数字信号发生器的可靠性分析

陈宏+傅豪　金祝锋　袁卓妮

摘要 为了掌握自行设计的数字信号发生器的可靠性状况，提出了采用测量系统分析的研究方法。根据测量系统分析的统计分析原理，采集数字信号发生器测量数据，建立数学模型，分析可重复性和可再现性，得到自制设备的可靠性质量水平。实践结果表明，该方法是帮助研究自制仪器可靠性的有实用价值的方法。

关键词 MSA 交互式测量系统分析 GR&R

中图分类号：TP335 文献标识码：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

数字信号发生器也是波形发生器，输出一定函数波形，波形信号具有一定的电压幅度和频率。在高校工科教学中有多种可行的设计方案自制数字信号发生器，可靠性作为信号发生器在一定条件下无故障地执行指定功能的能力在设计中也非常重要。

众所周知，培养大学生自主创新能力是21世纪高校人才培养的核心内容，是建设创新型国家的重要环节。①在现代高等学校教中，愈来愈重视直接经验的学习，即动手能力、实践能力和创新能力的培养，②工科院校的大学生的实践教学，比较注重设计，缺少对产品可靠性的分析，然而产品测量的可重复性和可再现性正是设计实践的重要部分。本文根据自行设计的数字信号发生器的测量情况，提出了从测量系统的角度分析数字信号发生器可靠性的方法。

1 数字信号发生器的可靠性研究

信号发生器是一种能提供不同频率、波形和电压幅度信号的设备，常用在测量各种电参数时，作为测试信号的激励源。在学生科研训练时，采用51系列单片机作为控制核心，设计的函数信号发生器能够输出三种波形，用数码管显示相应波形的频率，利用按键即可实现波形转换和频率改变。设计方案中采用三个按键，一个按键切换波形，另外两个按键改变频率。本次设计能够在接通电源后依次显示正弦波，方波，三角锯齿波。输出的波形在示波器上测量如图1所示。

1.1 数字信号发生器的设计要求

在实践训练中，要求设计的电路完成运算控制、信号识别以及显示功能，尤其是对于信号的输出频率和电压幅值必须保持与示波器上的测量结果一致，输出频率误差小于20Hz。为此就必须达到输出信号在测量系统中的可靠性。

图1 示波器显示的方波、正弦波、锯齿波和三角波形（上左、上右、下左、下右）

在测量系统分析（Measurement System Analysis，MSA）中测量系统的统计特性通常用偏倚、线性、稳定性、重复性和再现性5个指标来评价。前3种指标用于评价测量系统的准确性，后2种指标用于评价测量系统的精确性。准确性通过对仪器设备校准来得到保证。精确性包括：归因于随机误差项的标准偏差，即量具的重复性;测量人员的标准偏差加上测量人员与样本交互作用的标准偏差，即量具的再现性。③MSA用GR&R（Gauge Repeatability and Reproducibility）来研究和分析测量系统的重复性和再现性。量具重复性和再现性GR&R可接受准则：%R&R<10%时，测量系统完全可以接受;④10%<%R&R <30%的时表示测量系统可以接受，但是也可以由测量系统的重要性、修理费用等因素决定是否需要改进;%R&R>30%时表示该测量系统不可以接受，必须加以改进。⑤

1.2 数字信号发生器的可靠性分析

数字信号发生器的测量包括对电压幅值的测量和信号频率的测量。用3台示波器，6位学生测量，每人测得3个数据，记录示波器测量结果，和数字信号发生器输出频率比较，记录它们之间的频率差，作为可靠性分析的数据。建立交互式测量系统，对信号频率的可靠性进行分析和研究。

1.2.1 数据采集

测量过程是按照标准的操作步骤，测量时示波器和数字信号发生器稳定工作，在测量过程中，测量环境条件不发生变化，测量人员没有更换。采集的数据如表1所示。

1.2.2 可靠性分析

交互式GR&R是多个测量人员对每个样本重复测量时的分析，使用3台示波器对数字信号发生器的测量，有6位测量人员对同样的样本设备重复测量3次，分析表1得到的结果如图2所示。

图2中（a）是测量偏差柱状图，表明测量系统的标准偏差GR&R，（b）是极差控制图，测量结果的极差值均在极差控制限内。（c）是平均值控制图，图中显示出一半或更多的均值落在控制限以外，说明该测量系统可以充分探测数据之间的变化。（d）是不同示波器和人员测量结果的比较，在一定意义上能够代表测量的再现性。（e）是不同人员测量结果的分布。

数字信号发生器具有可靠性，就要求具有完成精确测量的能力，并且持续在一定时间内具备这种能力，才能够说明仪器可靠地工作。根据MSA原理对数据作进一步分析得到如表2所示的结果。

图2 信号发生器显示频率与示波器测量频率的差异

在表2中反映测量系统的重复性的标准偏差为22.51%，即具有22.51%随机误差;反映再现性的标准偏差在GR&R分析中为0，即测量人员与测量对象交互作用在测量中没有影响。并且根据MSA的评价标准，当10%<%R&R<30%，这个测量系统可以接受，表2显示%R&R为22.51%，符合MSA的接受标准。接着考虑设计要求，根据数字信（下转第182页）（上接第163页）号发生器的设计要求，测量结果符合用示波器测量数字信号发生器输出信号的测量要求，说明数字信号发生器具备工作可靠性。

1.2.3 验证

MSA分析得到的GR&R说明设计的数字信号发生器工作可靠、测量精确。用实际工作的数据也验证了这一分析结果。实际测量记录了数字信号发生器的显示值和示波器测量值之间的频率差，如图2所示。

在图2的15组数据中，测量了0到900赫兹的不同频率，示波器测量值与信号发生器显示值有差异，但是仍然非常接近，说明在0到900赫兹的频率段内，误差在可接受的范围内，证明数字信号发生器的工作性能稳定、可靠。

2结论

设计数字信号发生器作为大学生工程实践的一个课题，硬件和软件设计都容易实现，但是可靠性分析常常被忽视。MSA研究和分析整个测量系统以及影响测量的各个因素，⑥利用真实的数据为研究数字信号发生器的可靠性提供了依据，分析实验设备测量过程中的精确性，不仅找出影响测量的因素，而且为改进设计指明方向。在设计信号发生器时使用MSA分析可靠性，操作简便，能获得令人信服的研究结论，是一种非常实用的方法。

注释

① 李林，陆灵云，沈明霞等.SRT计划创新人才培养模式的研究与实践[J].实验室研究与探索，2009.28（12）：8-12.

② 顾建民.高等教育学[M].浙江：浙江大学出版社，2008.

③ 董双财.六西格玛实施中测量系统分析的有效性[J].中国质量，2007（10）：43-46.

④⑤贾绍华，李静静.测量系统重复性与再现性在产品质量管理中的应用[J].大连交通大学学报，2010.31（5）：96-100.

⑥ 白旭.测量系统分析（MSA）在计量工作中的应用[J].计量与测试技术，2007.34（9）：58-59.