Улучшение метрологических характеристик генераторов электрических сигналов с учётом шумов элементов

Орехова, Анастасия Сергеевна Отделение автоматизации и робототехники (ОАР)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

Объектами исследования являются метрологические характеристики генератора сигналов прецизионного ГС-50: погрешность уровня выходного напряжения, коэффициент гармоник. Данная работа ставит целью компьютерное моделирование генератора с учетом шумов элементов на предмет исследования его выходных параметров. В ходе работы был выбран и изучен программный пакет Multisim для дальнейшего моделирования, собраны схемы инвертора и интегратора, проведено их моделирование и исследование В результате работы была получена модель генератора с характеристиками соответствующими реальным характеристикам генератора сигналов прецизионного ГС-50.

С.
Обозначения и сокращения ………………………………………………………………………. 12
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 13
1 Генераторы электрических сигналов …………………………………………………… 16
1.1 Виды генераторов электрических сигналов ……………………………………. 16
1.2 RC-генераторы низких частот ………………………………………………………… 17
1.3 Принцип действия генераторов ……………………………………………………… 20
1.4 Генератор сигналов прецизионный ГС-50 ……………………………………… 22
1.5 Метрологические характеристики генератора ГС-50 ……………………… 23
1.5.1 Определение коэффициента гармоник выходного напряжения … 25
1.5.2 Определение нестабильности частоты …………………………………….. 26
1.5.3 Определение погрешности установки частоты по шкале частот . 26
1.5.4 Определение погрешности установки выходного напряжения …. 26
1.5.5 Описание функциональной блок-схемы генератора ГС-50……….. 27
1.6 Задающий генератор в составе генератора ГС-50 …………………………… 29
1.6.1 Инвертор на основе операционного усилителя ………………………… 33
1.6.2 Интегратор на основе операционного усилителя ……………………… 34
2 Компьютерное моделирование сложных систем …………………………………. 38
2.1 Метод компьютерного моделирования ………………………………………….. 38
2.2 Компьютерное моделирование генератора ГС-50…………………………… 39
3 Шумы элементов генераторов сигналов ……………………………………………… 42
3.1 Общие понятия о шумах элементов электронных систем ……………….. 42
3.1.1 Тепловой шум …………………………………………………………………………. 43
3.1.2 Дробовой шум ………………………………………………………………………… 44
3.1.3 Контактный шум …………………………………………………………………….. 44
3.2 Коэффициент шума ……………………………………………………………………….. 45
3.3 Отношение сигнал/шум …………………………………………………………………. 46
4 Результаты моделирования генератора ГС-50 ……………………………………… 48
4.1 Процесс нарастания амплитуды в колебательном звене генератора ГС-
50 ………………………………………………………………………………………………………… 48
4.2 Процесс установления стационарного режима в колебательном звене
генератора ГС-50 ……………………………………………………………………………………… 49
5 Моделирование функциональных частей генератора ГС-50 ………………… 52
5.1 Моделирование инвертора в составе генератора ГС-50 ………………….. 52
5.2 Моделирование интегратора в составе генератора ГС-50 ……………….. 55
6 Моделирование метрологических характеристик генератора ГС-50 …….. 60
7 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 64
7.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения…………………………………………………………………………………… 65
