Измеритель отношения сигнал/шум ТВ канала
1. Введение.
2. Назначение и область применения.3. Анализ метода определения отношения сигнал/шум.4. Обзор и анализ аналогичных устройств.5. Обоснование выбора структурной схемы.6. Предварительный анализ погрешностей.7. Разработка функциональной схемы.8. Разработка принципиальной схемы.9. Анализ погрешностей.10. Метрологическое обеспечение.11. Расчет параметров надежности.12. Технико-экономическое обоснование.13. Анализ рабочего места
Аннотация.
В дипломной работе выполняется проектирование модуля измерения отношения сигнал/шум - измерительного прибора предназначенного для эксплуатациив аппаратных телецентров Украины. Этот прибор должен заменить находящийся сейчас в эксплуатации прибор ИСШ-4, который является не экономичным морально устаревшим и не достаточно точным.
1. Введение.
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/шумИСШ-4, методическая база которого легла в основу данного проекта.
2. Назначение и область применения разрабатываемого модуля измерения отношения сигнал/шум.
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 отношениясигнал/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.
3. Анализ метода определения отношения сигнал/шум .
Отношение сигнал/шум в телевидении определяют как отношение размаха видеосигнала между уровнями белого и гашения (или черного) к эффективному значению шума .
Отношение сигнал/шумвыражают в децибелах в соответствии с выражением (3.1):
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 величинитаким 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 :
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):
4. Обзор и анализ аналогичных устройств.
Разрабатываемое СИ является прибором с узкой специализацией, предназначенное, в основном , только для работы в аппаратных телевизионных центров. Поэтомудополнение его функций как измерителя отношения сигнал/шумкакими-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, чтопродукция 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 измерителяИСШ-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” поступаетна 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 Во. 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 Во. 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 междууровнями гашения и белого (или черного и белого) равен величине Во, 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 Uкпропорционален мгновенной величине шума в момент выборки
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 Uk , а предыдущее напряжение принудительно сбрасывается (рис.4.3и; рис.4.4б). В момент прихода (к+1)-ого импульса сбрасывается напряжениеUk иформируется Uk+1.
Таким образом, на выходе детектора 7 формируется преобразованный шум - дискретный случайный процесс, име-ющий те же статистические характеристики (среднее значение и дисперсию), что и шум на входе измерителя.
Дальнейшее измерение эффективной величины шума производится в соответствии с алгоритмом (3.3), при использовании которого нет необходимости производить, как промежуточную операцию, определение среднего значения, или центрирование, преобразованного шума. Алгоритм измерения ОСШ (3.2) принимается с учетом алгоритма (3.3) вид (3.4).
Операция вычитания, возведения в квадрат, суммирование и логарифмирование в последовательности, определенной алгоритмом (3.4), осуществляют цифровые блоки измерителя. Предварительную трансформацию преобразованного шума в цифровой код производят широтно-импульсный модулятор 10, расположенный в блоке автоматической регулировки усиления, и преобразователь длительность-код 12, расположенный на плате вычитателя и квадратора арифметического блока.
Широтно-импульсный модулятор запускается строб-импульсами с выхода формирователя 9. На выходе модулятора 10 образуется широтно-модулированные импульсы (рис.4.4в), длительность которых пропорциональна размаху преобразованного шума в момент запуска модулятора 10, т.е.
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 нормировкув соответствии с формулой 3.2 и компенсацию величины Во 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 Uk.
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 Uk - Nk .
В дальнейшем Nk подается на блок цифровой обработки и управления (БЦОиУ). Функциями блока является накопление массива Nk, вычисление ОСШ по формуле 3.5 по совокупности выборок Nk, управление УЛСК , выдача результата измерения на отображающее устройство.
И последним блоком структурной схемы является устройство отображения результата измерения (УОРИ).
6. Предварительный анализ погрешностей.
7. Разработка функциональной схемы модуля измерения ОСШ.
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 выделениясинхросигналовина устройство линейного сравнения и компенсации (УДСК). Блок УЛСК состоитиз 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 Во. 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 наодин вход дифференциального усилителя приходит ноль. Выход усилителя подключен ко входу компаратора напряжения, который сравнивает полученный сигнал с постоянной величиной Во. Cигнал несущий информацию сравнения управляет ГЛИНом. В тот момент когда сигнал строки станет равным Во, 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 строкеблока 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.
