Введение к работе
Актуальность задачи. Проектирование и эффективная эксплуатация современных систем управления требует высокой точности аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств, входящих в их состав, в частности цифровых преобразователей угла ( ЦПУ ). Они являются характерным классом устройств -преобразователей информации, которые широко используются в управляющих и измерительных системах. Это обстоятельство, в свою очередь , порождает широкий круг задач, связанных с оценкой погрешности преобразования, для которых ключевым является вопрос о выборе критерия точности преобразования.
ЦПУ, как правило, сложные прецизионные изделия, оценка точности которых является нетривиальной задачей. Точностные подходы, разработанные для них во многих случаях могут быть использованы для устройств других классов. 1 Эффективным подходом к оценке точности преобразователей является использование интегральных критериев, результат применения которых, представленный в компактной форме, позволяет адекватно оценить точностные свойства изделия. Интегральные критерии особенно удобны при автоматизированном сборе информации с использованием средств вычислительной техники, поскольку позволяют сжато представить характеристики больших массивов данных.
Существующие интегральные критерии оценки точности ЦПУ обладают ограниченными возможностями по применимости. Так известный критерий достоверности кода некорректно работает в тех случаях, когда инструментальная погрешность преобразования много больше погрешности квантования, а информационный критерий в его классическом виде нечувствителен к постоянной составляющей погрешности. Поэтому актуальна задача развития интегральных критериев оценки точности ЦПУ в направлении расширения области их применения.
В настоящей диссертационной работе рассматривается интегральный критерий точности ЦПУ, являющийся развитием известных информационных и вероятностных критериев. Этот критерий основан на учете потери информации каждым из разрядов преобразователя, поэтому далее он называется "поразрядным". Он свободней от перечисленных выше недостатков. "Поразрядный" критерий сохраняет все преимущества классического информационного и вероятностного подходов, кроме того, он применим и к некоторым другим классам устройств - преобразователей информации. Он позволяет исследовать точностные возможности не только отдельных таких устройств, но и проводить точностную оптимизацию систем, путем замены отдельных ее компонент на болое точные или
4 , _
более дешевые. Таким образом, можно эффективно прогнозировать точность системы еще на этапе ее разработки.
Целью диссертации является разработка интегрального критерия точности для цифровых преобразователей угла, отличающегося от существующих более широкой областью применения и основанного на учете потери информации каждым из разрядов преобразователя, доказательство его корректности, исследование свойств, разработка подходов по использованию критерия для оценки' точности и проведения, точностной оптимизации преобразователей информации других классов.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
проведен анализ наиболее широкоиспользуемых в настоящее время точностных критериев для ЦПУ, выявлены их положительные свойства и недостатки;
исследован структурный мзханизм возникновения погрешности при непосредственном преобразовании "угол-код" и при косвенном преобразовании ;
разработан математический метод расчета количества потерянной информации при аналого-цифровом преобразовании;
разработан математический метод расчета количества потерянной информации при аналоговом преобразовании;
- разработана методика контроля точности ЦПУ с использованием
информационного "поразрядного" критерия точности и исследована ее
эффективность;
- исследованы возможности использования "поразрядного" критерия при
решении различных точностных задач для других классов преобразовательных
устройств.
Методы исследования основаны на использовании аппарата теории вероятностей и теории информации, теории численных методов, дифференциального и интегрального исчисления.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
-
Разработан метод численного расчета потери информации при преобразовании угла в код, основанный на учете информационных потерь каждого из разрядов ЦПУ и отражающий влияние постоянной составляющей погрешности.
-
Разработан итерационный метод численного расчета потери информации при преобразовании одного аналогового параметра в другой для ЦПУ косвенного преобразования.
3. Показаны возможности разработанного критерия, определены границы его
применимости.
4. Разработан метод проведения точностной оптимизации ЦПУ и преобразователей
информации других классов, основанный на построении покомпонентной
информационной цепочки.
' Практическая ценность. Разработанный "поразрядный" критерий
точности позволяет по массиву погрешностей исследуемого преобразователя определить количество информации на его выходе как в случае поступления на вход преобразователя неискаженного сигнала, так и в случае поступления сигнала с искажениями. Таким образом, несколько преобразователей различных классов, входящих в состав единой системы; могут быть исследованы автономно и объединены затем с помощью математической модели в информационную цепочку, в которой от одного преобразователя к другому передается лишь единственный параметр - количество информации.
С помощью разработанного интегрального критерия было произведено исследование точностных возможностей 16-разрядного и 12 -разрядного (с малогабаритным* вращающимся трасформатором 2.5 БВТ-2 в аналоговой части) цифровых преобразователей угла косвенного преобразования, получены значения количества информации на выходе преобразователей в целом и на выходе их аналоговых частей в нормальных условиях и при наличии воздействия внешнего (ректора ( температуры ). В качестве преобразователей другого класса .было проведено исследование точности датчиков давления, произведен подбор оптимальных по информации тарировочных функций и определено.количество информации, которое может быть получено от датчиков при тарировании каждого датчика индивидуально и всей партии с одной тарировочной функцией.
Разработано программное обеспечение для IBM PC, позволяющее производить расчет количества информации на выходе преобразователя по реальному массиву его погрешностей или по смоделированному распределению вероятностей его погрешностей, исходя из теоретических предположений.
На защиту выносятся:
1. Математический метод и алгоритм расчета количества потерянной
информации цифровым преобразователем угла по массиву его погрешностей.
2. Математический метод и алгоритм расчета количества информации на
выходе аналоговой части ЦПУ косвенного преобразования.
і 3. Математический метод и алгоритм расчета количества информации на
выходе преобразователя при поступлении на него сигнала с погрешностью.
4. Методика использования "поразрядного" интегрального критерия при контроле точности и проведении точностной оптимизации ЦПУ непосредственного и косвенного преобразования.
Внедрение работы. Результаты диссертационной работы внедрены в НИИ ИТ, 22 ЦНИИИ МО, Центре электронных информационных технологий, в образовании и науке "Элитой" и МГУЛ. Внедрение заключается в использовании разработанных методик при проведении НИР и ОКР, связанных с оценкой точности ЦТ1У, АЦП и измерительных систем. Пакет прикладных программ, разработанный на их основе, используется в учебном процессе МГУЛ при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы были доложены и апробированы на конференциях "Оптико-электронные измерительные устройства и системы" { Томск, 1989 г.), "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Москва,МИЭМ,1990), "Микроминитюаризация РЭС и ЭВС"{Москва, МИЭМ, 1990), "Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков.электронных и электронно-механических систем" (Москва, МИЭМ, 1989), "Микросистема - 93" ( Москва, МИЭМ, 1993). Кроме того основные положения диссертации рассматривались на научно-технических семинарах кафедры "Электроника и микропроцессорная техника" Московского государственного университета леса в 1989-1994 гг. I
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ,
результаты исследований вошли в отчеты по пяти. НИР.
Объем и структура работы. Основное содержание диссертационной
работы изложено на страницах машинописного текста, иллюстрированного
рисунками и таблицами. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
