Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор существующих типов чип, их классификация. обобщенная структурная схема чип. математическая модель чип 16
1.1. Феноменологическая модель измерительного канала 16
1.2. Уравнение интегральной частотно-импульсной модуляции. Обзор существующих типов ЧИП. Их классификация 21
1.3. Математическая модель интегральной частотно-импульсной модуляции 28
1.4. Обобщенная структурная схема ЧИП. Математическая модель ЧИП 35
Выводы 41
Глава 2. Аналитические исследования источников и причин возникновения методической погрешности измерительного канала чип - вторичный прибор 42
2.1. Механизм преобразования в ЧИП. Шум частотно-импульсного преобразования. Спектральный анализ шума.Щум в полосе частот модулирующего сигнала 43
2.2. Методическая погрешность измерительного канала при измерениях мгновенного значения, среднего значения и интеграла аналогового сигнала по времени 54
2.3. Механизм преобразования шума частотно-импульсного преобразования стационарным ФНЧ вторичного прибора в методическую погрешность измерительного канала 62
Выводы 66
Глава 3. Исследование методической погрешности измерительного канала чип - вторичный прибор 68
3.1. Исходные предпосылки 68
3.2. Механизм преобразования шума частотно-импульсного преобразования модулированным ШЧ вторичного прибора в методическую погрешность измерительного канала 73
3.3. Математическая модель ИК, включающая ЧИП с импульсной обратной связью и демодуляторы с ФНЧ нескольких видов 77
3.4. Исследование характеристик методической погрешности измерительного канала путем моделирования
на ЭЕМ "БЭСМ-6".Анализ результатов моделирования 84
Выводы 100
Глава 4. Методы и аппаратура для экспериментального исследования характеристик погрешности чип 102
4.1. Инструментальные погрешности ЧИП и методы их экспериментального определения 104
4.2. Исследование переходного процесса в ЧИП 115
4.3. Устройство для измерения метрологических характеристик ЧИП 122
4.4. Экспериментальные исследования ЧИП и анализ полученных результатов 133
4.5. Оценка точности проведения экспериментальных исследований 144
Шводы 147
Глава 5. Определение погрешности ишерительных систем с чип . 149
5.1. Определение погрешности систем измерения количества и расхода вещества 149
5.2. Определение погрешности измерительного канала магнитного регистратора с частотно-импульсной модуляцией 154
Выводы 162
Предполагаемое продолжение работы 163
Заключение 164
Литература
- Уравнение интегральной частотно-импульсной модуляции. Обзор существующих типов ЧИП. Их классификация
- Методическая погрешность измерительного канала при измерениях мгновенного значения, среднего значения и интеграла аналогового сигнала по времени
- Механизм преобразования шума частотно-импульсного преобразования модулированным ШЧ вторичного прибора в методическую погрешность измерительного канала
- Устройство для измерения метрологических характеристик ЧИП
Введение к работе
В докладе Н.А.Тихонова ХХУІ съезду КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года" указывается на необходимость увеличения объема продукции химической, нефтехимической промышленности, выработки электроэнергии. При тех гигантских объемах добычи нефти и газа, угля и других полезных ископаемых, которые характерны для экономики нашей страны, актуальной экономической задачей является правильный учет количества производимого продукта и его расхода в различных отраслях промышленности.
Не случайно поэтому в XI пятилетке "Возрастет выпуск ... приборостроения ... значительно расширится производство миниатюрных электронных управляющих машин как составной части основного технологического оборудования, приборов, различных систем и средств управления и контроля". При этом упор сделан на производство новых более точных и надежных средств измерения, создающих надлежащий уровень метрологического обеспечения важнейших отраслей промышленности и производства.
Особенно интенсивно развиваются измерения разнообразных неэлектрических величин электрическими методами, базирующиеся на применении первичного измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую /I/ и вторичного электрического измерительного преобразователя или прибора. Среди первичных преобразователей главенствующее место занимают модуляционные преобразователи /2/, которым присущи наиболее высокие метрологические характеристики.
По виду носителя информации модуляционные преобразователи подразделяются на модуляторы с синусоидальным несущим и импульсные моделяторы.
В свою очередь по виду модулируемого параметра модуляторы с синусоидальным несущим подразделяются на преобразователи с амплитудной (AM), фазовой (ФМ) и частотной модуляцией (ЧМ).
На основе AM строятся первичные индуктивные преобразователи, преобразователи с тензометрами /3,4/, на основе ФМ - ультразвуковые расходомеры, измерительные преобразователи перемещения, преобразователи на/?С и RL делителях /3/; на основе ЧМ - первичные преобразователи телеизмерительных систем дальнего действия /5/.
Вопросы оценки точности преобразователей с синусоидальным несущим рассмотрены в ряде фундаментальных работ /2,4/.