7.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………….. 65
7.1.2 Анализ конкурентных технических решений …………………………… 65
7.2 Планирование научно-исследовательских работ ……………………………. 67
7.2.1 Структура работ в рамках научного исследования …………………… 67
7.2.2 Определение трудоемкости выполненных работ ……………………… 68
7.2.3 Разработка графика научного исследования …………………………….. 68
7.3 Определение бюджета научно-технического исследования ……………. 70
7.3.1 Расчет материальных затрат научно-технического исследования 71
7.3.2 Расчет заработной платы …………………………………………………………. 72
7.3.3 Расчет затрат на социальный налог …………………………………………. 73
7.3.4 Расчет затрат на электроэнергию …………………………………………….. 74
7.3.5 Расчет амортизационных расходов ………………………………………….. 75
7.3.6 Расчет расходов, учитываемых непосредственно на основе
платежных (расчетных) документов (кроме суточных)……………………………… 76
7.3.7 Расчет прочих расходов…………………………………………………………… 76
7.3.8 Расчет общей себестоимости разработки …………………………………. 76
7.3.9 Расчет прибыли ………………………………………………………………………. 77
7.3.10 Расчет НДС …………………………………………………………………………… 77
7.3.11 Цена разработки ОКР (НИР)………………………………………………….. 77
7.4 Оценка экономической эффективности проекта …………………………….. 78
8 Социальная ответственность ………………………………………………………………. 79
8.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности … 79
8.2 Производственная безопасность ……………………………………………………. 80
8.2.1 Анализ вредных факторов рабочего помещения ………………………. 81
8.2.2 .Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть в
учебной аудитории при проведении исследований ……………………………………. 81
8.2.3Анализ вредных факторов………………………………………………………… 82
8.2.3.1 Микроклимат ………………………………………………………………….. 82
8.2.3.2 Шум ……………………………………………………………………………….. 84
8.2.3.3 Освещение ……………………………………………………………………… 84
8.2.3.4 Повышенный уровень электромагнитных излучений ………. 87
8.2.3.5 Психофизические факторы ……………………………………………… 88
8.2.3.6 Вывод …………………………………………………………………………….. 89
8.2.4 Анализ опасных факторов……………………………………………………….. 89
8.2.4.1 Поражение электрическим током ……………………………………. 89
8.2.4.2 Опасность возникновения пожара. Короткое замыкание …. 90
8.3 Экологическая безопасность………………………………………………………….. 91
8.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях……………………………………….. 92
8.4.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследования ……………………………………………………………………………………………. 92
8.4.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в аудитории при
проведении исследований ………………………………………………………………………… 92
8.5 Выводы по разделу «Социальная ответственность» ……………………….. 94
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 95
Список публикаций ………………………………………………………………………………….. 96
Список используемых источников: …………………………………………………………… 97
Приложение А (справочное) Signal generators: types, metrological
characteristics and operating principle ………………………………………………………… 100
Приложение Б (обязательное) Описание условий возникновения колебаний в
колебательной системе задающего генератора ………………………………………… 114
Приложение В (обязательное) Электрическая принципиальна схема
генератора со схемой стабилизации ………………………………………………………… 116
Обозначения, сокращения

