Цифровой генератор прямого синтеза для формирования многоканального испытательного сигнала с плавающей частотой

УДК 620; 629.01

V

цифровой генератор прямого синтеза

для формирования многоканального испытательного сигнала с плавающей частотой

Д. А. Голушко, А. В. Лысенко, М. П. Калаев

Введение

В настоящее время к бортовым техническим системам (ТС) изделий военного назначения (ИВН) предъявляются высочайшие требования по надежности [1]. Поэтому как в процессе разработки, так и во время производства все ТС ИВН проходят различные виды испытаний, в том числе испытания на устойчивость к влиянию внешних воздействующих факторов (ВВФ) в соответствии с требованиями российских комплексов государственных военных стандартов [2].

Одним из наиболее опасных ВВФ, приводящих к отказам бортовых ТС, является внешнее вибрационное воздействие, поскольку согласно статистическим данным от 30 до 50 % отказов приходится именно на них [3].

При проведении испытаний на устойчивость к влиянию ВВФ основополагающим принципом является соответствие испытательных режимов режимам эксплуатации [4]. Несмотря на значительные достижения в области стендовых испытаний [4-7], режимы функционирования ТС в реальных условиях эксплуатации значительно отличаются от испытательных режимов [8], что приводит к появлению отказов ТС на этапе эксплуатации. Поэтому в общей проблеме повышения надежности бортовых ТС ИВН задачи разработки и совершенствования методов и средств проведения испытаний ТС на устойчивость к внешним вибрационным воздействиям являются актуальными.

Одной из причин несоответствия режимов функционирования бортовых ТС от испытательных режимов является различие в способах введения внешнего вибрационного воздействия в ТС. На существующих испытательных стендах ТС крепится к вибростолу, в результате все точки крепления, через которые передается внешнее вибрационное воздействие на ТС от вибростола, двигаются синхронно (синфазно). В условиях реальной эксплуатации движение точек крепления бортовых ТС не является синфазным [8], что приводит к различному поведению ТС при проведении стендовых испытаний и в реальных условиях эксплуатации [9].

В работе [10] предложен способ определения спектральных колебательных характеристик конструктивных элементов ТС и установка для его реализации, которые позволяют передать внешнее вибрационное воздействие в точки крепления ТС с управлением фазой гармонического сигнала для каждой точки крепления. Однако реализация предложенной установки требует разработки специфического оборудования, а именно, генератора формирования испытательного сигнала по нескольким параллельным каналам и позволяющего управлять значением фазы сигнала по каждому каналу. Количество каналов должно соответствовать количеству точек крепления бортовой ТС.

Существующие генераторы тестовых сигналов [4] не позволяют осуществить управление фазой испытательных сигналов по каждому из имеющихся каналов относительно друг друга. Кроме того, генератор должен осуществить формирование испытательных сигналов в заданном диапазоне частот (с плавающей частотой).

Современные функциональные генераторы обеспечивают широкий диапазон частот, калиброванные выходные уровни, разнообразные формы сигналов, имеют режимы модуляции, компь-

Постановка задачи

Структура цифрового генератора прямого синтеза

ютерный интерфейс и множество других возможностей. Наличие этих возможностей, которые ранее были добавляемыми к функциональным генераторам, в настоящее время реализуются на основе технологии прямого цифрового синтеза (ПЦС).

Разработанная структура цифрового генератора прямого синтеза показана на рис. 1.

Регистр инкримента фазы

Аккумулятор фазы

ОЗУ

W W

Регулятор постоянной времени

Рис. 1. Структура цифрового генератора прямого синтеза

Частота синусоидального сигнала зависит от регулируемой скорости обращения к таблице оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Адрес генерируется добавлением в фазовый аккумулятор константы, хранимой в регистре инкремента фазы (PIR - phase increment register). Скорость добавления константы и частота меняются изменением числа в PIR.

Разрешение по частоте зависит от разрядности PIR. Если PIR, сумматор и фазовый аккумулятор поддерживают 48-битные операции, относительное разрешение составит одну часть на 247 (порядка 1^1014). Практически это означает, что 48-разрядный ПЦС генератор способен при выходной частоте 10 МГц обеспечить разрешение лучше 1 мкГц.