Импульсные модуляторы по виду модулируемого параметра подразделяются на преобразователи с амшштудно- (АИМ), фазо- (ФИМ), широтно- (ШИМ),частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ). Указанные преобразователи имеют то преимущество перед преобразователями с синусоидальным несущим, что они позволяют осуществить временное разделение каналов /5/, в связи с чем возможно уплотнение информации в канале передачи данных.
Вопросы оценки точности устройств, содержащих в своем составе импульсные модуляторы и демодуляторы, а также исследования по их помехоустойчивости изложены в работах /2,4,64-9/.
Среди импульсных модуляторов широкое распространение получили модуляторы с ЧИМ. Как известно /4/, системы с ЧИМ обладают более высокой помехоустройчивостью к аддитивным и флуктуационным помехам, чем системы с АИМ.
В этой связи значительный интерес представляют собой модуляторы с ЧИМ - аналого-частотные преобразователи (АЧП) или, как их еще называют, частотно-импульсные преобразователи (ЧИП), которые нашли весьма широкое распространение в информационно-измерительных системах (ИИС) и интегрирующих приборах, предназначенных для измерения мгновенных и усредненных параметров технологических процессов, количества и расхода различных продуктов производства.
Судя по литературе, они используются в технике магнитной записи (магнитографы с частотно-импульсной модуляцией) /10/; при измерении неэлектрических величин /11,12/, малых токов и напряжений /13/; при моделировании в биологии /14/; в качестве узлов цифровых вольтметров /15/. Особенно широкое распространение они получили в системах дозирования, измерения количества и расхода вещества /16/. И это не случайно.
Б ЧИП измерительная информация представляется в виде импульсных сигналов, частота следования которых модулируется измеряемой величиной, что создает им ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми преобразователями, основные из которых следующие:
- простота построения;
- сравнительно высокая точность в режиме статических измерений;
- простота преобразования в цифровую форму, что используется при построении цифровых вольтметров с частотно-импульсным преобразованием;
- практическое отсутствие погрешности при коммутации и передаче частотно-импульсных сигналов на расстояние.
Принцип построения любого ЧИП основывается на частотно-импульсной модуляции (ЧИМ), которая, как известно /17/, может быть 1-го и 2-го рода. Указанные виды ЧИМ различаются тем, что при модуляции 1-го рода мгновенное значение модулируемого параметра (выходного сигнала) определяется мгновенными значениями модулирующей функции (входного сигнала) в моменты срабатывания импульсного элемента, в то время как при ЧИМ 2-го тюда значение модулируемого параметра определяется функционалом от модулирующей функции на интервале времени между следующими друг за другом импульсами.
ЧИМ 1-го рода в измерительных ЧИП применения не нашла. Чаще
всего на основе ЧИМ 1-го рода строятся элементы (узлы) систем ав хТ например, интегралом
-8 томатичеекого регулирования. В измерительной технике при построении ЧИП весьма широкое распространение получила интегральная ЧИМ (ИЧИМ),как разновидность ЧИМ 2-го рода. Феноменологическая,построенная на основе физических представлений,и математическая модели ЧИП,в основе которых лежит уравнение ИЧИМ,а также вторичного прибора (частотомера или демодулятора),будут рассмотрены в главе I. Здесь же необходимо отметить, что существует ряд работ, посвященных вопросам метрологических исследований ЧИП в статическом и динамическом режимах. Основные из них посвящены установлению номенклатуры нормируемых метрологических характеристик и методов их определения /2,11,18 22/.
Так, в качестве метрологических характеристик ЧИП в статическом режиме рекомендуется нормировать: статическую модуляционную характеристику преобразования; нелинейность статической характеристики преобразования /2/; погрешность от нестабильности напряжения срабатывания порогового элемента /20/; методическую погрешность (в статике) ,связанную с конечностью интервала времени усреднения при измерении частоты следования импульсов на выходе ЧИП /11,19/.
Среди динамических характеристик ЧИП, рекомендуемых для нормирования в нормативно-технической документации, следует назвать ам-плитудно- и фазо-частотные характеристики /2,20,22,23/,длительность переходного процесса при скачке входного сигнала /20,21/.
Однако уровень научно-методического обеспечения ИК с ЧИП,существовавший на момент начала данной работы, не позволял осуществить корректную оценку погрешности ИК,в частности,в режиме изменяющегося входного сигнала.Это связано с тем обстоятельством,что в указанной номенклатуре метрологических характеристик отсутствует,прежде всего, методическая погрешность ИК fпроявляющаяся в режиме изменяющегося входного сигнала.Эта специфическая для данного класса средств изме т/
В дальнейшем,вместо словосочетания измерительный канал ЧИП вторичный прибор будет использоваться обозначение ИК рений погрешность вызывается наличием в частотно-модулированном сигнале / на выходе ЧИП \ составляющих комбинационных частот шума частотно-импульсного преобразования /2,24/, в свою очередь, возникающих из-за квантования производящего процесса ( фазы ) при частотно-импульсном преобразовании /II/ и "просачивающихся" на выход вторичного прибора. Методическая погрешность ИК зависит от вида и параметров фильтра вторичного прибора; она может принимать значения, намного превышающие значения других составляющих погрешности. Кроме того, нормирование амплитудно- и фазо-частотных характеристик для большинства ЧИП вряд ли целесообразно, так как последние по каналу полезного сигнала ( за исключением узкой группы преобразователей -ЧИП уравновешивающего преобразования ) безынерционны.
