Способ определения параметров избыточного шума Советский патент 1989 года по МПК G01R29/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров избыточного шума изделий -электронной техники и микроэлектроники при контроле их качества и прогнозирования отказов.

Цель изобретения - повышение быстродействия за счет исключения дополнительных операций измерения спектральной плотности мощности избыточного шума в низкочастотной части диапазона измерений, а также повышение информативности измерений за счет определения частотного индекса избыточного шума.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит исследуемый прибор 1, выход которого через усилитель 2 соединен со всеми N+1 входами фильтрующих элементов блока 3 фильтров, N+1 выходов которого соединены с N+1 входами коммутатора 4, выход которого соединен с входом квадратичного детектора 5, выход которого соединен с первым входом перестраиваемого интегратора 6, а выход перестраиваемого интегратора 6 соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого посредством шины данных соединен с первыми входами дешифратора 8. Блок 9 постоянной памяти, блок 10 оперативной памяти, дешифратор 11 состояний процессора, центральный процессор 12идешиф ратор 13 внешних устройств образуют микропроцессорный блок 14, который через шину данных соединен : блоком 15 клавиатуры, индикатором 16, аналого-цифровым преобразователем 7 и дешифратором 8, выход которого шиной данных соединен с N+1 входами коммутатора 4 и вторым входом перестраиваемого интегратора 6,

Сущность способа состоит в том, что измеряют мощности избыточного шума на частотах f0, f4, f, являющихся членами последовательности вида 1

f -1- f

Ln Kn ,

(1)

- показатель последовательности

(); - показатель степени членов

ряда (п 0,1,2,...i.,.Ы); 50 - верхняя граничная частота спектра избыточного шума, соответственно в полосах

О

Uf0 Af Af, Af, ;

4fu АЈг,(2)

Л - коэффициент пропорциональности (А 1).

Определяют значение частотного инекса JJ1 по формуле

ро 1„ Р

In

f-1

&fa

- In

Af«

Inf. - In Ј„

(3)

где Р

о

o

P - мощности избыточного

шума, измеренные соответственно в полосах

5 bfi

f - центральные частоты полос из ряда (1) при п, соответственно равном О и 2.

Определяют величину коэффициента пропорциональности закона изменения спектральной плотности мощности шума по формуле

В

bf

Л

О }

(4)

где у - частотный индекс, вычисленный по формуле (3), вычисляют значение спектральной плотности мощности шума на частоте f по формуле

1 ВЫ1(

В

ТГ

где В - коэффициент пропорциональности закона изменения спектральной плотности мощности шума, вычисленный по формуле (4).

Сравнивают вычисленное значение спектральной плотности на частоте со значением;измеренным в полосе Af,,

Если

0

5

(бын

J. Р Af,

(5)

измеряют мощность избыточного шума на центральной частоте fj (при ) с полосой &Ј3 ,

определяют значение частотного индекса V по формуле

(6)

In

У -г

In

с (

In f

i-г

где P. ,P - мощности избыточного шума, измеренные соответственно в полосах Л Г;.г, A f; с центральными частотами f ;.г , f; (при п з-2,1; ). Определяют значение коэффициента

пропорциональности закона изменения

спектральной плотности мощности шума

по формуле

В;.4

р;-2 f f;Af;-5

1--2

(7)

где Р- - мощность шума, измеренная на чатоте Г , -2 с полосой

( i 3); IVj частотный индекс, вычисленный по формуле (6). Определяют значение спектральной плотности мощности шума на частоте f , по формуле (при 1 3)

1-1 6ЫЧ

(8)

где В

1-2

- коэффициент пропорционалности закона изменения спектральной плотности мощности шума вычисленный по формуле (7); У -Ј - частотный индекс, вычисленный по формуле (6), Сравнивают вычисленное значение спектральной плотности на частоте

се uf ;н,

со значением, измеренным в поло- 25

если

- выч

Pj-l

uf;

то проводят операции измерения мощности шума в полосе частот Ы-, ч с центральной частотой f(и , определяют значение частотного индекса и коэффициента пропорциональности закона, вычисляют значение спектральной плотности на частоте fj по формулам (6)- (8) до тех пор, пока

p;-i

-1 быч

uf;.,

тогда определяют спектральную плот- ность мощности шума на любой частоте в интервале .частот 0 - по формуле (8) .

Устройство для реализации предла- гаемого способа работает следующим образом.