После 12-разрядного цифроаналогового преобразователя сигнал поступает на ФНЧ. В качестве ФНЧ выбрана схема фильтра Бесселя седьмой степени с затуханием -3 дБ. Фильтр Бесселя имеет более пологий спад по сравнению с фильтром Кауэра, зато его фазовая характеристика почти линейна. Отсутствие дисперсии в линейно-фазовом фильтре сохранит форму импульса и предотвратит «звон» во временной области.

Регулятор постоянной времени тестовых сигналов изменяет значение длительности генерируемых импульсов т и тем самым текущую частоту в соответствии с разработанным алгоритмом, приведенным далее.

Алгоритм работы цифрового генератора прямого синтеза

Алгоритм для формирования испытательного сигнала цифровым генератором ПЦС предназначен для работы с 8-разрядным микроконтроллером. Блок-схема алгоритма работы генератора ПЦС представлена на рис. 2.

Работа генератора ПЦС начинается с загрузки в ОЗУ одного периода синусоидальных колебаний, представленных в виде таблицы, содержащей последовательность из 256 чисел. Формирование уровня «нуля» на выходе генератора осуществляется передачей в порты ввода-вывода значения «7F» в бесконечном цикле.

Запуск генерации испытательных сигналов осуществляется командой «Start», полученной через последовательный интерфейс в цикле основной программы. Accum - это аккумулятор фазы, состоящий из трех 8-разрядных регистров. В младший регистр добавляется слагаемое AF, определяющее текущее значение частоты F согласно выражению

F = ,AFFclock

т 2 В

где ^С1оск - тактовая частота; т - количество тактов в цикле генерации; В - разрядность аккумулятора (в данном случае 24).

Рис. 2. Блок-схема алгоритма работы цифрового генератора прямого синтеза

Фазовый сдвиг «-го канала определяется 8-разрядной переменной ф, добавляемой к старшему регистру аккумулятора непосредственно перед передачей в порт его значения из ОЗУ. Условие Т = 1 определяет, закончилось ли формирование одного периода колебаний. Если да, то

необходимо заново рассчитать значение АР. Если нет, то необходимо установить значение сигнала управляющего т выдачей в порт двух старших регистров АР.

На частотах выше 160 Гц шаг приращения значения текущей частоты постоянен и равен одной октаве в минуту

л» =Д^_1 +р,

160 . 2Вт

где З = -

^еЮск

На частотах ниже 160 Гц шаг приращения значения текущей частоты не постоянен и определяется согласно выражению

ЗР

где Рн - нижняя фиксированная частота рабочего диапазона. Таким образом, чем ниже частота, тем меньше скорость изменения частоты. Условие Р = Рк необходимо для выхода из цикла при завершении формирования испытательного сигнала.

Вывод

Разработанный цифровой генератор прямого синтеза для формирования многоканального испытательного сигнала с плавающей частотой, работающий по предложенному алгоритму, позволяет формировать испытательный сигнал по нескольким параллельным каналам и управлять значением фазы сигнала в каждом из каналов. Реализация предложенного генератора прямого синтеза в виде программно-аппаратного комплекса в составе установки [10] позволит при проведении стендовых испытаний бортовых ТС на устойчивость к внешнему вибрационному воздействию вводить в каждую точку крепления ТС испытательный сигнал с различным фазовым сдвигом. Тем самым достигается повышение соответствия режимов стендовых испытаний бортовых ТС и режимов их реальной эксплуатации.

Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Разработка методов и средств создания высоконадежных компонентов и систем бортовой радиоэлектронной аппаратуры ракетно-космической и транспортной техники нового поколения» (Соглашение № 15-19-10037 от 20 мая 2015 г.) при финансовой поддержке Российского научного фонда.

Список литературы

1. Юрков, Н. К. Методы и средства проектирования высоконадежных электронных средств / Н. К. Юрков, А. В. Затылкин, И. И. Кочегаров ; под ред. проф. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2014 - 266 с.

2. ГОСТ РВ 20.39.304-98 КСОТТ. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам.

3. Малов, А. В. Разработка автоматизированной подсистемы обеспечения стойкости радиоэлектронных средств к механическим воздействиям на основе систем виброизоляции : дис. ... канд. техн. наук / Малов А. В. - М., 2011.

4. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование / под ред. А. И. Коробова. - М. : Радио и связь, 2002. - 272 с.

5. Тумковский, С. Р. Виброакустический контроль бортовой космической аппаратуры / С. Р. Тумковский, С. У. Увайсов, И. А. Иванов, Р. И. Увайсов // Мир измерений. - 2007. - № 12. - С. 4-7.

