УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОГНОЗА СОСТОЯНИЯ И ОТБРАКОВКИ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 1994 года по МПК G06F15/20 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано как техническое средство обучения, а также для исследования реальных блоков и элементов радиоаппаратуры по их шумовым характеристикам.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет моделирования режима вариации коэффициента эволюции отказов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1; на фиг. 2 показаны сигналы на выходах блоков устройства; на фиг. 3 демонстрируется моделирование режима вариации коэффициента эволюции отказов элемента РЭА.

Устройство содержит блок 1 вычисления предсказанного значения средней мощности шума, блок 2 вычисления средней мощности на предсказываемый момент времени и блок 3 моделирования низкочастотного шума, включающий генератор 4 шума, группу регуляторов 5 амплитуды импульсов, первый фильтр 6-1 нижних частот, первый 7-1 и второй 7-2 сумматоры, второй фильтр 6-2 нижних частот, генератор 8 импульсов. Выходы регуляторов 5 амплитуды импульсов группы подключены к входам первого сумматора 7-1, выход которого соединен с входом второго фильтра 6-2 нижних частот. Выход последнего подключен к первому входу второго сумматора 7-2, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 6-1 нижних частот. Генератор 4 шума подключен к входу первого фильтра 6-1 нижних частот, выход второго сумматора 7-2 подключен к первому входу блока 2 вычисления средней мощности на предсказываемый момент времени. Устройство содержит также формирователь 9 запускающего импульса, блок 10 линеаризации, генератор 11 пилообразного напряжения, два блока 12-1 и 12-2 деления, два переключателя 13-1 и 13-2, два блока 14-1 и 14-2 вычитания, регулируемый источник 15 напряжения, измеритель 16 среднеквадратичного значения шума, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 17. В блок 3 моделирования низкочастотного шума введена линия 18 задержки. Выход генератора 8 импульсов соединен с входом линии 18 задержки, группы выходов которой подключена к входам регуляторов 5 амплитуды импульсов соответственно.

Последний выход группы линии 18 задержки соединен с входом формирователя 9 запускающего импульса, выход которого подключен к второму входу блока 2 вычисления средней мощности на предсказываемый момент времени. Выход генератора 11 пилообразного напряжения соединен с входом блока 10 линеаризации, выход которого подключен к входу генератора 4 шума блока 3 моделирования низкочастотного шума. Выходы регуляторов 5 амплитуды импульсов группы соединены соответственно с неподвижными контактами первого переключателя 13-1, подвижный контакт которого подключен к входу третьего фильтра 6-3 нижних частот. Выход последнего соединен с входом делимого первого блока 12-1 деления, вход делителя которого подключен к выходу измерителя 16 среднеквадратичного значения шума, вход которого соединен с выходом первого фильтра 6-1 нижних частот. Выход первого блока 12-1 деления является первым выходом устройства. Выход второго фильтра 6-2 нижних частот соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя 13-2, второй неподвижный контакт которого подключен к выходу второго сумматора 7-2. Подвижный контакт второго переключателя 13-2 соединен с входом блока 1 вычисления предсказанного значения средней мощности шума, выход которого через ЦАП 17 подключен к входу вычитаемого первого блока 14-1 вычитания. Выход блока 14-1 соединен с входом делимого второго блока 12-2 деления, выход которого является вторым выходом устройства. Выход регулируемого источника 15 напряжения соединен с входом уменьшаемого первого 14-1 и второго 14-2 блоков вычитания. Вход вычитаемого второго блока 14-2 вычитания подключен к выходу блока 2 вычисления средней мощности шума на предсказываемый момент времени. Выход второго блока 14-2 вычитания соединен с входом делителя второго блока 12-2 деления. Вход регулирования регулируемого источника 15 напряжения является управляющим входом устройства, входы регулирования регуляторов 5 амплитуды импульсов группы являются группой управляющих входов устройства.

Устройство работает следующим образом.

Вначале оператор устанавливает заданный вид зависимости средней мощности шума, представляя ее в виде полинома k-ой степени:
y(t) = β_o + β₁t + β₂t² + . . . + β_kt^k. (1)
Примем для определенности, что k = 2. Тогда зависимость (1) дается выражением
y(t) = β_o+ β₁t + β₂t², (2) где β_o, β₁, β₂ - параметры, значения которых задаются или рассчитываются оператором по заданному значению у(0) и значениям координат экстремума t_o, y(t_o).

Оператор, подключая осциллограф к выходу первого сумматора 7-1, с помощью регуляторов 5-1, . . . , 5-Р устанавливает заpанее рассчитанные значения по формуле (2) амплитуды импульсов на их выходах. Эти импульсы, суммируясь в первом сумматоре 7-1, образуют ступенчатый сигнал, показанный на фиг. 2а. Этот сигнал после прохождения фильтра 6-2 нижних частот сглаживается и приобретает вид, показанный на фиг. 2б. Его значения на интервале от 0 до t_m описываются выражением (2).