8.Разработка принципиальной схемы измерительного блока модуля измерения ОСШ.
Входной усилитель состоит из усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, который необходим для предва-рительного усиления полного видеосигнала. Такая необходимость обусловлена точностными требованиями, которые в дальнейшем будут предъявлены системе АРУ.
Этот усилитель состоит из прецезионного усилителя, собранного на операционном усилителе (ОУ). Для построения выбрана интегральная микросхема (ИМС) КР140УД1101, которая отвечает требованиям, предъявляемым к этому усилителю в связи с необходимостью работы в частотном диапазоне видеосигнала. ИМС КР140УД1101 представляет собой быстро-действующий операционный усилитель, имеющий повышенную скорость нарастания выходного напряжения (50В/мксек.) и малое время установления. Коэффициент усиления выбран равным 15. Это связано с необходимостью достичь на выходе усилителя амплитуды сигнала близко 12В. Так как стандартный уровень белого в видеосигнале равен 0,7В, коэффициент усиления равен Принципиальная схема входного усилителя изображена на рисунке 8.1.
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 Во, 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 Во. 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 Во 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
(8.1)где,
- напряжение поступаемое с ГЛИНа;
- напряжение на входе блока УЛСК.
Так как напряжениеUарувозрастает, возрастает и выходное напряжение и наступит момент, когда напряжения на входах уравняются и тогда устройство выборки и хранения зафиксирует величину напряжения до конца цикла измерения.
Для того чтобы во время когда сигнал выделенной строки отсутствует ГЛИН не работал,предусмотрена блокировка выходов компаратора сигналом с блока выделения строки.
Величина резисторов R5,R6,R7,R8, которые влияют на коэф-фициент усиления дифференциального усилителя выбраны таковыми, что при величине Uвх=12В коэффициент усиления диф-ференциального усилителя равен 1.
Далее необходимо расчитать источникопорногонапряжения на DA4. Величину выходного напряжения задают резисторы R9,R10,R11. Номинал резисторов находится по формуле
Сигнал после дифференциального усилителя попадает на вход компаратора напряжения, где сравнивается с Во . 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 Во. 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.
Исходя из диапазона в котором будут производиться измерения ОСШ и величины видеосигнала можно сказать, что величина Uшум 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 Во с источника опорного напряжения описанного выше.
Величина резисторов R1,R2,R3,R4, которые влияют на коэф-фициент усиления дифференциального усилителя выбраны исходя из формулы:
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
Функции ЦПУ, ОЗУ,ПЗУ,УВВ выполняет СБИС однокристаль-ной восьмиразрядной микро-ЭВМ КМ1816ВЕ48.
Эта микросхема выбрана исходя из требований к объему ПЗУ, ОЗУ, а также, что не мало важно, то что эта СБИС имеет перепрограмируемоеПЗУ. Этот параметр имеет большое значение так как предполагается не большое количество изготовляемых приборов.
Десять разрядов кода с АЦП поступают на регистры и по заднему фронту строб-сигнала записываются и запоминаются до прихода следующего импульса. Код считывается в однокристальную ЭВМ в такой последовательности:
по приходу сигнала с микро-ЭВМ на чтение памяти считывается младшие восемь разрядов;
разряды 9 и 10 выставляются на шину по приходу сигналаТ1 вместе с сигналом чтения памяти.
На время чтения регистров выходы незадействованного регистра переводятся в Z-состояние.
Микро-ЭВМ производит операции запоминания предыдущего значения NK, вычисление разности Nk и Nk-1, суммирование разностей, вычисление корня суммы и дальнейшие вычисления по формуле 3.5.
Результат измерения появляется в виде 12 разрядного двоично-десятичного кода на выводах портов 1 и 2 микро-ЭВМ.
Этот код подается на дешифраторы КР555ИД18 предназначенные для преобразования двоичного кода в код для семисегментных индикаторов АЛС324Б.
9. Анализ погрешности модуля измерения ОСШ.
9.1. Погрешность входного усилителя.
9.1.1.Погрешность от конечного усиления ОУ.
Погрешность от конечного усиления определяется по формуле:
10.Метрологическоеобеспечение.