В исходном состоянии по сигналу с дешифратора 8 коммутатор 4 подключает фильтрующий элемент ф0 блока 3 фильтров к входу квадратичного детектора 5, а постоянная интегрирования перестраиваемого интегратора б соответствует полосе пропускания фильтрующего элемента Ф0 для обеспечения требуемой точности шумового отсчета.

Шумовой сигнал, поступающий с исследуемого прибора 1, усиливается тсилителсп J., фильтруется фильтрую

5

щим элементом, хгр :i i ернзуем v центральной частотой fc и полосой ДГР.

Путем квадрирования квадратичным детектором 5 и интегрирования перестраиваемым интегратором 6 с постоянной времени Тд опреаеляется сценка мощности Шумового сигнала, прошедшего через фильтрующий элемент Ф0 . Оценка мощности шумового сигнала преобразуется блоком в цифровой сигнал и вводится центральным процессором 12 в блок 10.

Время оценки шумового сигнала определяется выражением

С° 2 Јf oi

0

5

о

5

0

где с/0 - время оценки шумового сигнала для достижения определенной точности oi ; od - требуемая точность шумового

отсчета;

Af0 - эффективная полоса фильтрующего элемента 0 . В результате работы подпрограммы коммутации фильтров и перестройки постоянной интегрирования через дешифратор 8 из микропроцессорного блока 14 на коммутатор 4 и на перестраиваемый интегратор 6 поступает сигнал для подключения фильтрующего элемента Ф, блока 3 фильтров и выбора постоянной интегрирования для обеспечения такой же точности шумового отсчета c«L , как и в первом цикле измерений. Фильтрующий элемент характеризуется центральной частотой f и полосой Af,. В результате работы подпрограммы ввода и преобразования отсчетов вычисляется второй отсчет спектральной плотности мощности шумового процесса. Время изменения во втором цикле определяется выражением

Ј.

1

2Af,ot

где Af, - эффективная шумовая полоса фильтрующего элемен- таф,.

В результате работы подпрограммы коммутации, ввода и преобразования оценивается мощность шума па частоте f. в полосе uf. Время измерения также определяется шумовой полосой Фильтрующего элемента Ф2.

Затем осуществляется подпрограмма аппроксимации формы кривой спектральной плотности аналичируемого процессп, для чего по значениям спектральной плотности мощности шума S0 и S на частотах fQ, f2 вычисляется значение частотного индекса У и коэффициента пропорциональности В, по которым вычисляется значение спектральной плотности мощности шума S( &fe(l на частоте f,, и сравниваются с оценкой спектральной плотности мощности шума S , полученной во втором цикле измерений. Неравенство этих двух величин означает, что частоты, на которых производились измерения,лежат в области, где избыточный шум не является преобладающим над другими видами шумов и закон изменения спектральной плотности мощности не соответствует

JL

о

виду S

В случае неравенства

S B иS1 производится новый цикл

С,

с полосой

измерения на частоте дЈ, и снова осуществляется подпрограмма аппроксимации. Подпрограммы коммутации, ввода, преобразования и аппроксимации выполняются до тех пор, пока вычисленное значение спектральной плотности мощности шума на частоте Ј не будет равно оценке спектральной плотности мощности шума на этой же частоте. Это означает,что спектральная плотность может быть аппроксимирована выражением вида S В

f

и избыточный шум определяет закон ее изменения. Следовательно, частотный индекс X1 и коэффициент пропорциональности вычислены верно и с их помощью можно определить значение „спектральной плотности мощности на частотах в диапазоне от 0 Гц до f ,j, на которой происходит совпадение измеренной и вычисленной спектральной плотности.

Результаты оценки спектральной плотности исследуемого процесса и значение частотного индекса и коэффициента пропорциональности выводится на индикатор 16 после принятия решения о справедливости используемой аппроксимации. Исходные данные для аппроксимации: полосы фильтрующих элементов, их центральные частоты, значения постоянных интегрирования и частота, на которой необходимо вычислить спектральную плотность шумового процесса, вводятся перед началом работы с блока 15 клавиатуры.

16948

Работа микропроцессорного блока 14 основана на подпрограммах ввода и преобразования входных отсчетов, оценки формы кривой спектральной плотности и ввода-вывода внешних устройств. Для обеспечения ввода-вывода информации к внешним устройствам подводятся сигналы синхронизации, кото, Q рые обеспечивают соответствие между достоверной информацией, находящейся в данный момент на шине данных, и источником или приемником информации. Источник или приемник информации ределяется кодом внешнего устройства, задаваемого программно, а дешифратор 13 внешних устройств обеспечивает преобразование программного кода внешнего устройства в аппаратный.

