數字信號發生器的可靠性分析

陳宏+傅豪　金祝鋒　袁卓妮

摘要 為了掌握自行設計的數字信號發生器的可靠性狀況，提出了采用測量系統分析的研究方法。根據測量系統分析的統計分析原理，采集數字信號發生器測量數據，建立數學模型，分析可重復性和可再現性，得到自制設備的可靠性質量水平。實踐結果表明，該方法是幫助研究自制儀器可靠性的有實用價值的方法。

關鍵詞 MSA 交互式測量系統分析 GR&R

中圖分類號：TP335 文獻標識碼：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

數字信號發生器也是波形發生器，輸出一定函數波形，波形信號具有一定的電壓幅度和頻率。在高校工科教學中有多種可行的設計方案自制數字信號發生器，可靠性作為信號發生器在一定條件下無故障地執行指定功能的能力在設計中也非常重要。

眾所周知，培養大學生自主創新能力是21世紀高校人才培養的核心內容，是建設創新型國家的重要環節。①在現代高等學校教中，愈來愈重視直接經驗的學習，即動手能力、實踐能力和創新能力的培養，②工科院校的大學生的實踐教學，比較注重設計，缺少對產品可靠性的分析，然而產品測量的可重復性和可再現性正是設計實踐的重要部分。本文根據自行設計的數字信號發生器的測量情況，提出了從測量系統的角度分析數字信號發生器可靠性的方法。

1 數字信號發生器的可靠性研究

信號發生器是一種能提供不同頻率、波形和電壓幅度信號的設備，常用在測量各種電參數時，作為測試信號的激勵源。在學生科研訓練時，采用51系列單片機作為控制核心，設計的函數信號發生器能夠輸出三種波形，用數碼管顯示相應波形的頻率，利用按鍵即可實現波形轉換和頻率改變。設計方案中采用三個按鍵，一個按鍵切換波形，另外兩個按鍵改變頻率。本次設計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量如圖1所示。

1.1 數字信號發生器的設計要求

在實踐訓練中，要求設計的電路完成運算控制、信號識別以及顯示功能，尤其是對于信號的輸出頻率和電壓幅值必須保持與示波器上的測量結果一致，輸出頻率誤差小于20Hz。為此就必須達到輸出信號在測量系統中的可靠性。

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）

在測量系統分析（Measurement System Analysis，MSA）中測量系統的統計特性通常用偏倚、線性、穩定性、重復性和再現性5個指標來評價。前3種指標用于評價測量系統的準確性，后2種指標用于評價測量系統的精確性。準確性通過對儀器設備校準來得到保證。精確性包括：歸因于隨機誤差項的標準偏差，即量具的重復性;測量人員的標準偏差加上測量人員與樣本交互作用的標準偏差，即量具的再現性。③MSA用GR&R（Gauge Repeatability and Reproducibility）來研究和分析測量系統的重復性和再現性。量具重復性和再現性GR&R可接受準則：%R&R<10%時，測量系統完全可以接受;④10%<%R&R <30%的時表示測量系統可以接受，但是也可以由測量系統的重要性、修理費用等因素決定是否需要改進;%R&R>30%時表示該測量系統不可以接受，必須加以改進。⑤

1.2 數字信號發生器的可靠性分析

數字信號發生器的測量包括對電壓幅值的測量和信號頻率的測量。用3臺示波器，6位學生測量，每人測得3個數據，記錄示波器測量結果，和數字信號發生器輸出頻率比較，記錄它們之間的頻率差，作為可靠性分析的數據。建立交互式測量系統，對信號頻率的可靠性進行分析和研究。

1.2.1 數據采集

測量過程是按照標準的操作步驟，測量時示波器和數字信號發生器穩定工作，在測量過程中，測量環境條件不發生變化，測量人員沒有更換。采集的數據如表1所示。

1.2.2 可靠性分析

交互式GR&R是多個測量人員對每個樣本重復測量時的分析，使用3臺示波器對數字信號發生器的測量，有6位測量人員對同樣的樣本設備重復測量3次，分析表1得到的結果如圖2所示。

圖2中（a）是測量偏差柱狀圖，表明測量系統的標準偏差GR&R，（b）是極差控制圖，測量結果的極差值均在極差控制限內。（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，說明該測量系統可以充分探測數據之間的變化。（d）是不同示波器和人員測量結果的比較，在一定意義上能夠代表測量的再現性。（e）是不同人員測量結果的分布。

數字信號發生器具有可靠性，就要求具有完成精確測量的能力，并且持續在一定時間內具備這種能力，才能夠說明儀器可靠地工作。根據MSA原理對數據作進一步分析得到如表2所示的結果。

圖2 信號發生器顯示頻率與示波器測量頻率的差異

在表2中反映測量系統的重復性的標準偏差為22.51%，即具有22.51%隨機誤差;反映再現性的標準偏差在GR&R分析中為0，即測量人員與測量對象交互作用在測量中沒有影響。并且根據MSA的評價標準，當10%<%R&R<30%，這個測量系統可以接受，表2顯示%R&R為22.51%，符合MSA的接受標準。接著考慮設計要求，根據數字信（下轉第182頁）（上接第163頁）號發生器的設計要求，測量結果符合用示波器測量數字信號發生器輸出信號的測量要求，說明數字信號發生器具備工作可靠性。

1.2.3 驗證

MSA分析得到的GR&R說明設計的數字信號發生器工作可靠、測量精確。用實際工作的數據也驗證了這一分析結果。實際測量記錄了數字信號發生器的顯示值和示波器測量值之間的頻率差，如圖2所示。

在圖2的15組數據中，測量了0到900赫茲的不同頻率，示波器測量值與信號發生器顯示值有差異，但是仍然非常接近，說明在0到900赫茲的頻率段內，誤差在可接受的范圍內，證明數字信號發生器的工作性能穩定、可靠。

2結論

設計數字信號發生器作為大學生工程實踐的一個課題，硬件和軟件設計都容易實現，但是可靠性分析常常被忽視。MSA研究和分析整個測量系統以及影響測量的各個因素，⑥利用真實的數據為研究數字信號發生器的可靠性提供了依據，分析實驗設備測量過程中的精確性，不僅找出影響測量的因素，而且為改進設計指明方向。在設計信號發生器時使用MSA分析可靠性，操作簡便，能獲得令人信服的研究結論，是一種非常實用的方法。

注釋

① 李林，陸靈云，沈明霞等.SRT計劃創新人才培養模式的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2009.28（12）：8-12.

② 顧建民.高等教育學[M].浙江：浙江大學出版社，2008.

③ 董雙財.六西格瑪實施中測量系統分析的有效性[J].中國質量，2007（10）：43-46.

④⑤賈紹華，李靜靜.測量系統重復性與再現性在產品質量管理中的應用[J].大連交通大學學報，2010.31（5）：96-100.

⑥ 白旭.測量系統分析（MSA）在計量工作中的應用[J].計量與測試技術，2007.34（9）：58-59.