В модуле измерения ОСШ предусмотрена градуировка и оперативная колибровка. Градуировка проводится на заводе - изготовителе после настройки модуля, и целью ее является учет величины F в алгоритме (3.5). При градуировке на входе измерителя устанавливается градуировочная величина ОСШ и путем регулировки внутренних настроечных элементов добиваются показания, соответствующего поданному на вход значению ОСШ.
После окончания градуировки определяют калибровочное число К, необходимое для оперативной калибровки измерителя в процессе эксплуатации, для чего на вход измерителя подается эталонный сигнал, иммитирующий шум. Результат измерения уровня иммитируемого шумаявляется калибровочным числом К для данного измерителя. Калибровочное число К заносится в паспорт прибора. В прцессе эксплуатации прибора возможно изменение величины F по сравнению со значением, учтенным при градуировке. Эти изменения происходят за счет изменения условий эксплуатации, старения элементной базы и других причин. Компенсация дрейфа величины F осуществляется оперативной калибровкой. Проводят измерение уровня иммитируемого шум . Причем, если результат измерения К не равен калибровочному значению, то изменяют коэффициент передачи измерительного тракта ( изменяют величину F ) до совпадения результатов.
При проведении поверки модуля измерения отношения сигнал/шум должны применятся контрольно-измерительная аппаратура, перечень которой приведен в приложении 2.
При проведении поверки должны соблюдаться следующие условия :
(напряжение питающей сети должно быть 220В5% ;
(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 импульсовГ5-26 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. Определениеразбросарезультатоврядаизмерений (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, поформуле :
= max - min ,
где max ; min- соответственно наибольший и наименьший из полученных результатов.
Технико-экономическое обоснование.
Планирование организации конструкторских работ по теме “Модуль измерения отношения сигнал-шум”.
Данный дипломный проект представляет собой усовершенствование модуля измерения отношения сигнал\шум ИСШ4.
Прибор предназначен для полуавтоматических измерений и контроля параметров телевизионного тракта аппаратно-студийного комплекса телевидения.
Для расчета длительности и трудовых ресурсов комплекса работ по созданию и освоению новой техники применяются сетевые методы. Весь комплекс работ представляется сетевым графиком - направленным гра-фом, на котором показаны работы и события.
Этапы сетевого планирования:
*расчленение всего комплекса работ на отдельные логически завершенные работы;
* определение продолжительности работ и ресурсов (для их выполнения используются нормативы и экс-пертные оценки);
Временные оценки дают эксперты, которые являются ответственными исполнителями работ и имеют большой опыт выполнения таких работ. Предполагается незави-симость экспертов.
При построении сетевого графика в начале составляется перечень работ. В нем указывается шифр работ, исполнители и их количество, затем определяется длительность работ по соответствующим нормативам. При отсутствии нормативов ожидаемое время выполнения работ tож определяется по двум оценкам времени, которые берутся из статистических данных по аналогичным работам или получаются в виде экспертных оценок различных специалистов, минимальной продолжительности работы (оптимистическая оценка) tmin и максимальной продолжительности (пессимистическая оценка) tmax .
Минимальная продолжительность работы пред-полагает наличие самых благоприятных условий для ее выполнения. Максимальная продолжительность опре-деляется с учетом возможности неблагоприятных усло-вий.
Ожидаемое время выполнения работ определяется по формуле:
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.
Анализ и оптимизация сетевого графика.
При оптимизации сетевого графика общий срок выполнения всего комплекса работ принимается равным длине критического пути. При таком варианте решения оптимизация проводится только по загрузке исполнителей:
*изменяется число исполнителей на соответствующих работах при сохранении исходной трудоемкости;
*в пределах резервов времени по работам, не лежащих на критическом пути, производится сдвиг сроков начала и окончания этих работ с целью получения равномерной загрузки исполнителей.
Оптимизация сетевого графика выполняется с целью минимизации и выравнивания потребностей в исполнителях. Для этого построим карту проекта, которая содержит преобразованный сетевой график (рис2).
Оптимизация начинается с построения карты загрузки исполнителей, на которой указывается длительность и последовательность работ, а также трудоемкость их выполнения. Карта содержит:
*преобразованный сетевой график;
*диаграмму занятости работников .