Сигнал с выхода второго фильтра 6-2 нижних частот поступает на первый неподвижный контакт второго переключателя 13-2 и одновременно на первый вход второго сумматора 7-2. На второй вход сумматора 7-2 поступает низкочастотный шум с выхода первого фильтра 6-1 нижних частот, который обладает заданной амплитудно-частотной характеристикой и полосой пропускания. В результате на выходе второго сумматора 7-2 образуется модель низкочастотного шума с заданным изменением средней мощности, как это показано на фиг. 2 в, где пунктиром показано изменение средней мощности шума. Шумы подобного типа характерны для собственных низкочастотных шумов элементов РЭА.

Собственные низкочастотные шумы элементов РЭА представляют наибольший интерес с точки зрения прогнозирования качества РЭА, так как причиной возникновения низкочастотного шума являются различного рода явления и дефекты как на поверхности, так и в объеме материалов элементов. К ним относятся флуктуации поверхностных и объемных зарядов, изменения скоростей рекомбинации носителей, утечки тока, локальные перенапряженности и перестройка отдельных участков структуры материалов элементов при протекании тока через структурные неоднородности, дислокации и микротрещины. Поэтому низкочастотный шум с заданным изменением средней мощности является основой для создания интегрального метода неразрушающего испытания РЭА и ее элементов, в котором характеристики низкочастотного шума служат прогнозируемыми параметрами состояния и надежности РЭА. В качестве прогнозируемого параметра низкочастотного шума в устройстве моделируется средняя мощность шума в заданной полосе частот.

Шумовой сигнал на вход фильтра 6-1 нижних частот поступает с выхода генератора 4 шума. Эффективное значение шума на выходе генератора шума задается в каждый момент времени выходным сигналом блока 10 линеаризации, на вход которого поступает пилообразное напряжение с выхода генератора 11 пилообразного напряжения. Причем период колебаний генератора 11 на несколько порядков превышает период колебаний генератора 8 импульсов. Выполнение последнего условия позволяет считать практически неизменным эффективное напряжение шума на интервале изменения средней мощности шума, описываемое выражением (2). В то же время выполнение данного условия позволяет наблюдать изменение отношения детерминированной составляющей амплитуды средней мощности шума к среднеквадратичному значению шума от периода к периоду генератора 8 импульсов.

Рассмотрим как производится оценка отношения детерминированной составляющей амплитуды средней мощности шума в заданный момент времени к среднеквадратичному значению шума.

Оператор выбирает детерминированную составляющую амплитуды средней мощности шума в заданный момент времени t_j, устанавливая подвижный контакт первого переключателя 13-1 в j-е положение, где j = 1,2, . . . , P. Импульсы с выхода соответствующего регулятора 5-j амплитуды поступают через переключатель 13-1 на вход третьего фильтра 6-3 нижних частот. На выходе фильтра 6-3 получают напряжение, пропорциональное амплитуде импульса на выходе соответствующего регулятора амплитуды, которое поступает на вход делимого первого блока 12-1 деления. На вход делителя блока 12-1 деления поступает эффективное напряжение шума с выхода измерителя 16 среднеквадратичного значения шума, измеряющего выходное напряжение первого фильтра 6-1 нижних частот. Таким образом, на выходе блока 12-1 деления получают отношение детерминированной составляющей амплитуды средней мощности шума в заданный момент времени к среднеквадратичному значению шума.

Смоделированная реализация низкочастотного шума с изменяемой средней мощностью с выхода второго сумматора 7-2 поступает на первый вход блока 2 вычисления средней мощности на предсказываемый момент времени в каждом такте работы генератора 8 импульсов. На фиг. 2в показана одна из подобных реализаций и соответствующие отсчеты средней мощности , , . . . , , . . . в моменты времени t₁, t₂, . . . , t_j, . . . .

В блоке 2 вычисления средней мощности на предсказываемый момент времени производится оценка средней мощности шума на заданный момент времени t_n для заданного числа отсчетов m.

Приведем расчетные формулы для коэффициентов параболы (2) при числе отсчетов m = 4
= (+++) ;
= - (-)- (-)+ (-)+ (-); (3)
= - (-)- (-)+ (-), где Δt - интервал времени между соседними отсчетами.

Вычисленные значения коэффициентов , , используются в блоке 2 для вычисления средней мощности на предсказываемый момент времени t_n по формуле
y(t)= +tt2n

С целью синхронизации работы генератора пилообразного напряжения блока 2 с генератором 8 импульсов введена связь с последнего отвода линии 18 задержки через формирователь 9 на второй вход блока 2 вычисления средней мощности на предсказываемый момент времени.

