Улучшение метрологических характеристик генераторов электрических сигналов с учётом шумов элементов
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].
Читать «Улучшение метрологических характеристик генераторов электрических сигналов с учётом шумов элементов»
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (826 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.5 (80 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
4.7 (46 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