При оптимизации сетевого графика по загрузке исполнителей выполняемые работы можно сдвигать вправо (на более поздние сроки) в пределах имеющихся резервов времени. Нельзя нарушать последовательность и взаимосвязь работ. В случае изменения численности исполнителей конкретной работы, трудоемкость ее должна оставаться постоянной.
В данном случае для оптимизации могут быть выбраны лишь участки работ 6 - 7, 7 - 10, 10 - 11 и 14 - 16.
Работа 10 - 11 обладает достаточным резервом времени чтобы вместо трех человек ее поручить двум.
С целью равномерной загрузки исполнителей работа 14 - 16 сдвигается в пределах своего резерва времени на 12 дней, со сроком начала работ на 136 день.
Определим среднее количество исполнителей, необходимое для выполнения разработки по формуле:
Так как количество исполнителей не может быть дробным, то округляем Тср.Тср =4.
В результате оптимизациимксимальное количество исполнителей сократилось с семи человек до шести и загруженность их стала более равномерной.
Оптимизированная карта проекта сетевого графика изображена на рисунке 3.
Расчет затрат на опытно - конструкторскую разработку.
Затраты на разработку определяются путем составления калькуляции плановой себестоимости. Калькуляция является основным документом, на основании которого производится планирование и учет затрат на опытно - конструкторскую разработку. Калькуляцию плановой себестоимости составляют до начала выполнения работ, поэтому все расчеты в ней носят приближенный характер.
Калькуляция плановой себестоимости рассчитывается по таким статьям:
*Заработная плата (основная и дополнительная).
*Отчисления в фонд социального страхования, фонд занятости и фонд ликвидации последствий Чернобыльской катастрофы.
*Материалы.
*Спецоборудование.
*Затраты на научные командировки.
*Прочие затраты.
*Накладные расходы.
*Оплата услуг сторонних организаций.
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;
Зdi - средняя заработная плата исполнителей первой категории за один день, крб.;
Тdi - 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 плате17080000 рб. за месяц:
крб в день.
Для инженера второй категории при пятидневном рабочем режиме и зароботной плате13210000 крб. за месяц:
крб в день.
Заработная плата исполнителей приведена в таблице 4.
7. Разработка функциональной схемы модуля измерения ОСШ.
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 выделениясинхросигналовина устройство линейного сравнения и компенсации (УДСК). Блок УЛСК состоитиз 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 Во. 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 наодин вход дифференциального премножителя приходит ноль. Выход усилителя подключен ко входу компаратора напряжения, который сравнивает полученный сигнал с постоянной величиной Во. 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 Во, 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 Bo. Таким образом коэффициент передачи этой части УЛСК равен:
где Uc - 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 Во. Из процедуры нормировки следует:
гдесреднее значение сигнала выделенной строки получаемое на выходе фильтра.
Таким образом после дифференциального усилителя на входе измерительного блока появляются отсчеты соответсвующие формуле:
гдекоэффициент 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 состоитиз 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.
8.Разработка принципиальной схемы измерительного блока модуля измерения ОСШ.
Входной усилитель состоит из усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, который необходим для предва-рительного усиления полного видеосигнала. Такая необходимость обусловлена точностными требованиями, которые в дальнейшем будут предъявлены системе АРУ.
Этот усилитель состоит из прецезионного усилителя, собранного на операционном усилителе (ОУ). Для построения выбрана интегральная микросхема (ИМС) КР140УД1101, которая отвечает требованиям, предъявляемым к этому усилителю в связи с необходимостью работы в частотном диапазоне видеосигнала. ИМС КР140УД1101 представляет собой быстро-действующий операционный усилитель, имеющий повышенную скорость нарастания выходного напряжения (50В/мксек.) и малое время установления. Коэффициент усиления выбран равным 6. Это связано с необходимостью достичь на выходе усилителя амплитуды сигнала близко 4В. Так как стандартный уровень белого в видеосигнале равен 0,7В, коэффициент усиления равен.Принципиальная схема входного усилителя изображена на рисунке 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 Во, 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 ОмС =47нФ.
В качестве компаратора напряжения используется ИМС К521СА4 (DA3). Компаратор сравнивает среднее значение сигнала с опорным напряжением, которое соответствует Во. 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 Во 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
(8.1)где,
- напряжение поступаемое с ГЛИНа;
- напряжение на входе блока УЛСК.
