле:

Систематическая составляющая мультипликативной погрешности определяется как алгебраическая сумма всех систематических погрешностей. Погрешности ввиду их несущественности, не учитываются.

Оценку верхней границы суммарной мультипликативной погрешности дадим по формуле:

9.6.1.Суммирование аддитивных погрешностей.

Для удобства суммирования сведем все аддитивные погреш-ности в таблицу.

Систематическая суммарная погрешность равна:

• напряжение питающей сети должно быть 220В 5% ;

• температура окружающей Среды - от 15 до 35 оС ;

• относительная влажность воздуха - не более 90 % при температуре 30 оС;

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

10.1.Определение метрологических параметров.

Схема подключения аппаратуры для определения погрешности измерения приведена на рисунке 10.1.

Приборы установить в следующие режимы работы. Генератор импульсов Г5-26 установить в режим внешнего запуска и запускать его от строчных импульсов. Величина задержки момента запуска импульса 2 установить равной 20 мкс., а длительность - 15 мкс. Переключатель полярности в положение положительной полярности. Устанавливается амплитуда выходных импульсов генератора такой величины, чтобы вольтметр Щ1513 на входе измерителя показывал 0,7 В. Установить на выходе генератора Г2-37 амплитуду шума в 0,7В и контролировать эту величину на вольтметре В3-39. Изменяя параметры магазина сопротивлений не менее четырех измерений, затем изменить диапазон и повторить измерения. По результатам измерений произвести вывод о соответствии модуля измерения ОСШ метрологическим параметрам. В случае превышения разности показаний прибора и установленным на магазине затуханием, хотя бы в одном измерении, более чем на 0,2 дБ, принимается решение о несоответствии прибора метрологическим характеристикам.

10.2. Определение разброса результатов ряда измерений (вариация).

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

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

= max - min ,

где max ; min - соответственно наибольший и наименьший из полученных результатов.

Технико-экономическое обоснование.

3t _min + 2t _max

t _ож = ----------------

5

Результаты расчетов ожидаемого времени заносим в таблицу 1.

Следующим этапом построения сетевого графика является составление перечня событий (табл. 3). На основе таблицы 2 и таблицы 3 строится сетевой график (см. рис. ) . На графике указывается продолжительность работ, номера событий и параметры событий.

Определяем параметры работ:

• время раннего начала работы:

t _pн = Тр _i;

• время раннего окончания работы:

t _po = t _pн + t _ij;

• время позднего окончания работы:

• время позднего начала работы:

t _пн = t _по - t _ij ;

• полный резерв времени:

Rij = Tп _i - Tp _i - t _ij

• свободный резерв времени:

Rc = Tр _j - Tp _i - t _ij ;

где Т _pi - ранний срок настурления события;

T _пi - поздный срок наступления события;

t _IJ - длительность работы.

• Тij - продолжительность работы, дни;
• r _ij - количество исполнителей работы, человек;
• Ткр - продолжительность критического пути
• Тср - среднее количество исполнителей, человек .

Так как количество исполнителей не может быть дробным, то округляем Тср. Тср =4.

В результате оптимизации мксимальное количество исполнителей сократилось с семи человек до шести и загруженность их стала более равномерной.

Оптимизированная карта проекта сетевого графика изображена на рисунке 3.

Основная заработная плата рассчитывается на основе данных о трудоемкости выполняемых отдельных этапов разработки проекта, установленных ранее в сетевом графике и должностных окладов исполнителей. Дневная зарплата определяется исходя из месячных окладов, учитывая, что “условный месяц“ имеет продолжительность 21,2 дня при пятидневной рабочей неделе.

Заработная плата исполнителей может быть рассчитана по формуле:

где n - количество категорий исполнителей;

Зd _i - средняя заработная плата исполнителей первой категории за один день, крб.;

Тd _i - количество дней работы исполнителей.

На должности руководителя находится инженер первой категории, а на должности инженера инженер второй категории.

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

крб в день.

Для инженера второй категории при пятидневном рабочем режиме и зароботной плате 13210000 крб. за месяц:

крб в день.

Заработная плата исполнителей приведена в таблице 4.

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

Дополнительная заработная плата составляет 6,6 % от основной:

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

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

З _сум =З _о +З _д = 526119194 + 34723866 = 551501626 крб.

