Разработка и исследование цифровых методов повышения быстродействия и точности вольтметров переменного напряжения инфранизкого диапазона частот

Задача повышения точности и быстродействия измерений в различных областях науки и промышленности является актуаль-. ш ной в настоящее время. Развитие измерительной и вычислительной техники позволяет удовлетворить требования повышения точности и быстродействия Так при исследовании акустических и гидроакустических сигналов, при исследовании вибраций и давлений, присущих наземным, морским, воздушным и космическим средствам передвижения, при автоматизации технологических процессов находит широкое применение цифровая измерительная аппаратура для измерения сигналов с частотами ниже 200−500 Гц или в диапазоне низких и инфранизких частот С13-С53.

Значительное место в измерениях занимают вольтметры * напряжения переменного тока (вольтметры переменного напряжения — ЕПН), позволяющие измерять среднеквадратическое значение (СКЗ). В области инфранизких частот (ИНЧ) (менее 10−60 Гц) ВПН широко применяются для анализа искажений напряжения в энергетических сетях, при виброиспытаниях крупногабаритных объектов. При этом в целях поверки и настройки измерительного оборудования необходима точность измерений не хуже 0.1−0. 5%. В тоже время для области инфранизких частот (ИНЧ) особенно важно повышение быстродействия (до 1−2 перио-^ дов измеряемого сигнала). Для приведенных областей измерения.

СКЗ напряжения ИНЧ часто свойственна сложная форма измеряемого сигнала. В этих условиях целесообразно использовать преимущества цифровой обработки сигналов: универсальность, возможность точного преобразования величин, представленных в цифровой форме. Наличие в вольтметре широких возможностей цифрового анализа [3], [6]-[10] может сближать эти приборы с системами сбора данных типа цифровой осциллограф — персональный компьютер С1]J11]-С 17]. Причем, ВПН обеспечивает измерение СКЗ с нормируемой точностью, являете" менее дорогостоящим и более простым в обращении прибором.

Однако, как показывает анализ современных выпускаемых вольтметров [103,[183-[223 возможности развития цифровых методов измерения в ВПН используются недостаточно. Это является одной из причин некоторого снижения темпов роста сбыта ВПН в 1989;1990 гг. С23], С24].

Таким образом представляется весьма перспективным получить высокие характеристики ВПН, основанного на методах цифровой обработки сигналов (ЦОС) и позволяющего измерять СКЗ напряжений напряжений ИНЧ сложной формы с высокой точностью (до 0.05−0.1%) и быстродействием (время измерения до 1−2 периодов измеряемого сигнала).

Под методами ЦОС понимают методы обработки дискретных значений измеряемого сигнала, представленных в цифровой форме. Кроме того классическое определение ЦОС включает необходимость представления сигнала во временной или частотной области при равномерной дискретизации С17], Г253-С313.

Дискретные отсчеты могут быть как мгновенными значениями сигнала, так и интегральными, т. е. полученными с помощью интегрирующего аналого — цифрового преобразования (АЦП) — Использование методов ЦОС возможно только в случае равномерной дискретизации. Анализ других методов дискретизации приводит к следующим выводам:

1). Стохастический метод со средней частотой Найквиета, превышающей верхнюю частоту спектра сигнала сводится к случаю равномерной дискретизации. При этом оценивается эквивалентный шум АЦП С323-L353.

2). Стохастический метод со средней частотой Найквиста, меньшей верхней частоты спектра сигнала, не позволяет провр-дить анализ частотно-временных характеристик сигнала и может быть использован для измерения среднего значения (СЗ) и СКЗ.

3). Стробоскопический метод С153, С363-[383 сводится к случаю равномерной дискретизации.

4). Метод детерминированной неравномерной дискретизации имеет ограниченное применение (например, для подавления сигналов на заданных частотах, восстановление сигналов с известной формой и с частотой, превышающей частоту дискретизации и т. д.) и не обладает достаточной универсальностью.