2Q Рабочие подпрограммы хранятся в блоке 9, а блок 10 необходим для хранения промежуточных результатов.

5

0

5

0

5

Формула изобретения

Способ определения параметров избыточного шума, заключающийся в усилении, фильтрации, детектировании и усреднении шумового сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и информативности измерений, измеряют мощности избыточного шума на трех частотах, вычисляют значение частотного индекса f, коэффициента пропорциональности В и спектральной плотности мощности шума, сравнивают вычисленное значение спектральной плотности мощности шума с ее измеренным значением, повторяя эти операции до тех пор, пока вычисленное значение спектральной плотности мощности шума не будет равно ее измеренному значению, тогда определяют спектральную плотность мощности шума на любой частоте f спектра избыточного шума по формуле

1

0

In

где

If

Рп

ДСп

- In

Рп+2 k f П+2

5

Р Р -

In - IrTf „

мощности избыточного шума, измеренные соответственно

полосах &f

rt

&f

П42

В

Рп Afn

t;

а частоты измерения f выбираются из условия

f - ч К f-1

п 0,1,2...,

где К 1 - показатель последовательности;

694

10

fr - верхняя граничная частота спектра избыточного шума соответственно в полосах ДЈп Afn ;

А 1 - коэффициент пропорциональности .

ИЗОБРЕТЕНИЕ МОЖЕТ БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗБЫТОЧНОГО ШУМА ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ПРИ КОНТРОЛЕ ИХ КАЧЕСТВА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОТКАЗОВ. ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ - ПОВЫШЕНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И ИНФОРМАТИВНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ДОСТИГАЕТСЯ ЗА СЧЕТ ИСКЛЮЧЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ИЗБЫТОЧНОГО ШУМА В НИЗКОЧАСТОТНОЙ ЧАСТИ ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЙ, А ТАКЖЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНОГО ИНДЕКСА. ИЗБЫТОЧНЫЙ ШУМ УСИЛИВАЮТ, ФИЛЬТРУЮТ, ДЕТЕКТИРУЮТ И УСРЕДНЯЮТ, ПРИ ЭТОМ ИЗМЕРЯЮТ МОЩНОСТИ ИЗБЫТОЧНОГО ШУМА НА ТРЕХ ЧАСТОТАХ, ВЫЧИСЛЯЮТ ЗНАЧЕНИЯ ЧАСТОТНОГО ИНДЕКСА *98Г, КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ В И СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ШУМА S, СРАВНИВАЮТ ВЫЧИСЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ШУМА С ЕЕ ИЗМЕРЕННЫМ ЗНАЧЕНИЕМ. ЕСЛИ ОНИ НЕ РАВНЫ, ТО ИЗМЕРЯЮТ МОЩНОСТЬ ШУМА НА НОВЫХ ЧАСТОТАХ, ПОВТОРЯЮТ ВЫЧИСЛЕНИЯ ЧАСТОТНОГО ИНДЕКСА, КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ И СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ШУМА И СРАВНЕНИЯ ВЫЧИСЛЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ШУМА С ЕЕ ИЗМЕРЕННЫМ ЗНАЧЕНИЕМ ДО ТЕХ ПОР, ПОКА ВЫЧИСЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ НЕ БУДЕТ РАВНО ИЗМЕРЕННОМУ ЗНАЧЕНИЮ. ТОГДА ОПРЕДЕЛЯЮТ СПЕКТРАЛЬНУЮ ПЛОТНОСТЬ МОЩНОСТИ ШУМА НА ЛЮБОЙ ЧАСТОТЕ F СПЕКТРА ИЗБЫТОЧНОГО ШУМА ПО ФОРМУЛЕ S=B/F @ , ГДЕ *98Г=LN P_N/ΔF_N - LN P_N+2/ΔF_N+2

B=P_N/ΔF_N F @

P_N, P_N+2 - мощности избыточного шума, измеренные соответственно в полосах ΔF_N, ΔF_N+2, а частоты измерения F_N выбирают из условия F_N=K^-NF_R /п=0,1,2...../, где K*981, а F_R - верхняя граничная частота в полосах ΔF_N=AF_N /A*981/. 1 ил.

пульта индикатор