Отчисление в фонд занятости составляет 2 % от З _сум :

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

= 11030032 крб.

Отчисление в фонд Чернобыля 12% от Зсум:

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

Отчисление в фонд пенсии 37% от Зсум:

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

Расчет материалов, необходимых для выполнения темы, приведен в таблице 5.

Таблица 5.

Т = 200000 крб.

Затраты на обработку информации с помощью ЭВМ:

Зобр = t х С х Т

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

С - длительность смены, С = 8 ч,

Зобр. = 12 х 8 х 200000= 19200000 крб.

Расходы на спецоборудование, на научные командировки, оплату услуг сторонних организаций не предусмотрены.

Накладные расходы составляют 5%.

Смета затрат на опытно-конструкторскую разработку по теме: “Модуль измерения отношения сигнал-шум”. Таблица 6.

Функциональная схема разрабатываемого модуля измерения ОСШ будет содержать многие общие с прибором ИСШ-4 детали, но ввиду изменения принципа обработки сигнала есть необходимость полностью пересмотреть функциональную схему измерительной части.

До какой-либо обработки видеосигнала предусматривается усиление его величины. Это необходимо для того, чтобы дальнейшая обработка производилась с сигналом достаточно большого уровня, что обеспечит большую точность при преобразовании сигнала другими блоками. Для этого на входе схемы установлен предварительный усилитель с фиксированным коэффициентом усиления. Затем сигнал поступает на блок выделения синхросигналов и на устройство линейного сравнения и компенсации (УДСК). Блок УЛСК состоит из дифференциального перемножителя, управляемого фильтра, компаратора напряжения (КН), меры, генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), устройства выборки и хранения (УВХ). Все эти элементы предназначены выполнить задачу приравнивания величины видеосигнала к постоянной величине В _о . На этом этапе ведется обработка уже не полного видео сигнала, а только сигнала строки в которой производится измерение ОСШ. Поэтому перед входом дифференциального перемножителя включается ключ, управляемый от блока выделения синхросигналов и открытый только на время прохождения сигнала строки в которой измеряется ОСШ. Автоматическое регулирование уровня сигнала строки происходит таким образом: в начальном состоянии ГЛИН сброшен в ноль и на один вход дифференциального премножителя приходит ноль. Выход усилителя подключен ко входу компаратора напряжения, который сравнивает полученный сигнал с постоянной величиной В _о . Перед входом компаратора напряжения включен сглаживающий фильтр, на выходе которого присутствует величина соответствующая среднему значению сигнала выделенной строки. Для предотвращения разряда конденсатора фильтра в период отсутствия сигнала выделенной строки предусмотрено отключение конденсатора во время отсутствия сигнала. Cигнал соответствующий среднему значению сигнала выделенной строки управляет ГЛИНом. В тот момент когда сигнал строки станет равным В _о , сигнал управления с компаратора пропадет и величина напряжения на выходе ГЛИНа будет храниться в УВХ до конца цикла измерения. Таким образом пронормированный сигнал поступает в измерительный блок. Величина сигнала после нормировки соответствует B _o . Таким образом коэффициент передачи этой части УЛСК равен:

,

где U _c - амплитуда сигнала выделенной строки.

Затем сигнал подается на коммутатор, который стробирует сигнал по импульсу поступающему от устройства перемещения по строке.

После коммутатора импульс подается на дифференциальный усилитель, который вычитает из него величину В _о . Из процедуры нормировки следует:

,

где среднее значение сигнала выделенной строки получаемое на выходе фильтра.

Таким образом после дифференциального усилителя на входе измерительного блока появляются отсчеты соответсвующие формуле:

где коэффициент передачи дифференциального усилителя.

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

Так как предполагается, что видео сигнал на протяжении цикла измерение не изменяется то следует предположить, что:

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

Измерительный блок состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), генератора опорного напряжения и генератора тактовых импульсов. После преобразования аналог-код информация о сигнале поступает в блок цифровой обработки сигнала состоящий из регистра хранения данных, арифметико-логического устройства (АЛУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). В этом блоке происходит реализация алгоритма (3.5) и вычисление результата измерения, который в дальнейшем выводиться на отображающее устройство.