Так как напряжениеUарувозрастает, возрастает и выходное напряжение и наступит момент, когда напряжения на входах уравняются и тогда устройство выборки и хранения зафиксирует величину напряжения до конца цикла измерения.
Для того чтобы во время когда сигнал выделенной строки отсутствует ГЛИН не работал,предусмотрена блокировка выходов компаратора сигналом с блока выделения строки.
Схема включения перемножителя Н525ПС4 является типовой и описана в {10}.
Далее необходимо расчитать источникопорногонапряжения на DA4. Величину выходного напряжения задают резисторы R9,R10,R11. Номинал резисторов находится по формуле
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 Во. 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.
Исходя из диапазона в котором будут производиться измерения ОСШ и величины видеосигнала можно сказать, что величина Uшум 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 Во с источника опорного напряжения описанного выше.
Величина резисторов R1,R2,R3,R4, которые влияют на коэф-фициент усиления дифференциального усилителя выбраны исходя из формулы:
Функции ЦПУ, ОЗУ,ПЗУ,УВВ выполняет СБИС однокристаль-ной восьмиразрядной микро-ЭВМ КМ1816ВЕ48.
Эта микросхема выбрана исходя из требований к объему ПЗУ, ОЗУ, а также, что не мало важно, то что эта СБИС имеет перепрограмируемоеПЗУ. Этот параметр имеет большое значение так как предполагается не большое количество изготовляемых приборов.
Десять разрядов кода с АЦП поступают на регистры и по заднему фронту строб-сигнала записываются и запоминаются до прихода следующего импульса. Код считывается в однокристальную ЭВМ в такой последовательности:
по приходу сигнала с микро-ЭВМ на чтение памяти считывается младшие восемь разрядов;
разряды 9 и 10 выставляются на шину по приходу сигналаТ1 вместе с сигналом чтения памяти.
На время чтения регистров выходы незадействованного регистра переводятся в Z-состояние.
Микро-ЭВМ производит операции запоминания предыдущего значения NK, вычисление разности Nk и Nk-1, суммирование разностей, вычисление корня суммы и дальнейшие вычисления по формуле 3.5.
Результат измерения появляется в виде 12 разрядного двоично-десятичного кода на выводах портов 1 и 2 микро-ЭВМ.
Этот код подается на дешифраторы КР555ИД18 предназначенные для преобразования двоичного кода в код для семисегментных индикаторов АЛС324Б.
Надежность.
Расчет параметров надежности проводится для измерительного блока модуля измерения ОСШ, для которого в данномдипломном проекте разработаны функциональная, принципиальная схемы с перечнем элементов.
Анализ возможных отказов и состояний устройства.
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.
Список литературы.
1. Орнатский“ Автоматические измерения и приборы”.“ Вища школа”1986 г.
2. В.А.Кузнецов, В.А. Долгов, В.М.Коневских и др. ” Измерения в электронике.” Справочник. Энергоатомиздат, 1987 г.
3. Малиновский,Р.М. Демидова - Панферова и др. ”Электри-ческие измерения”Энергоатомиздат, 1985 г.
4. П.Хоровиц, У.Хилл “ Искуство схемотехники” Москва “ Мир”, 1986 г.
5. Б.И.Горошков “ Элементы радиоэлектронных устройств.”Москва, издательство” Радио и связь”.
6. Методические указания по выполнению дипломных проектов и работ . Сост.Циделко В.Д. и др.
7. Методические указания по суммированию погрешностей средств измерения. Сост. Яремчук Н.А.
8. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по курсу ”Информационно - измерительные системы”. Сост. В.А.Тесленко и др.
9. Методические указания к организационно - экономическому разделу дипломных проектов. Сост. Гладушко Л.В.
10. И.В.Новаченко, В.А.Телец ”Интегральные схемы для бытовой радиоаппаратуры”Москва, издательство ”Радио и связь”. 1995 г.
11.Техническая документация на модуль измерения отношения сигнал/шум ИСШ-4.
12. И.В.Варламов, И.Л.Касаткин “Микропроцессоры в бытовой технике.”Москва, издательство ”Радио и связь”. 1989 г.