На объединенные вычитающие входы блоков 14-1 и 14-2 вычитания поступает напряжение заданного порога U_пор с выхода источника 15 регулируемого напряжения. Установка порога U_пор производится оператором в источнике 15.

Рассмотрим случай, когда второй переключатель 13-2 находится в первом положении. Тогда выход фильтра 6-2 нижних частот соединен с входом встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) блока 1 вычисления предсказанного значения средней мощности шума. В качестве блока 1 используется программируемый микровычислитель, управляемый оператором.

В блоке 1 по формулам (3) производится расчет коэффициентов , , при том же числе отсчетов значений средней мощности m = 4. При этом значения средней мощности не искажены действием низкочастотного шума, поскольку, как уже отмечалось, переключатель 13-2 подсоединяет к входу блока 1 выход фильтра 6-2.

Вычислив коэффициенты , , и зафиксировав их в памяти блока 1, оператор рассчитывает предсказанное значение средней мощности по формуле (4). Полученное значение y₁(t_n) фиксируется в регистре памяти блока 1, поступая далее на ЦАП 17. Аналоговый сигнал на выходе ЦАП 17, отображающий расчетное значение средней мощности шума на предсказываемый момент времени, поступает на вычитаемый вход первого блока 14-1 вычитания.

Таким образом, на выходе второго блока 12-2 деления, который является вторым выходом устройства, получают напряжение, отображающее в заданном масштабе величину
K(σ)= , (5) где y₁(t_n) - расчетное значение средней мощности шума на выходе ЦАП 17;
(t_n) - оценка средней мощности шума на предсказываемый момент времени на выходе блока 2.

Из анализа выражения (5) следует, что при заданной установке сигнала на выходе фильтра 6-2 нижних частот и заданном пороге U_пор в блоке 15, числитель y₁(t_n)-U_пор является постоянной величиной, а знаменатель (t_n)-U_пор - случайной величиной, поскольку оценка (t_n) зависит от величины среднеквадратичного значения шума σ на выходе фильтра 6-1.

В свою очередь напряжение среднеквадратичного значения шума на выходе фильтра 6-1 нижних частот задается в каждый момент времени выходным сигналом блока 10 линеаризации, который управляет выходным напряжением генератора 4 шума. Моделирование низкочастотного шума, изменяющегося по отношению к детерминированной составляющей средней мощности шума на выходе первого блока 12-1 деления, позволяет прогнозировать качество элементов РЭА из-за различного рода явлений и дефектов как на поверхности, так и в объеме материалов элементов. В этом случае вариации коэффициента К(σ ) или его область значений может перемещаться из прогнозируемых положительных значений безотказной работы в прогнозируемые значения отказа элементов (отрицательные значения).

Указанные вариации коэффициента эволюции отказов РЭА могут быть смоделированы и продемонстрированы на двумерной плоскости, по оси абсцисс которой откладываются значения напряжения на первом выходе устройства, т. е. отношения детерминированной составляющей средней мощности шума к среднеквадратичному значению шума на выходе первого блока 12-1 деления, а по оси ординат откладываются соответствующие им значения коэффициента К(σ ).

На фиг. 3 показано моделирование режима вариации коэффициента эволюции отказов РЭА при подаче на вход Х осциллографа с памятью напряжения с выхода блока 12-1, а на вход Y напряжения с выхода блока 12-2 деления. Показано смещение области вариации К( σ) в зависимости от эффективного значения моделируемого низкочастотного шума, отнесенного к детерминированной составляющей амплитуды средней мощности шума.

Положительным эффектом данного устройства является демонстрация в автоматизированном режиме прогноза областей безотказной работы элемента РЭА (на фиг. 3 им соответствуют области А и Б) и областей возможных отказов элементов там, где вариации коэффициента захватывают отрицательные значения.

Отметим, что во втором положении второго переключателя 13-2 выход сумматора 7-2 подключается к входу встроенного АЦП блока 1 вычисления предсказанного значения средней мощности шума. В этом случае оценка предсказанного значения средней мощности на выходе блока 1 также будет случайной величиной, зависящей от величины σ. Соответственно, на выходе блока 12-2 деления наблюдаются вариации коэффициента К( σ) двух случайных оценок. (56) Быков М. Ф. и др. Диагностика, прогнозирование, неразрушающий контроль и управление качеством ЭА. Л. : СЗПИ, 1985, с. 64-70.

Применение микропроцессоpов и микроЭВМ в конструкциях и технологии производства РЭА. Методические указания к выполнению лабораторных работ. Л. : СЗПИ, 1988, с. 43-51, рис. 8.