В данной работе применены следующие обозначения и сокращения:
АМВ – автоколебательный мультивибратор;
ЗГ – задающий генератор;
ИОН – источник опорного напряжения;
ИНТ – интегратор;
КОМПАР – компаратор;
НТИ – научно-техническое исследование;
ООС – отрицательная обратная связь;
ОС – обратная связь;
ОУ – операционный усилитель;
ПСЗ – преобразователь средневыпрямленных значений;
ПЭВМ – персональная электро-вычислительная машина;
РЭ – регулирующий элемент;
СИ – средство измерений;
СУ – согласующий усилитель;
У – усилитель;
УО – усилитель-ограничитель;
ФПИ – формирователь прямоугольных импульсов;
ЦОС – цепь обратной связи;
ЧИЦ – частотно-избирательная цепь;
ЧС – чрезвычайная ситуация.

На сегодняшний день прогресс измерительной техники определяется,
в первую очередь, работой над развитием и модернизацией генераторов
измерительных сигналов. Такого типа генераторы являются
основополагающими компонентами при проведении экспериментов,
направленных на исследование характеристик объектов, обладающих
различной физической природой.
Сопоставляя объемы производства зарубежной и отечественной
промышленности, а также анализируя текущие тенденции производства
измерительных генераторов сигналов, можно сделать вывод, что наибольшее
распространение получили именно низкочастотные генераторы сигналов
синусоидальной формы волны, о которых пойдет речь в данной работе.
Аналоговые и цифровые генераторы наравне способны формировать
измерительные сигналы. В основе формирования, которых лежат
колебательные процессы, воспроизводимые генераторами. Вместе с тем,
цифровые генераторы сигналов, по сравнению с аналоговыми, зачастую
обладают большей функциональностью. В то же время, аналоговые, тем не
менее, отличаются лучшими метрологическими характеристиками. В
частности, они обладают меньшим коэффициентом нелинейных искажений,
меньшим коэффициентом гармоник и большей стабильностью формы
выходных колебаний.
В последние годы, даже при достаточно обширном распространении
цифровых измерительных приборов, аналоговые генераторы, тем не менее,
не сдают своих позиций и продолжают получать развитие, благодаря
возможностям современной микроэлектроники.
Анализируя данные по номенклатуре отечественной и зарубежной
измерительной техники, можно полагать, что генераторы именно
синусоидальных сигналов низкочастотные, наиболее распространены, как в
России, так и за рубежом. Это видно по объемам выпущенных за последние
годы ведущими приборостроительными фирмами измерительных
генераторов.
Одним из главных достоинств генераторов сигналов синусоидальной
формы волны является их способность генерировать выходные сигналы с
определенными заданными характеристиками и параметрами. При этом, чем
меньше искажений порождает сам генератор, тем достовернее будет
выходной сигнал. На практике рекомендуется применять генераторы,
имеющие малые нелинейные искажения и малый уровень шума.
На сегодняшний день исследования шумов генераторов, имеющих
малые нелинейные искажения, практически не проводились и этот вопрос
носит актуальный характер. Это, в том числе относится и к объекту
исследования в данной магистерской работе – генератору сигналов
прецизионному ГС-50 (далее – генератор ГС-50). Это связано с тем, что
только с развитием электроники стало возможным проводить исследование
достаточно малых нелинейных искажений, практически на уровне шума.
Цель исследования заключается в компьютерном моделировании
метрологических характеристик генератора с учетом шумов элементов в
программном пакете NI Multisim для исследования влияния шума и
нелинейных искажений на получаемый на выходе генератора сигнал.
Для средств измерений, согласно ГОСТ 8.009 [1] характерны
следующие метрологические характеристики:
 диапазон установки частоты;
 погрешность установки частоты;
 уровень выходного напряжения;
 неравномерность уровня выходного напряжения;
 значение коэффициента гармоник и др.
Для достижения, поставленной в данной работе, цели был
сформулирован целый ряд задач:
 выбрать программное обеспечение для решения поставленной в
исследовании цели;
 проанализировать метрологические характеристики генератора.
Из них выделить наиболее влияющие на выходной сигнал;
 провести компьютерное моделирование инвертора, интегратора в
составе генератора на предмет исследования выделенных метрологических
характеристик с учетом влияния шумов элементов в программном пакете
NI Multisim;
 провести компьютерное моделирование всего генератора на
предмет исследования выделенных метрологических характеристик с учетом
влияния шумов элементов в программном пакете NI Multisim;
 проанализировать полученные данные по результатам
исследования, сделать выводы.
1 Генераторы электрических сигналов

В рамках работы над магистерской диссертацией были исследованы
инвертор и интегратор в составе исследуемого объекта – генератора сигналов
прецизионного ГС-50. Затем был исследован и сам генератор. Полученные
результаты показали, что, присутствующий в схеме шум в большей степени
влияет на метрологические характеристики инвертора, чем интегратора. Это
связано, в первую очередь с различием в природе действия этих элементов.
Так как интегратор по своей сути является фильтрующим устройством,
он дополнительно фильтрует нелинейные искажения, в связи с чем, отношение
сигнал/шум на выходе интегратора больше, чем на выходе инвертора.
После последующего моделирования генератора, можно сделать вывод,
что в значительной мере на его выходные характеристики: выходное
напряжение, коэффициент гармоник выходного напряжения и отношение
сигнал/шум влияет именно инвертор. После сравнения полученных результатов
с приписанными генератору сигналов метрологическими характеристиками, в
частности: погрешности установки выходного напряжения и коэффициента
гармоник выходного сигнала, можно сделать вывод о том, что, присутствующий
в схеме шум в меньшей мере влияет на уровень выходного напряжения
генератора ГС-50. Погрешность установки выходного напряжения не
превышает установленную. В отличие от коэффициента гармоник выходного
сигнала, так как присутствующий в схеме шум в значительной степени влияет
на его значение, особенно это заметно на высоких частотах генерируемого
сигнала.

