А
Б В
Г Д
Е Ж
З И
К Л
М Н
О П
Р С
Т У
Ф Х
Ц Ч
Ш Э
Ю Я
Реферат: Измеритель отношения сигнал/шум ТВ канала
Измеритель отношения сигнал/шум ТВ канала
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/шум ИСШ-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 отношения сигнал/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/шум выражают в децибелах в соответствии с выражением (3.1):
=(дБ) (3.1)
где Uc -размах видеосигнала
Uэ.ш. -эффективная величина шума.
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 величин и таким 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 :
= (3.2)
где Во -константа.
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):
Uэш=
(3.3)
где Uk - амплитуда k выборки
k = 1...n , а n - число выборок мгновенных некоррелированных значений за цикл измерения.
При использовании алгоритма (3.3) нет необходимости производить как промежуточную операцию определение среднего значения или центрирование шума.
Алгоритм измерения ОСШ (3.2) принимает с учетом алгоритма (3.3) вид :
=
(3.4)
где R=2В - константа.
Затем полученные результаты преобразуется в цифровой код и алгоритм (3.4) принимает вид:
=,
(3.5)
где F=-константа, К - коэффициент преобразования аналог-код.
Таким образом данный алгоритм вычисления отношения сигнал/шум является простым, эффективным, и удобным в реализации аппаратными средствами. Так как целью разработки является модернизация модуля измерения ОСШ - ИСШ - 4 реализующего данный метод, то в основу разработки ложится именно этот метод.
4. Обзор и анализ аналогичных устройств.
Разрабатываемое СИ является прибором с узкой специализацией, предназначенное, в основном , только для работы в аппаратных телевизионных центров. Поэтому дополнение его функций как измерителя отношения сигнал/шум какими-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, что продукция 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 измерителя ИСШ-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” поступает на 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 между уровнями 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 Uк пропорционален мгновенной величине шума в момент выборки
UkUш.р-р
где k=1....n, n - число выборок мгновенных значений некоррелированных значений за цикл измерения.
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 напряжение Uk и формируется 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.
(4.1)
где к=1....n.
Широтно-модулированные импульсы поступают на преобразователь длительность-код 12, на выходе которого формируется число-импульсный код шума, представляющий со-
бой пачки (рис.4.4г), число импульсов в которых Nk пропорционально величинам, т.е.
с учетом (4.1)
где К - коэффициент преобразования аналог-код.
После преобразования аналог-код алгоритм (3.4) принимает вид :
где
На выходе вычитателя 13 формируется число-импульсный код разности двух соседних кодов шума (рис.4.4д), т.е. пачки, число импульсов в которых Nk определяется в соответствии с выражением (4.2) :
(4.2)
где к=1....n.
Квадратор 14 производит возведение в квадрат число-импульсных кодов разностей, поступающих на его вход с выхода вычитателя 13. На входе квадратора 14 формируются пачки (рис.4.4е), число импульсов в которых Nk определяется в соответствии с выражением (4.3):
(4.3)
где к=1....n.
С выхода квадратора число-импульсный код подается на вход буферного счетчика 17 блока дешифраторов. Счетчик 17 выполняет две операции: суммирование за цикл измерения (накопление) кода квадратов разностей N и деление накопленного числа импульсов на n, т.е. на выходе счетчика образуются импульсы, число которых за весь цикл измерения N определяется в соответствии с выражением
.
Логарифмирование числа N в соответствии с алгоритмом производится блоком дешифраторов, а затем дешифрированный код выводится на индикатор. Не пригодность прибора ИСШ-4 заключается в его недостаточной точности, неэкономичности и сложности схемотехники, что затрудняет техническое обслуживание и ремонт.
5. Обоснование выбора структурной схемы модуля измерения ОСШ.
Так как метод измерения в разрабатываемом приборе будет такой же как в приборе ИСШ-4, то принципиально схема не изменяется. Структурная схема модуля измерения ОСШ изображена на рисунке 5.1.
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 нормировку в 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.
Упрощенная структурная схема модуля измерения ОСШ для предварительного анализа погрешностей имеет вид:
где,
1 -
входной усилитель
2 -
коммутатор 1
3 -
УЛСК
4 -
коммутатор 2
5 -
АЦП
6 -
цифровой блок и блок индикации
аддитивные приведенные погрешности i - го блока.
