數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的可靠性分析

陳宏+傅豪　金祝鋒　袁卓妮

摘要 為了掌握自行設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的可靠性狀況，提出了采用測(cè)量系統(tǒng)分析的研究方法。根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)分析的統(tǒng)計(jì)分析原理，采集數(shù)字信號(hào)發(fā)生器測(cè)量數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，分析可重復(fù)性和可再現(xiàn)性，得到自制設(shè)備的可靠性質(zhì)量水平。實(shí)踐結(jié)果表明，該方法是幫助研究自制儀器可靠性的有實(shí)用價(jià)值的方法。

關(guān)鍵詞 MSA 交互式測(cè)量系統(tǒng)分析 GR&R

中圖分類號(hào)：TP335 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.08.077

Reliability Analysis of Digital Signal Generator

CHEN Hong， FU Hao， JIN Zhufeng， YUAN Zhuoni

（College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027）

Abstract In order to know the reliability status of home-built Digital Signal Generator， a new method is proposed to study the reliability by Measurement System Analysis. The sample data is gathered together， the measurement model is set up， the statistical characteristics is analyzed according to the concepts of MSA principles， then the reliability status is reported. The demonstration shows that this is a kind of practical and valuable method to study the reliability of home-built device.

Key words Measurement system analysis; Crossed Measurement System Analysis; Gauge Repeatability and Reproducibility

引言

數(shù)字信號(hào)發(fā)生器也是波形發(fā)生器，輸出一定函數(shù)波形，波形信號(hào)具有一定的電壓幅度和頻率。在高校工科教學(xué)中有多種可行的設(shè)計(jì)方案自制數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，可靠性作為信號(hào)發(fā)生器在一定條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力在設(shè)計(jì)中也非常重要。

眾所周知，培養(yǎng)大學(xué)生自主創(chuàng)新能力是21世紀(jì)高校人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容，是建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要環(huán)節(jié)。①在現(xiàn)代高等學(xué)校教中，愈來愈重視直接經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，即動(dòng)手能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，②工科院校的大學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，比較注重設(shè)計(jì)，缺少對(duì)產(chǎn)品可靠性的分析，然而產(chǎn)品測(cè)量的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性正是設(shè)計(jì)實(shí)踐的重要部分。本文根據(jù)自行設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的測(cè)量情況，提出了從測(cè)量系統(tǒng)的角度分析數(shù)字信號(hào)發(fā)生器可靠性的方法。

1 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的可靠性研究

信號(hào)發(fā)生器是一種能提供不同頻率、波形和電壓幅度信號(hào)的設(shè)備，常用在測(cè)量各種電參數(shù)時(shí)，作為測(cè)試信號(hào)的激勵(lì)源。在學(xué)生科研訓(xùn)練時(shí)，采用51系列單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器能夠輸出三種波形，用數(shù)碼管顯示相應(yīng)波形的頻率，利用按鍵即可實(shí)現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換和頻率改變。設(shè)計(jì)方案中采用三個(gè)按鍵，一個(gè)按鍵切換波形，另外兩個(gè)按鍵改變頻率。本次設(shè)計(jì)能夠在接通電源后依次顯示正弦波，方波，三角鋸齒波。輸出的波形在示波器上測(cè)量如圖1所示。

1.1 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求

在實(shí)踐訓(xùn)練中，要求設(shè)計(jì)的電路完成運(yùn)算控制、信號(hào)識(shí)別以及顯示功能，尤其是對(duì)于信號(hào)的輸出頻率和電壓幅值必須保持與示波器上的測(cè)量結(jié)果一致，輸出頻率誤差小于20Hz。為此就必須達(dá)到輸出信號(hào)在測(cè)量系統(tǒng)中的可靠性。

圖1 示波器顯示的方波、正弦波、鋸齒波和三角波形（上左、上右、下左、下右）

在測(cè)量系統(tǒng)分析（Measurement System Analysis，MSA）中測(cè)量系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)特性通常用偏倚、線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性和再現(xiàn)性5個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)。前3種指標(biāo)用于評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，后2種指標(biāo)用于評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng)的精確性。準(zhǔn)確性通過對(duì)儀器設(shè)備校準(zhǔn)來得到保證。精確性包括：歸因于隨機(jī)誤差項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即量具的重復(fù)性;測(cè)量人員的標(biāo)準(zhǔn)偏差加上測(cè)量人員與樣本交互作用的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即量具的再現(xiàn)性。③MSA用GR&R（Gauge Repeatability and Reproducibility）來研究和分析測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性。量具重復(fù)性和再現(xiàn)性GR&R可接受準(zhǔn)則：%R&R<10%時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)完全可以接受;④10%<%R&R <30%的時(shí)表示測(cè)量系統(tǒng)可以接受，但是也可以由測(cè)量系統(tǒng)的重要性、修理費(fèi)用等因素決定是否需要改進(jìn);%R&R>30%時(shí)表示該測(cè)量系統(tǒng)不可以接受，必須加以改進(jìn)。⑤