Функциональная схема модуля измерения ОСШ изображена на рисунке 7.1.

Рисунок 8.1.

Схема включения ОУ представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления равным отношению

.

Исходя из R1=15Ком.

Ком.

Сопротивление R3 выбрано исходя из требования ТЗ о входном сопротивлении прибора.

Усиленный до необходимой величины сигнал подается на коммутатор, функция которого заключается в выделении из сигнала только части, которая несет в себе информацию строки в которой производится измерение ОСШ. В качестве такого ключа используется ключ на МДП-транзисторах с индуцированным затвором р-типа, который входит в состав микросхемы К547КП1А. Ключ управляется блоком выделения строки.

После коммутатора сигнал выделенной строки подается на схему устройства линейного сравнения и компенсации (УЛСК).

Принципиальная схема УЛСК изображена на рисунке 8.2.

УЛСК состоит из дифференциального перемножителя на ИС DA2, в качестве которой также используется ИМС Н525ПС4, фильтра, компаратора напряжения, источника напряжения В _о , интегратора и устройства выборки и хранения.

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

При длительности установления 60 мкс

При R =510 Ом С =47нФ.

В качестве компаратора напряжения используется ИМС К521СА4 (DA3). Компаратор сравнивает среднее значение сигнала с опорным напряжением, которое соответствует В _о. В данном случае величина опорного напряжения выбрана равной 3В. Наличие опорного напряжения обеспечивает ИМС КР140УД17Б (DA4) на которой собран высоко-стабильный источник опорного напряжения.

В случае если величина сигнала выделенной строки меньше В _о компаратор вырабатывает сигнал, который запускает генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) который собран на ИМС КР140УД22 (DA5). Величину выходного напряжения ГЛИНа хранит устройство выборки и хранения на ИМС КР140УД1208 (DA6). Это напряжение поступает на один из дифференциальных входов ИМС DA2. Величина выходного напряжения на выходе DA2 равна

В схеме применен стабилитрон КС133А,

Величина этого резистора подбирается при настройке, поэтому в схему устанавливается подстроечный резистор.

Сигнал после дифференциального перемножителя, через фильтр, попадает на вход компаратора напряжения, где сравнивается с В _о . Результат сравнения на выходе появляется в виде:

Этот сигнал попадает на вход интегратора напряжения собран-ного на ОУ.

Функция устройства выборки и хранения состоит в том, чтобы в начале цикла измерения в течении определенного времени произвести подстройку системы, которая заключается в обеспечении амплитуды выделенной строки после дифференциального усилителя равной В _о . Длительность цикла подстройки равна 5 секундам. Частота кадровой развертки отечественного стандарта равна 50 Гц, за интервал между двумя кадровыми импульсами проходит 312,5 строк, вторая половина растра проходит в следующий интервал. Из этого следует что определенная строка следует с частотой 25 Гц. Значит в течении интервала 5 сек. строка в которой проводится измерение появится 125 раз. Из этого следует, что скорость нарастания выходного напряжения ГЛИНа должна быть такой, чтобы к концу интервала в 5 сек. выходное напряжение ГЛИНа достигло максимума диапазона амплитуды (4В). Длительность импульса строки равна 60 мксек. Следовательно суммарное время работы ГЛИНа равно 7,5 мсек. Для сброса заряда конденсатора по окончанию цикла измерения предусматривается шунтирование его управляемым ключом. Схема ГЛИНа представлена на рисунке.

Необходимо расчитать параметры RС цепи образующей парралельную отрицательную обратную связь по напряжению. Выходное напряжение определяется выражением:

Приняв С=0,1мкФ определяю R

Схема устройства хранения значения выходного напряжения ГЛИНа является типовой схемой включения микросхемы КР140УД1208 и описана в {10 }.

После УЛСК пронормированный сигнал выделенной строки подается на инвертирующий вход дифференциальный усилитель также собранный на ИМС КР140УД1101. Задачей этого усилителя является компенсация в сигнале величины собственно видеосигнала и усиление оставшегося сигнала, являющегося по сути измеряемым шумом, до величины динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Таким образом необ-ходимо определиться с выбором АЦП. Исходя из требований к быстродействию и к разрядности АЦП выбирается СБИС десяти разрядного АЦП считывания КМ1107ПВ6. Максимальная частота преобразования этой СБИС - 15 Мгц, диапазон входного напряжения 0....-3В.