Структурная схема является разомкнутой.
Уравнение преобразования для приведенной выше схемы имеет вид:
где К1 - К6 коэффициенты преобразования соответствующих блоков.
Таким образом суммарная мультипликативная погрешность прибора равна:
где коэффициенты влияния соответствующего блока на погрешность в целом.
Определим коэффициенты влияния первого блока на мультипликативную погрешность
Аналогично .
Для мультипликативных погрешностей
Суммарная систематическая погрешность
Суммарная случайная погрешность (предварительно предположив нормальный закон распределения погрешностей блоков):
, где
- среднеквадратическое отклонение случайной состав-ляющей мультипликативной погрешности i - блока.
- коэффициент, учитывающий вид закона распределения и доверительную вероятность (Р=0,997; k=3).
По требованию ТЗ предел относительной допускаемой основной погрешности
%
где,
- нормирующее значение ОСШ
- результат измерения ОСШ.
Общая допустимая мультипликативная погрешность
Распределим мультипликативную составляющую погрешности таким образом:
Тогда мультипликативная составляющая систематической погрешности между блоками схемы распределена следующим образом:
Для аддитивной погрешности: (Uвх=0)
где - аддитивная погрешность, действующая на вход i - го блока.
Приведенная ко входу устройства аддитивная погрешность:
Относительная приведенная ко входу аддитивная погрешность:
Номинальные коэффициенты предачи блоков 2,4,5,6 равны 1.
Тогда уравнение для аддитивной погрешности упрощается:
Основное влияние на общую аддитивную погрешность вносят так как в первом блоке происходит умножение на К1. Следовательно, основное внимание необходимо уделить уменьшению этой погрешности.
При номинальном значении Uвх (т.е. при К3=1 )
где аддитивная погрешность i - го блока.
Случайную составляющюю аддитивной погрешности, предположив ее нормальный закон распределения можно найти как:
.
Суммарная относительная аддитивная погрешность по ТЗ не должна превышать 1%.
Распределим эту погрешность следующим образом:
(определяется шумами и квантования)
(определяется напряжением смещения операцион-ных усилителей и т.п.).
Оцениваю вносимую индикатором результата измерения. По требованиям ТЗ индикатор должен быть трехразрядным и цена разряда равняется 0,1 dB. Следовательно индикатор будет вно-сить погрешность квантования индикации результата измерения равную 0,25%.
На основании предположений о законе распределения погрешности оцениваю необходимую разрядность АЦП
Деление на 1,5 необходимо для того, чтобы остался запас по погрешности для остальных блоков и других составляющих.
Разрядность АЦП равна
Итак, необходимая разрядность АЦП - 10 разрядов.
На остальные случайные составляющие аддитивной погрешности приходиться
То есть необходимо, чтобы выполнялось условие
Оценим допустимый уровень паразитных шумов (максимальное значение)на входе коммутаторов:
при Uвх ном =12В
.
Исходя из этих данных, можно выбрать элементарную базу (коммутаторы и операционные усилители).
Для систематической составляющей аддитивной погрешности:
Так как первый блок работает с малым входным сигналом, то
Оценим требования к напряжению смещения нуля опера-ционных усилителей (при Uвх ном =12 В)
во всем температурном диапазоне.
Аналогично определяется максимально допустимое остаточное напряжение на электронных ключах коммутатора:
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 выделения синхросигналов и на устройство линейного сравнения и компенсации (УДСК). Блок УЛСК состоит из 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 на один 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 строке блока 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 напряжение Uару возрастает, 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.
Исходя из формулы (8.1)
при Uару=0
R5=R6=R7=R8=15Ком.
Далее необходимо расчитать источник опорного напряжения на DA4. Величину выходного напряжения задают резисторы R9,R10,R11. Номинал резисторов находится по формуле
В схеме применен стабилитрон КС147А,
Величина этого резистора подбирается при настройке, поэтому в схему устанавливается подстроечный резистор.
Сигнал после дифференциального усилителя попадает на вход компаратора напряжения, где сравнивается с Во . Результат сравнения на выходе появляется в виде:
если
,
если
если
.
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.
Рисунок 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:
R1=R3=7,5Ком
R2=R4=3Ком.