Полученные результаты будут использованы при разработке
модернизированной версии генератора ГС-50М с меньшим уровнем искажения
выходного сигнала.
Список публикаций

Орехова А. С. Исследование шумовых характеристик выходного
напряжения генератора сигналов прецизионного ГС-50 / А. С. Орехова ;
науч. рук. Ю. К. Рыбин // Молодежь и современные информационные
технологии: сборник трудов XVI Международной научно-практической
конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 3-7 декабря 2018 г.,
г. Томск. — Томск : Изд-во ТПУ, 2018. — [С. 190-191].

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Дмитрий К. преподаватель, кандидат наук
    5 (1241 отзыв)
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.
    #Кандидатские #Магистерские
    2271 Выполненная работа
    Катерина В. преподаватель, кандидат наук
    4.6 (30 отзывов)
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации... Читать все
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации. Опыт работы 7 лет. Всегда на связи и готова прийти на помощь. Вместе удовлетворим самого требовательного научного руководителя. Возможно полное сопровождение: от статуса студента до получения научной степени.
    #Кандидатские #Магистерские
    47 Выполненных работ
    user1250010 Омский государственный университет, 2010, преподаватель,...
    4 (15 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Антон П. преподаватель, доцент
    4.8 (1033 отзыва)
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публикуюсь, имею высокий индекс цитирования. Спикер.
    #Кандидатские #Магистерские
    1386 Выполненных работ
    Петр П. кандидат наук
    4.2 (25 отзывов)
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт напис... Читать все
    Выполняю различные работы на заказ с 2014 года. В основном, курсовые проекты, дипломные и выпускные квалификационные работы бакалавриата, специалитета. Имею опыт написания магистерских диссертаций. Направление - связь, телекоммуникации, информационная безопасность, информационные технологии, экономика. Пишу научные статьи уровня ВАК и РИНЦ. Работаю техническим директором интернет-провайдера, имею опыт работы ведущим сотрудником отдела информационной безопасности филиала одного из крупнейших банков. Образование - высшее профессиональное (в 2006 году окончил военную Академию связи в г. Санкт-Петербурге), послевузовское профессиональное (в 2018 году окончил аспирантуру Уральского федерального университета). Защитил диссертацию на соискание степени "кандидат технических наук" в 2020 году. В качестве хобби преподаю. Дисциплины - сети ЭВМ и телекоммуникации, информационная безопасность объектов критической информационной инфраструктуры.
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы
    Лидия К.
    4.5 (330 отзывов)
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии ... Читать все
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии и педагогики. Написание диссертаций, ВКР, курсовых и иных видов работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    592 Выполненных работы
    Елена Л. РЭУ им. Г. В. Плеханова 2009, Управления и коммерции, пре...
    4.8 (211 отзывов)
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно исполь... Читать все
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно использую в работе графический материал (графики рисунки, диаграммы) и таблицы.
    #Кандидатские #Магистерские
    362 Выполненных работы
    Ольга Р. доктор, профессор
    4.2 (13 отзывов)
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласован... Читать все
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласованные сроки и при необходимости дорабатываются по рекомендациям научного руководителя (преподавателя). Буду рада плодотворному и взаимовыгодному сотрудничеству!!! К каждой работе подхожу индивидуально! Всегда готова по любому вопросу договориться с заказчиком! Все работы проверяю на антиплагиат.ру по умолчанию, если в заказе не стоит иное и если это заранее не обговорено!!!
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Татьяна М. кандидат наук
    5 (285 отзывов)
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    #Кандидатские #Магистерские
    495 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Применение метаматериалов в первичных измерительных преобразователях
    📅 2021год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Интеграция методологии FMEA с процессом проектирования и разработки продукции
    📅 2019год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Автоматическая коррекция систематической погрешности средств измерений
    📅 2019год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)