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

Принципиальная схема дифференциального усилителя показана на рисунке 8.3.

Рисунок 8.3.

Исходя из диапазона в котором будут производиться измерения ОСШ и величины видеосигнала можно сказать, что величина U _шум на данном этапе не будет превышать 0,4В. Значит коэффициент усиления должен составлять 7,5.

Функция компенсации видеосигнала выполняется подачей на неинвертирующий вход дифференциального усилителя величины В _о с источника опорного напряжения описанного выше.

Величина резисторов R1,R2,R3,R4, которые влияют на коэф-фициент усиления дифференциального усилителя выбраны исходя из формулы:

R1=R3=7,5Ком

R2=R4=1Ком.

Схема включения АЦП является типовой и расчета не требует за исключением расчета источника опорного напряжения собранного аналогично источнику В _о.

Величину выходного напряжения задают резисторы R46,R47,R48. Номинал резисторов находится по формуле

В схеме применен стабистор КС113А,

Величина этого резистора подбирается при настройке, поэтому в схему устанавливается подстроечный резистор.

.

После АЦП происходит обработка сигнала уже в виде кода в цифровой части прибора.

Укрупненная функциональная схема блока цифровой обработки сигнала изображена на рисунке 8.4.

Измерительный блок состоит из одной печатной платы, установленных на ней комплектующих элементов и разъема. Плата размещается внутри негерметичного корпуса прибора. Эксплуатация прибора происходит в условиях заводской лаборатории или аппаратной телецентра при нормальных клима-тических условиях, соответствующих климатическому исполнения УХЛ 4 а.

Наиболее вероятными для данного устройства считаются элементные и эксплуатационные отказы, имеющие как внезапный, так и постепенный характер.

Как следует из анализа функциональной и принципиальной схемы, рассматриваемый модуль может находиться в исправном, неисправном, работоспособном и неработоспособном состоянии. Тот факт, что модуль находится внутри жесткого металлического корпуса прибора значительно уменьшает вероятность его механического повреждения.

Измерительный блок не имеет резервирующих элементов. Неисправность любого из элементов схемы ведет либо к отказу всего устройства в целом, либо к потере его частичной работоспособности, которая отождествляется с неработо-способным состоянием всего прибора.

Проведеный анализ состояний функциональных элементов измерительного модуля позволяет составить его надежностно - функциональную схему, представленную на рисунке.

.Интенсивность отказов и восстановлений i-го элемента соответственно равны l i и m i. Восстанавливает модуль одна ремонтная бригада; приоретет обслуживания прямой .

Большинство составных частей модуля может находиться в двух соостояниях - исправном и неисправном. Наиболее вероятной причиной отказа является обрыв монтажа ( дефект пайки ) и выход из строя микросхем. Обе эти причины приводят модуль измерения ОСШ в неработоспособное состояние.

Измерительный блок полностью собран на интегральных микросхемах. Необходимым условием работоспособного состояния счетчика является исправность всех входящих в него компонентов. Неисправность любой из микросхем измерительного блока приводит к прекращению выполняемых им функций, а, следовательно, к неисправному состоянию всего модуля.

АЦП выполнено на одной интегральной микросхеме. Особенностью устройства микросхемы является возможность ее частичного отказа, вызванного дефектом одной из ячеек сравнения. При этом неизбежно возникнет ситуация несоответствия показаний цифрового табло модуля измерения ОСШ с реальным значением ОСШ. Данная метрологическая характеристика дожна однозначно соответствовать требованиям технического задания, следовательно, в данном случае весь прибор считается неработоспособным.

• Рвн ( t _зад ) - вероятность безотказной работы модуля за время t _зад ;
• l å _вн - интенсивность внезапных отказов модуля в целом;
• Тов - средняя наработка на внезапный отказ.

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

, где

l _i - интенсивность отказов i - го элемента;

N - количество однотипных элементов;

n - количество групп однотипных элементов.

Интенсивность отказов i - го элемента с учетом условий применения, определяется по формуле:

l _i = l _io А _{э i} , где

l _о - табличное значение интенсивности отказов элемента ( детали );

А _{э i} - комплексный поправочный коэффициент, учиты-вающий вид комплектующих и влияние внешних факторов и условия эксплуатации.