Схема включения АЦП является типовой и расчета не требует за исключением расчета источника опорного напряжения собранного аналогично источнику Во.
Величину выходного напряжения задают резисторы R46,R47,R48. Номинал резисторов находится по формуле
В схеме применен стабистор КС113А,
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 8.4.
где,
ГТЧ
генератор тактовой частоты
АЛУ
арифметико-логическое устройство
УВВ
устройство ввода-вывода
ПЗУ
постоянное запоминающее устройство
ОЗУ
оперативное запоминающее устройство.
Десятиразрядный код от АЦП постурает на входные регистры которые помимо функции хранения кода между выборками выполняют функцию мультиплексирования сигнала из 10 в 8.
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 перепрограмируемое ПЗУ. 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:
;
где К - коэффициент усиления на частотах измерения
- коэффициент передачи обратной связи.
Коэффициент усиления ОУ КР140УД1101 на рабочей частоте равен 50000.
Погрешность по характеру мультипликативная, систематическая.
9.1.2. Погрешность от напряжения смещения ОУ.
Погрешность определяется по формуле:
.
Для КР140УД1101 3мВ. Тогда:
Дополнительная температурная погрешность от дрейфа напряжения смещения ОУ равна:
где - температурный дрейф КР140УД1101 - 50 мкВ/оС;
= 5o
где - минимальная, максимальная и нормальная рабочая температура окружающей среды соответственно.
9.4.Расчет погрешностей коммутатора.
9.4.1. Расчет погрешности от сопротивления открытого ключа.
Т.к. выходное сопротивление источника сигнала мало по сравнению с сопротивлением закрытого ключа Rз, то можно записать для коэффициента передачи коммутатора:
В идеальном случае Rо = 0; R3 равно бесконечности и К=1. Тогда погрешность :
Для микросхемы К547КП1А Rо20 Мом.
Погрешность мультипликативная систематическая.
9.2.2.Расчет погрешности от закрытого ключа.
Коэффициент передачи равен:
В идеальном случае R3 равно бесконечности и К=0. Тогда
Погрешность мультипликативная систематическая.
9.2.3.Погрешность от остаточного напряжения на ключах коммутатора.
UостТогда погрешность:
Эта погрешность носит характер аддитивной случайной.
9.3. Погрешности дифференциального усилителя.
9.3.1. Погрешность от разброса параметров резисторов обратной связи.
Эту погрешность можно оценить, предположив нормальный закон распределения по формуле:
где погрешность i-го резистора.
При
Погрешность мультипликативная систематическая.
9.3.2.Погрешность от конечного петлевого усиления.
Погрешность от конечного петлевого усиления определяется по формуле:
где К - коэффициент усиления ОУ на рабочей частоте.
=1
Погрешность мультипликативная систематическая.
9.3.3.Погрешность от напряжения смещения ОУ.
Эта погрешность по характеру аддитивная, систематическая.
Для КР140УД1101 3мВ. Тогда:
Дополнительная температурная погрешность от дрейфа напряжения смещения ОУ равна:
где - температурный дрейф КР140УД1101 - 50 мкВ/оС;
= 5o
где - минимальная, максимальная и нормальная рабочая температура окружающей среды соответственно.
9.4.Погрешность устройства сравнения.
Вносимая устройством сравнения погрешность является аддитивной систематической и возникает она из-за напряжения смещения нуля микросхемы КФ1053СА1.
Uсм
9.5.Погрешность устройства выборки и хранения.
Эквивалентная схема устройства выборки и хранения (УВХ) представлена на рисунке 9.1.
На схеме приняты следующие обозначения
К
- ключ
Схр
- емкость хранящего конденсатора
R
- эквивалентное сопротивление зарядной цепи
Rвх
- эквивалентное сопротивление нагрузки цепи
ОУ
- операционный усилитель.
9.4.1.Погрешность из-за недозаряда конденсатора .
Заряд емкости происходит по закону:
где tинт - время интегрирования;
t=R*Схр.
Емкость заряжается по этому закону до тех пор, пока выходное напряжение не станет равным входному, но с противоположным знаком. Это задано резисторами обратной связи, не показанными на эквивалентной схеме.
Погрешность из-за недозаряда конденсатора обусловлена конечным временем выборки tинт.
