Курносов Роман Юрьевич. Обеспечение метрологической надежности блоков аналого-цифрового преобразования в информационно-измерительных системах

Краткое описание

Курносов Роман Юрьевич. Обеспечение метрологической надежности блоков аналого-цифрового преобразования в информационно-измерительных системах;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»], 2021

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Тамбовский государственный технический университет»
(ФГБОУ ВО «ТГТУ»)
На правах рукописи

Курносов Роман Юрьевич ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ БЛОКОВ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы
(технические науки)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: д.т.н., профессор, Чернышова Татьяна Ивановна
Тамбов 2021 г.

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 11
1.1 Характеристика состояния проблемы метрологической надежности информационно-измерительных систем 11
1.2. Алгоритмическое описание процесса аналого-цифрового преобразования 18
1.3 Метрологический анализ и пути его реализации 35
1.4 Применение методологии аналитико-вероятностного прогнозирования и математической метрологии для оценки качества блоков информационно - измерительных систем 43
1.5 Постановка задачи исследования 52
Выводы по первой главе 54
2 АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕДУРЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ОЦЕНКИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ БЛОКА АНАЛОГО¬ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В СТРУКТУРЕ ИНФОРМАЦИОННО¬ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 55
2.1 Метрологический анализ измерительной процедуры аналого¬цифрового преобразования в информационно-измерительных системах 55
2.1.1 Определение априорных знаний 56
2.1.2 Алгоритмическое обеспечение измерительной процедуры аналого¬цифрового преобразования 59
2.1.3 Операция дискретизации 60
2.1.4 Операция квантование 61
2.1.5 Операция масштабирование 63

3
2.1.6 Определение полной погрешности блока аналого-цифрового преобразования 64
2.2 Оценка метрологической надежности блока аналого-цифрового преобразователя на этапе его проектирования 67
2.2.1 Математическое моделирование блока аналого-цифрового преобразователя 71
2.2.2 Построение математических моделей метрологических
характеристик 72
2.2.3 Статистическое моделирование состояния метрологических
характеристик модулей аналого-цифрового преобразователя 74
2.2.4 Математическое моделирование изменения во времени метрологических характеристик блока аналого-цифрового
преобразователя 83
Выводы по второй главе 88
3 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 90
3.1 Общие положения 90
3.2 Оценка метрологической надежности блока аналого-цифрового преобразования информационно-измерительных систем 91
Выводы по третьей главе 97
4 РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ ОЦЕНКИ
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО БЛОКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 98
4.1 Оценка характеристик погрешности процедуры аналого-цифрового преобразования 98
4.2 Оценка метрологической надежности исследуемого блока на этапе его проектирования 112
Выводы по четвертой главе 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125

4
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 127
ПРИЛОЖЕНИЕ А 134
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 138
ПРИЛОЖЕНИЕ В 143

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Предложен алгоритм оценивания погрешности процедуры аналого-цифрового преобразования в проектируемых информационно-измерительных системах, отличающийся получением формализованного аналитического описания исследуемой погрешности на основе уравнения измерений с использованием базы знаний и математических моделей аналого-цифрового преобразования, построенных с учетом выделения основных измерительных процедур, определяющих преобразования в рассматриваемом блоке. Проведенный метрологический анализ аналого-цифрового преобразования служит основой для оценивания его погрешности и, в дальнейшем, может обеспечить достоверную оценку метрологической надежности аналого¬цифрового преобразователя в составе проектируемых информационно¬измерительных систем.
2. Разработан алгоритм оценки метрологического ресурса аналого¬цифрового преобразователя как основного показателя метрологической надежности рассматриваемого блока. Алгоритм заключается в расчете показателя метрологического ресурса с использованием методологии аналитико-вероятностного прогнозирования метрологической надежности на основе построенных математических моделей метрологических характеристик модулей, составляющих измерительный канал проектируемого блока. Алгоритм включает в себя два подхода к оценке метрологической надежности. В первом случае реализуется возможность оценить метрологический ресурс с учетом доминирующего влияния на точность основного входящего в аналого-цифровой преобразователь модуля. Второй подход позволяет дать более корректную оценку метрологического

126
ресурса, что достигается учетом метрологических свойств всех модулей, составляющих рассматриваемый блок.
3. Разработана методика оценки метрологической надежности проек-тируемого блока аналого-цифрового преобразования. Методика позволяет определить выбранный показатель метрологической надежности с учетом постановки задачи по оценке МН блока в зависимости от использования в проводимых расчетах значений метрологических характеристик доминирующего или каждого из составляющих аналого-цифровой преобразователь модулей.
4. Экспериментальные исследования демонстрируют точность основополагающих утверждений созданного алгоритма оценки метрологической надежности на этапе проектирования блока АЦП ИИС.
В ходе выполнения диссертации была решена научная задача, связанная с оценкой МН на этапе проектирования блока АЦП в структуре ИИС, а также с реализацией расчетного метрологического анализа, который в свою очередь дает возможность получить аналитическое выражение погрешности процедуры аналого-цифрового преобразования