Необходимые коэффициенты рассчитываются по формулам:

коэффициент эксплуатации для микросхем, транзисторов и диодов

А _э = а ₁ х а ₂ х а ₄ х а ₅ ;

коэффициент эксплуатации для резисторов:

А _э = а ₁ х а ₂ х а ₄ х а ₆ х а ₇ ;

коэффициент эксплуатации для конденсаторов:

А _э = а ₁ х а ₂ х а ₄ ;

коэффициент эксплуатации для соединителей:

А _э = а ₁ х а ₂ х а ₄ х m, где

m - число задействованных контактов;

а ₁ = в ₁ х в ₂ х в ₃ х в ₄ х в ₅ х в ₆ х в ₇

в _i - коэффициенты условий внешних влияний. Согласно [ МУ 107 ] :

• в ₁ = 1 - влияние вибрации;
• в ₂ = 1 - влияние ударов;
• в ₃ = 1 - влияние влажности;
• в ₄ = 1 - влияние атмосферного давления;
• в ₅ = 1,2 - влияние климата;
• в ₆ = 3 - особенность назначения;
• в ₇ = 10 - качество обслуживания.

• а ₂ - электрическая нагрузка и температура:

для микросхем в пластмассовом корпусе: а ₂ = 1;

для транзисторов: а ₂ = 0,25;

для постоянных резисторов: а ₂ = 0,35; К _н = 0,5

коэффициент нагрузки

для конденсаторов: а ₂ = 0,07;

для соединителей: а ₂ = 0,09.

а ₄ - соотношение отказов вида КЗ / обрыв:

для микросхем: а ₄ = 0,8;

для транзисторов: а ₄ = 0,75;

для постоянных резисторов: а ₄ = 0,9;

для соединителей: а ₄ = 0,95.

• а ₅ = 5 - для микросхем;

а ₅ = 5 - для транзисторов;

а ₅ = 3 - для диодов.

• а ₆ = 0,5 - для постоянных резисторов.

а ₇ = 1 - для переменных резисторов.

Расчеты по приведенным выше выражениям сведены в таблицу.

Наработка на отказ блока рассчитывается по формуле:

1

Т _бл = ----- = ч.

l _бл

Определяем вероятность безотказной работы в течении непрерывного времени работы, равного величине, указанной в техническом задании ( 1500 часов ), на основании формулы:

где,Ni - количество однотипных элементов;

l _i - интенсивность отказов i - го элемента;

t - время безотказной работы.

• Рn ( t ) - вероятность безотказной работы изделия в течение заданного интервала времени t _зад ( по техническому заданию t _зад = 1500 ч ).
• Топ - время наработки на постепенный отказ;
• Тср оп - среднее время наработки на постепенный отказ.

Для определения надежности по постепенным отказам измерительного блока выбираем мультипликативную погрешность определения отношения сигнал/шум , как параметр, определя-ющий состояние изделия. Изменение этого параметра описывается функциями М ( t ) и s ( t ), определяющими возможную реализацию точностных характеристик измерительного блока во времени. Функции М ( t ) и s ( t ) можно представить в виде:

М ( t ) = А х t ;

s ( t ), = s _о + В х t, где

s _о - дисперсия погрешности измерения отношения сигнал/шум в момент начала эксплуатации.

Выбираем:

s _о = 0,5

Коэффициенты А и В выбираем по интенсивности внезапных отказов l å из соотношений:

А = 0,01 l å _вн

В = 0,1 l å _вн

Вероятность безотказной работы измерительного блока в течении заданного в техническом задании интервала времени t _зад = 1500 ч по постепенным отказам оцениваем по формуле:

_доп - максимально допустимая величина ( по ТЗ - 0,5 % );

_о = _доп - _зад - производственный допуск

_о - мультипликативная погрешность измерительного блока в момент начала эксплуатации .

Принимаем _о = 0,4 % ( 4х10 ^-3 )

Pn ( t ) = 0,76

Для определения времени наработки на постепенный отказ воспользуемся формулой:

_доп = _о +

где n - параметр, характеризующий изменение погрешности во времени ( для цифровых приборов n = 0,2 ¹ / год ).

=1789 ч.