По характеру погрешность мультипликативная случайная.
9.4.2. Погрешность из-за разряда конденсатора.
Погрешность возникает из-за конечного времени обработки сигнала. Ключ разомкнут и Схр разряжается на эквивалентное сопротивление Rэкв:
Rэкв=
где Rsw -сопротивление закрытого ключа (порядка 50 Мом).
Rвх -входное сопротивление ОУ (для КР140УД22 Rвх>30Мом)
Rэкв=
Разряд Схр определяется формулой
где tр - постоянная времени разрядной цепи
Погрешность от разряда Схр за время tхр равна:
Погрешность мультипликативная систематическая.
Аналогичным методом расчитывается погрешность собственно самого УВХ с той лишь разностью, что время хранения составляет 40сек, сопротивление ключевого транзистора выше и нет другого пути разряда .
9.5.Погрешности АЦП.
9.5.1.Погрешность от дискретности преобразования.
Погрешность определяется как:
погрешность по характеру аддитивная, случайная (равномерный закон распределения).
9.5.2.Погрешность от нелинейности АЦП.
Определяется по справочной литературе { }. Не превы-шает 0,012%. По характеру мультипликативная, систематическая.
9.5.3.Погрешность источника опорного напряжения АЦП.
Погрешность определяется отклонением Uст от номиналь-ного зачения и температурной нестабильностью стабилитрона.
Разброс Uст может достигать 5%, но эта погрешность корректируется калибровкой.
Дополнительная температурная погрешность равна:
где TKU - температурный коэффициент стабистора (для стабистора КС113А TKU= 5*10-4%)
=5оС
где - минимальная, максимальная и нормальная рабочая температура окружающей среды соответственно.
Погрешность аддитивная, систематическая.
9.6.Суммирование погрешностей.
9.6.1.Суммирование мультипликативных погрешностей.
Для удобства суммирования сведем все мультипликативные погрешности в таблицу.
Наименование.
Значение,%
Примечание
Погр.от конечного усиления входного усилителя
0,031
сист.
Погр.от сопротивления открытого ключа.
0,005
сист.
Погр.от сопротивления закрытого ключа.
0,005
сист
Погр.от погрешности резисторов обратной связи
0,2
случ
Погр.от конечного петлевого усиления ОУ
0,002
сист
Погр от недозаряда конденсатора ГЛИН.
0,024
сист
Погр от разряда конденсатора ГЛИН.
0,064
сист
Погр от разряда конденсатора УВХ.
0,1
сист
Погр от нелинейности АЦП
0,012
сист
Погр от нестабильности ИОН
0,01
случ
Для суммирования случайных составляющих мульти-пликативной погрешности определим их СКО с учетом закона распределения (предполагается нормальный закон распределения):
Значение суммарного значения СКО мультипликативной погрешности определяется по формуле:
Систематическая составляющая мультипликативной погрешности определяется как алгебраическая сумма всех систематических погрешностей. Погрешности ввиду их несущественности, не учитываются.
Оценку верхней границы суммарной мультипликативной погрешности дадим по формуле:
9.6.1.Суммирование аддитивных погрешностей.
Для удобства суммирования сведем все аддитивные погреш-ности в таблицу.
Наименование
Значение,%
Примечание
1
Погр от напряжения смещения входного усилителя.
0,42
сист
2
Погр от температурного дрейфа напряжения смещения
0,036
сист
3
Погр от остаточного напряжения на ключах
0,001
случ.
4
Погр от напряжения смещения дифф. усилителей
0,05
сист
5
Погр от температурного дрейфа напряжения смещения дифф. усилителей.
0,002
сист
6
Погррешность устройства сравнения
0,05
сист
7
Погр от дискретизации АЦП
0,05
сист
8
Погрешность ИОН.
0,025
случ.
9
Погрешность дискретизации резуль-тата измерения индикатором.
0,25
случ.
Систематическая суммарная погрешность равна:
Таким образом погрешность не превышает заданную в ТЗ.
10.Метрологическое обеспечение.
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 шума является 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 импульсов Г5-26 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. Определение разброса результатов ряда измерений (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, по формуле :
= max - min ,
где max ; min - соответственно наибольший и наименьший из полученных результатов.
|