Устройство относится к вычислительной техники и может быть использовано как техническое средство обучения, а также для исследования реальных блоков и элементов радиоаппаратуры по их шумовым характеристикам. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет моделирования режима вариации коэффициента эволюции отказов радиоэлектронной аппаратуры. Устройство содержит блок 1 вычисления предсказанного значения средней мощности шума, блок 2 вычисления средней мощности на предсказываемый момент времени и блок 3 моделирования низкочастотного шума, включающий генератор 4 шума, группу регуляторов 5 амплитуды импульсов, первый, второй и третий фильтры 6 нижних частот, первый и второй сумматоры 7, генератор 8 импульсов, формирователь 9 запускающего импульса, блок 10 линеаризации, генератор 11 пилообразного напряжения, два блока 12 деления, два переключателя 13, два блока 14 вычитания, регулируемый источник 15 напряжения, измеритель 16 среднеквадратичного значения шума, цифроаналоговый преобразователь 17. В блок 3 моделирования низкочастотного шума включена также линия 18 задержки. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОГНОЗА СОСТОЯНИЯ И ОТБРАКОВКИ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ , содеpжащее блок вычисления пpедсказанного значения сpедней мощности шума, блок вычисления сpедней мощности на пpедсказываемый момент вpемени и блок моделиpования низкочастотного шума, включающий генеpатоp шума, гpуппу pегулятоpов амплитуды импульсов, пеpвый фильтp нижних частот, пеpвый и втоpой сумматоpы, втоpой фильтp нижних частот, генеpатоp импульсов, пpичем в блоке моделиpования низкочастотного шума выходы pегулятоpов амплитуды импульсов гpуппы подключены к входам пеpвого сумматоpа, выход котоpого соединен с входом втоpого фильтpа нижних частот, выход котоpого подключен к пеpвому входу втоpого сумматоpа, втоpой вход котоpого соединен с выходом пеpвого фильтpа нижних частот, выход генеpатоpа шума подключен к входу пеpвого фильтpа нижних частот, выход втоpого сумматоpа подключен к пеpвому входу блока вычисления сpедней мощности на пpедсказываемый момент вpемени, отличающееся тем, что, с целью pасшиpения функциональных возможностей за счет моделиpования pежима ваpиации коэффициента эволюции отказов pадиоэлектpонной аппаpатуpы, оно содеpжит тpетий фильтp нижних частот, фоpмиpователь запускающего импульса, блок линеаpизации, генеpатоp пилообpазного напpяжения, два блока деления, два пеpеключателя, два блока вычитания, pегулиpуемый источник напpяжения, измеpитель сpеднеквадpатичного значения шума, цифpоаналоговый пpеобpазователь, в блок моделиpования низкочастотного шума введена линия задеpжки, пpичем в блоке моделиpования низкочастотного шума выход генеpатоpа импульсов соединен с входом линии задеpжки, гpуппа выходов котоpой подключена к входам pегулятоpов амплитуды импульсов гpуппы соответственно, последний выход гpуппы линии задеpжки соединен с входом фоpмиpователя запускающего импульса, выход котоpого подключен к втоpому входу блока вычисления сpедней мощности на пpедсказываемый момент вpемени, выход генеpатоpа пилообpазного напpяжения соединен с входом блока линеаpизации, выход котоpого подключен к входу генеpатоpа шума блока моделиpования низкочастотного шума, выходы pегулятоpов амплитуды импульсов гpуппы соединены соответственно с неподвижными контактами пеpвого пеpеключателя, подвижный контакт котоpого подключен к входу тpетьего фильтpа нижних частот, выход котоpого соединен с входом делимого пеpвого блока деления, вход делителя котоpого подключен к выходу измеpителя сpеднеквадpатичного значения шума, вход котоpого соединен с выходом пеpвого фильтpа нижних частот, выход пеpвого блока деления является пеpвым выходом устpойства, выход втоpого фильтpа нижних частот соединен с пеpвым неподвижным контактом втоpого пеpеключателя, втоpой неподвижный контакт котоpого подключен к выходу втоpого сумматоpа, подвижный контакт втоpого пеpеключателя соединен с входом блока вычисления пpедсказанного значения сpедней мощности шума, выход котоpого чеpез цифpоаналоговый пpеобpазователь подключен к входу вычитаемого пеpвого блока вычитания, выход котоpого соединен с входом делимого втоpого блока деления, выход котоpого является втоpым выходом устpойства, выход pегулиpуемого источника напpяжения соединен с входом уменьшаемого пеpвого и втоpого блоков вычитания, вход вычитаемого втоpого блока вычитания подключен к выходу блока вычисления сpедней мощности шума на пpедсказываемый момент вpемени, выход втоpого блока вычитания соединен с входом делителя втоpого блока деления, вход pегулиpования pегулиpуемого источника напpяжения является упpавляющим входом устpойства, входы pегулиpования pегулятоpов амплитуды импульсов гpуппы являются гpуппой упpавляющих входов устpойства.