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

Межповерочный интервал рассчитываем по формуле:

Тмп = ln P ( t _зад ) = =1150 ч.

где l _å - интенсивность отказов прибора.

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

Вывод : приведенные выше расчеты не требуют изменения требований технического задания.

Оптимально допустимые показатели в воздухе рабочей зоны производственного помещения приведены в таблице 2.

При обеспечении допустимых показателей микроклимата темпе-ратура внутренних поверхностей конструкций, ограждающих рабо-чую зону (стен, потолка, пола) не должна превышать предел допус-тимых величин температуры воздуха, установленных в таблице 2.

Перепад температуры воздуха по высоте рабочей зоны допуска-ется до 3 ^о С. Колебания температуры воздуха по горизонтали в рабочей зоне допускаются до 5 ^о С при работе средней тяжести.

В холодный период года следует применять средства защиты рабочего места от радиационного охлаждения от остекленных поверхностей оконных проемов, в теплый период от попадания прямых лучей.

Таблица 2.

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

Требования к измерению микроклимата:

1. Температуру, относительную влажность и скорость движения воздуха измеряют на высоте 1,5 метра от пола или рабочей площадки при работах, выполняемых сидя.
2. Температуру и относительную влажность воздуха следует измерять аспирационными термометрами.
3. Диапазон измерения и допустимая погрешность измерительных приборов должны соответствовать требованиям таблицы 3.

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны не должны превышать предельную допустимую концентрацию (ПДК).

Таблица 3.

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны подлежит системному контролю. В помещении, где используется модуль измерения ОСШ, вредные вещества не используются.

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

Шум.

Таблица 6.

Виброопасные условия труда должны быть обеспечены применением средств виброзащиты, снижающих воздействующую на работающих вибрацию на путях ее распространения.

При проектировании технологических процессов должны быть :

производственные расчеты ожидающихся уровней вибрации на рабочих местах;

выбраны и рассчитаны необходимые средства виброзащи-щенности рабочего места оператора, позволяющие вместе со строительными решениями обеспечить гигиенические нормы вибрации на рабочих местах.

Организационно - технические мероприятия должны включать в себя проведение периодических эксплуатационных проверок вибра-ции в срок, установленный НТД, не реже одного раза в год для общей вибрации.

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

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

Удельное сопротивление грунта типа суглинок р изм =100 Ом.

Необходимое число электродов определяется по формуле :

- требуемое сопротивление заземления;

- коэффициент экранирования.

Выбирая относительное расстояние между стержнями и их длинной равной l и число стержней n=20, найдем е=0,48 (заземлители расположены в ряд ).

Принимается Rз=50 ом.

шт.

Для соединительных стержней используется полоса. Длина полосы :

Сопротивление растекания полосы без учета экранирования действия стержней находится по формуле:

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

С учетом экранирования :

Ом

Суммарное сопротивление заземления :

Ом

Согласно ОНТП 24- 86 по взрывоопасности и пожарной опасности помещение относится к категории “В”.

По взрывоопасности помещение относится к классу В - IIa и по пожароопасности к классу П - II a. К этому классу относятся помещения, в которых опасные состояния не имеют места при нормальной эксплуатации, а возможны только в результате аварии или неисправностей.

Причиной возникновения пожара при использовании электрооборудования является: электрические искры, дуги, корот-кое замыкание, перегрев приборов. В помещении для пред-отвращения пожара согласно ГОСТ 12.1.004. - 74 “Пожарная безопасность общие требования.” предусматривает следующие меры :

• Применяются плавкие предохранители для защиты от короткого замыкания ;
• Имеющиеся воспламеняющиеся материалы хранятся в спе-циальном несгораемом шкафу ;
• В качестве индивидуального средства тушения пожаров пред-усматриваются углекислотные огнетушители ОУ-5; ОУ-8;
• С работниками проводится инструктаж по пожарной безопасности;
• Запрещено пользоваться электронагревательными приборами;
• Разработан план эвакуации персонала в случае пожара.

Эвакуационный план ведет из расположенного в любом помещении, кроме первого, в коридор или проход, ведущий к лестничной клетке, имеющей выход наружу непосредственно или через вестибюль, отделенный от коридоров перегородками или дверьми.

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

Ñîäåðæàíèå.