6. Груничев, А. С. Испытания радиоэлектронной аппаратуры на надежность / А. С. Груничев. - М., 2012. -271 с.

7. Теоритические основы испытаний и экспериментальная отработка сложных технических систем / Л. Н. Александровская, В. И. Круглов, А. Г. Кузнецов, В. А. Кузнецов, А. А. Кутин, А. М. Шолом. - М. : Логос, 2003. - 735 с.

8. Голушко, Д. А. Анализ акселерограмм, полученных в различных точках крепления бортовых электронных средств / Д. А. Голушко // Вопросы радиоэлектроники. - 2015. - № 1. - С. 64-69.

9. Голушко, Д. А. Исследование особенностей возбуждения собственных частот в конструктивных элементах электронных средств / Д. А. Голушко, А. В. Затылкин, Н. К. Юрков // Вопросы радиоэлектроники. -2015. - № 1. - С. 66-76.

10. Пат. на изобретение 2536325 РФ : МПК в 01 М 7/06. Способ определения спектральных колебательных характеристик конструктивных элементов РЭС и установка для его реализации / Голушко Д. А., Затылкин А. В., Лысенко Н. К., Таньков Г. В., Юрков Н. К. - № 2012130735 ; заявл. 05.02.2013 ; опубл. 10.08.2014, Бюл. № 35.

Голушко Дмитрий Александрович

кандидат технических наук, начальник отдела исследований, Научно-производственное предприятие «Рубин» (Россия, г. Пенза, ул. Байдукова, 2) E-mail: oldalez@yandex.ru.

Лысенко Алексей Владимирович кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: lysrenko7891@rambler.ru

Калаев Михаил Павлович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-male: lsgau5@yandex.ru

Аннотация. Показано, что при проведении стендовых испытаний бортовых технических систем на устойчивость к внешним вибрационным воздействиям существует несоответствие испытательных режимов режимам функционирования технических систем в реальных условиях эксплуатации, вызванное несовершенством способа введения внешнего вибрационного воздействия в конструкцию технической системы. С целью повышения соответствия испытательных режимов режимам реальной эксплуатации предложен цифровой генератор прямого синтеза, предназначенный для формирования многоканального испытательного сигнала, в котором сигнал каждого канала формируется для конкретной точки крепления бортовой технической системы. Испытательный сигнал формируется генератором согласно представленному алгоритму, который отличается от известных управлением величиной фазового сдвига сигнала в каждом канале. Такой подход позволяет осуществить управление перемещением каждой точки крепления бортовой технической системы во время стендовых испытаний на устойчивость к внешнему вибрационному воздействию независимо друг от друга, и тем самым, приблизить соответствие режимов стендовых испытаний бортовых технических систем к режимам реальной эксплуатации.

Golushko Dmitriy Aleksandrovich candidate of technical sciences, chief of the research department, Scientific Production Enterprise «Rubin»

Lysenko Aleksey Vladimirovich

candidate of technical sciences, associate professor,

sub-department of radio equipment

design and production,

Penza State University

Kalaev Mikhail Pavlovich

candidate of technical sciences,

senior stuff scientist,

sub-department of radio equipment

design and production,

Penza State University

Abstract. It is shown that during bench testing board of technical systems for resistance to external vibration effects there is a mismatch test modes of the mode of functioning of technical systems in actual use, due to the imperfection of the route of administration of the external effects of vibration in the design of the technical system. To improve compliance test modes of operation is provided a real digital direct synthesis generator for generating a multi-channel test signal, wherein the signal of each channel is formed for a specific attachment point of a technical system board. The test signal generator is formed according to the present algorithm, which differs from the known phase shift amount control signal in each channel. This approach allows the management of the movement of each point of attachment of on-board technical system during the bench tests for resistance to the effects of external vibration independently of each other, and thereby bring the appropriate mode of bench tests onboard technical systems to real use.

Ключевые слова: генератор, прямой синтез, испытательный сигнал, плавающая частота, фазовый сдвиг, техническая система.

Key words: generator, direct synthesis, the test signal, floating frequency, phas shift, the technical system.

УДК 620; 629.01 Голушко, Д. А.

Цифровой генератор прямого синтеза для формирования многоканального испытательного сигнала с плавающей частотой / Д. А. Голушко, А. В. Лысенко, М. П. Калаев // Надежность и качество сложных систем. - 2015. - № 4 (12). - С. 73-78.