Таким образом, вне зависимости от метода АЦП исследование и разработка методов ЦОС может проводится ДЛЯ €ЛР-Ш равномерной дискретизации. фи помощи ЦОС измеряют интегральные параметры переменных сигналов, например: среднее значение (СЗ), СКЗ, Обработка дискретных значений вносит методическую погрешность ЦОСпогрешность дискретизации. Весьма актуальной является проблема оценки погрешностей ЦОС и разработки методов и устройств для ее уменьшения C393-U73. Наиболее эффективным методом является применение аналоговых устройств — фильтров [423,[463,[473.

При измерении периодических сигналов предполагается, что измерителю известна некоторая информация о периоде сигнала. По степени точности используемой информации о периоде методы измерений периодических сигналов можно разделить на методы с измерением периода и методы без измерения периода. В первом случае получение интегральных характеристик сигнала, проведение спектрального анализа и др. измерения проводится за один или несколько периодов измеряемого сигнала, а значение периода непосредственно входит в выражение, определящее измеряемую характеристику сигнала С 2] ,[18] ,[48] -[53]. Во втором случае информация о периоде служит для выбора временного интервала измерения, а также учитывается при расчете дополнительных погрешностей измерения С193 -С 22],[54]-С56], При этом значение интегральной характеристики измеряется на основании следующего свойства оценки интегральной характеристики: оценка стремится к истинному значению при увеличении времени измерения. Отсюда следует, что, применяя измерение периода можно добиваться большего быстродействия измерения, что наиболее существенно при измерении в области ИНЧ Ь сигналов. Точность и быстродействие измерения СКЗ напряжения ИНЧ зависисят от точности и быстродействия измерения периода.

Измерение периода при помощи цифровой обработки сигнала позволяет исключить специальные устройства для измерения периода из измерительных приборов, имеющих встроенную микроэвм [18],[49]. Для повышения точности и быстродействия следует разработать методы ЦОС для измерения периода, которые позво-#. ляют измерять период с погрешностью, наименьшей в условиях заданных ограничений. Такими ограничениями могут быть: частота дискретизации, вычислительная мощность микропроцессорной системы, ограниченное время измерения, соотношение сигнал-шум, а также форма сигнала.

Научная новизна работы заключается в разработке, обосновании, теоретическом и экспериментальном исследовании комплекса новых алгоритмических способов повышения точности и быстродействия ВПН, используювдх методы ДОС. В частности:

— исследованы новые методы оценки погрешностей быстродействующих алгоритмов цифрового измерения СЗ и СКЗ;

• - разработаны алгоритмы цифрового измерения СЗ и СКЗ, минимизирущие погрешности ЦОС согласно полученым методам;

— разработаны и исследованы методы совместного проектирования алгоритма ЦОС и аналоговых фильтров, минимизирующих погрешность дискретизации;

— разработаны новые адаптивные методы, обеспечивающие максимальное быстродействие и точность измерения периода в БПН;

— исследованы методические погрешности ВПН, реализующих разработанные алгоритмы измерения периода.

Результаты работы заключаются в следующм:

1. Развита теория методов ЦОС. позволяющкх измерять период и использовать инфоршцию о зериоде: для измерениясреднего значения: ПОЛ ЛWД1ТТТП1АПатгпштягТДntpntin ITtnTTPVWiri- -f nPQ^. nQWTfnir^ ТТЛТЧГЧ"iOTTTTT TТГ ш V uoy, jei^suifiJj. u опачспйя i uluD-, исрциДа. исрсдяслпстл напряжений инфраыизкойчастоты (ИйЧ). Получены выражения, описиt3qwmr*n «1лт1лттттлр"т?"1л ппллппттрттптигл. тгл^плттутптт» t"miftfifittttft hq. htfq. gciftmyig кХсгхидехчсиляЬЬ ь иилш^шш^ас аш^стиихд ЛШлсрсляш., ихиЛ, периода, в зависимости от: параштровгформы: сигнала.

2. Предложен и иеследованметодпроектировакия весовых функтттгА та ftnnmTiАтпшптт п*гят^зпп"гн"|тптгаттлттлтетпптт*. — jirnt ¦¦ хдом в liuuidciuinmi v. xpcujcmbufi хиг-ццит оситигшиым uuj. рсшпи^хи но. меренияинтегральногозначения от погрешности измеренияпериода.