1.2 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的可靠性分析

數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的測(cè)量包括對(duì)電壓幅值的測(cè)量和信號(hào)頻率的測(cè)量。用3臺(tái)示波器，6位學(xué)生測(cè)量，每人測(cè)得3個(gè)數(shù)據(jù)，記錄示波器測(cè)量結(jié)果，和數(shù)字信號(hào)發(fā)生器輸出頻率比較，記錄它們之間的頻率差，作為可靠性分析的數(shù)據(jù)。建立交互式測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)頻率的可靠性進(jìn)行分析和研究。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

測(cè)量過程是按照標(biāo)準(zhǔn)的操作步驟，測(cè)量時(shí)示波器和數(shù)字信號(hào)發(fā)生器穩(wěn)定工作，在測(cè)量過程中，測(cè)量環(huán)境條件不發(fā)生變化，測(cè)量人員沒有更換。采集的數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2.2 可靠性分析

交互式GR&R是多個(gè)測(cè)量人員對(duì)每個(gè)樣本重復(fù)測(cè)量時(shí)的分析，使用3臺(tái)示波器對(duì)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的測(cè)量，有6位測(cè)量人員對(duì)同樣的樣本設(shè)備重復(fù)測(cè)量3次，分析表1得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2中（a）是測(cè)量偏差柱狀圖，表明測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差GR&R，（b）是極差控制圖，測(cè)量結(jié)果的極差值均在極差控制限內(nèi)。（c）是平均值控制圖，圖中顯示出一半或更多的均值落在控制限以外，說明該測(cè)量系統(tǒng)可以充分探測(cè)數(shù)據(jù)之間的變化。（d）是不同示波器和人員測(cè)量結(jié)果的比較，在一定意義上能夠代表測(cè)量的再現(xiàn)性。（e）是不同人員測(cè)量結(jié)果的分布。

數(shù)字信號(hào)發(fā)生器具有可靠性，就要求具有完成精確測(cè)量的能力，并且持續(xù)在一定時(shí)間內(nèi)具備這種能力，才能夠說明儀器可靠地工作。根據(jù)MSA原理對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析得到如表2所示的結(jié)果。

圖2 信號(hào)發(fā)生器顯示頻率與示波器測(cè)量頻率的差異

在表2中反映測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差為22.51%，即具有22.51%隨機(jī)誤差;反映再現(xiàn)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差在GR&R分析中為0，即測(cè)量人員與測(cè)量對(duì)象交互作用在測(cè)量中沒有影響。并且根據(jù)MSA的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)10%<%R&R<30%，這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可以接受，表2顯示%R&R為22.51%，符合MSA的接受標(biāo)準(zhǔn)。接著考慮設(shè)計(jì)要求，根據(jù)數(shù)字信（下轉(zhuǎn)第182頁）（上接第163頁）號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求，測(cè)量結(jié)果符合用示波器測(cè)量數(shù)字信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的測(cè)量要求，說明數(shù)字信號(hào)發(fā)生器具備工作可靠性。

1.2.3 驗(yàn)證

MSA分析得到的GR&R說明設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器工作可靠、測(cè)量精確。用實(shí)際工作的數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了這一分析結(jié)果。實(shí)際測(cè)量記錄了數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的顯示值和示波器測(cè)量值之間的頻率差，如圖2所示。

在圖2的15組數(shù)據(jù)中，測(cè)量了0到900赫茲的不同頻率，示波器測(cè)量值與信號(hào)發(fā)生器顯示值有差異，但是仍然非常接近，說明在0到900赫茲的頻率段內(nèi)，誤差在可接受的范圍內(nèi)，證明數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的工作性能穩(wěn)定、可靠。

2結(jié)論

設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器作為大學(xué)生工程實(shí)踐的一個(gè)課題，硬件和軟件設(shè)計(jì)都容易實(shí)現(xiàn)，但是可靠性分析常常被忽視。MSA研究和分析整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)以及影響測(cè)量的各個(gè)因素，⑥利用真實(shí)的數(shù)據(jù)為研究數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的可靠性提供了依據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)量過程中的精確性，不僅找出影響測(cè)量的因素，而且為改進(jìn)設(shè)計(jì)指明方向。在設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器時(shí)使用MSA分析可靠性，操作簡(jiǎn)便，能獲得令人信服的研究結(jié)論，是一種非常實(shí)用的方法。

注釋

① 李林，陸靈云，沈明霞等.SRT計(jì)劃創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009.28（12）：8-12.

② 顧建民.高等教育學(xué)[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，2008.

③ 董雙財(cái).六西格瑪實(shí)施中測(cè)量系統(tǒng)分析的有效性[J].中國質(zhì)量，2007（10）：43-46.

④⑤賈紹華，李靜靜.測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性與再現(xiàn)性在產(chǎn)品質(zhì)量管理中的應(yīng)用[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.31（5）：96-100.

⑥ 白旭.測(cè)量系統(tǒng)分析（MSA）在計(jì)量工作中的應(yīng)用[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2007.34（9）：58-59.