3. Разработаны, и исследованыадаптивные: кформе сигнала, методы цифрового измерения, периода,^{тодыпозволяют} уменьшит! погрешность измерения периода и основаны на интерполяции измеряемого t напряжения. а.

Разработави исследованы цифровые, фильтры для. интерпотггттттяг^ттттгтчг iirtmmtnn' т"пгллллттт"|т rrrvriTfntm г тттттталп ТТАП Tj"r*mnmw nrtn-%.

•uai^iujujmuaia, шсau/j, jjo iic^jmiu^c^ w ихлюиш^ии i^uxjf hug. воляют при: наибольшем быстродействии (наименьшей длинеимпульптзпй. vnnnwm"TTinmTn#wV rrrs ТТ*Т" Т ттятх тгптлаеячяпА — тт/чягчлтптггшт"^ иаиш Jfxn^v iiwAjf. пешмсошис^ оlia^vc-Jh*ic uajl jjtbuinwux jri snrmnwitfwntnm тг тет^^плтуп1: пл**яттп оииуипьшацш n шшсрспшд исгрухиДа".

5. Разработана и исследована методика уменьшения погрешности ДОС с помощьх) аналоговых фильтров. Получены выраааения., позволяющие проводитьсовместную: разработку фильтров и методов ЦОС для измерения: СЗ, СЙЗ, периода сигнала. Ш этой основе разработаны программноесредства проектирования, аналоговш: фильтров^ С помощью разработанных средств возможнопроектировать фильтры для тг"1г1Лплт*тт П1ГО n TT^TmrnTtmirNA ттпт^плпятлшя" ш • Trrstf: ' п 5 ттчттипЛ ттпптптл помсрсплл uxfau w догшсдшшл alui. рс iufiuui xmuixjj-ti. оодскпаи*^ чхай хихс. л rfa j. ! u дискретизации.

6. Разработаны методы ДОС, позвожяадш: повысить точность из^-мерения периода в условиях, когда отношение сигнал — шумумекыпалтлп ттл л 71UA Ди i. г^ппит.® выводы и рекомендации работы: были i. wuhucnoc. yoojfJxuxcixDX, использованы: при созданж совшскю сМНйПМ: я. Шшж инфраниака&tradeттпптптилт1п te*i*nrTinirt (iii*ifinnnппгггтптгттлтшtm TTf~ птммтттп’п-а. чаихиапш и i"xui^umu.ui>.xjvic-xjjca, иишшашл и. па. шс.1 идаии фИ: ххрсДгюо ттчттппттлп irnrr пАпмйтептт" питт"*! ttnTTf 'ЧЭтяЛпгчвпт*!' п Тп-пппппт! na.—icnnui и дЛд uc jyuiuiui и. оШ1 j una ricL xxw x. i ш aapui .

Применение методики уменьшения погрешности методов ЦОС п гтг*члгять от nnn irnnrvnirtr rfrri| тгь mr>rn ттппtj awn n O R nnnn ntTTintirmti. отллЛь. u Xiu/wL/HMlfu гьпгын, а идд! фШиххрсла jiuoAu^iuLuu. л й-* О усъоск uru-ioii.LJJ дсии ходимый порядок аналогового фильтра. Разработанные методы ДОС для определения: интегральных параметров: обусжзвиливозмояаюсть nnnrimnHlw* тптппттппл «irs. ттг-чпттж ишлтмп’пп тге тмпштнг > np mitmnmimл ntr— iiu nniiiirr дух/i. -iji дч» x Bjai c-ilunuu x la шифиаишхмсх^а" uu и^аспсшш u uy п$гствувпрми пркборми: b:10 и более: раз СдоЮ мкВ).

0/4vrtr\mnjnnr**w& nfMe'" «* ' nm fiirnimnmrnr члятпчп wiтндшпз nen^ ипипишхчсиДшх. оцЦязгьх их хэпсДрспхгхл. дхухп^цдиJiо х дхс х уа. uuu mnnnm^П mm тчттЛ n пп тг xaJLJrxx xtu x cuu. pyu. д i иД.