Указанные недостатки в нормировании метрологических характеристю ЧИП приводят к тому,что от преобразователей зачастую ожидают таких точностных и технических характеристик, которые получить принципиально невозможно, либо, наоборот, недооценивают их потенциальных возможностей.
В качестве примера можно привести нормирование характеристик в технической документации на ЧИП /модулятор) , входящий в кшплект бортовой измерительно-регистрирующей системы БИРС /25/, где записаны несопоставимые между собой технические и метрологические характеристики преобразователя:
- глубина модуляции - до 40 %;
- соотношение между полосой частот модулирующего сигнала и несущей частотой - 1:5;
- нелинейность статической модуляционной характеристики - не более I %.
Следует отметить, что при указанном отношении полосы частот модулирующего сигнала к несущей и значении глубины модуляции ЧИП модулятор-демодулятор работает в зоне существенной нелинейности, в которой значение методической погрешности ИК может превысить 10 %. В связи с этим нормируемая нелинейность статической модуляционной характеристики оказывается пренебрежимо малой по сравнению с методической погрешностью ИК, которая в документации не нормируется. В качестве второго примера можно привести техническую документацию на блок модуляторов-демодуляторов БМД сейсморазведоч-ной аппаратуры "ПОИСК" /26/, в которой( при той же нелинейности статической модуляционной характеристики) отношение полосы частот модулирующего сигнала к несущей допускается не более I : 17,5. В этом случае можно ожидать обратную картину.
Естественным требованием практики является обеспечение возможности, с одной стороны, корректной оценки погрешности ИК при заданном виде и параметрах входного сигнала( в том числе и изменяющегося); с другой - построения ИК( выбора параметров модулятора и демодулятора) ,исходя из минимума погрешности ИК ( в том числе и построения оптимального модулированного фильтра демодулятора ) .
Уровень метрологических исследований ( как теоретических, так и методических) ЧИП и ИИС Е ЧИП на момент начала настоящей работы не позволял решать перечисленные и многие другие задачи по анализу точности и синтезу указанных систем. Необходимо было провести, в первую очередь, ряд теоретических исследований.
Настоящая работа в своей теоретической части является естественным продолжением разработок, проведенных в /24,27,28/, где исследовались: механизм частотно-импульсного преобразования, как один из способов дискретного преобразования информации ( исследовался эффект квантования фазы ) /27/; статистическая оценка шума частотно-импульсного преобразования /24/; обратимость частотно-импульсного преобразования ( возможность восстановления модулирующей функции по частотно-модулированной импульсной последовательности - аналог тео ремы Котельникова для ЧИМ ) /28/;фильтрация частотно-модулированной
_- Если не применяется оптимальный модулированный фильтр.
-II последовательности импульсов /24/.
Перечисленные работы позволили поставить теоретические исследования, направленные на решение ряда метрологических задач. Это касается вопроса исследования методической погрешности ИК и ,прежде всего, в режиме изменяющегося входного сигнала, для чего предваритель но потребовалось проведение аналитических исследований:
-механизма частотно-импульсного преобразования на основе математической модели, построенной, в свою очередь, согласно обобщенной структурной схеме ЧИП, и уравнения интегральной частотно-импульсной модуляции;
-шума частотно-импульсного преобразования, как источника методической погрешности ИК;
-механизма преобразования шума частотно-импульсного преобразования ( в процессе демодуляции и низкочастотной фильтрации ) в методическую погрешность ИК.
Для выработки подхода к нормированию метрологических характеристик ИК в режиме изменяющегося входного сигнала необходимо было провести количественные исследования методической погрешности ИК г в динамическом режиме ) методом моделирования ИК на ЭВМ, что, в свою очередь, предусматривало решение следующих задач:
-выделение методической погрешности ИК и установление вида входного ( испытательного ) сигнала, при котором среднее квадрати-ческое отклонение ( с.к.о. ) указанной погрешности имеет максимальное значение;
-определение области квазилинейной работы преобразователя ( динамического диапазона амплитуд и полосы частот входного сигнала ) ,в пределах которой методическая погрешность ИК не превышает заданного значения;
-установление зависимости между параметрами методической погрешности ИК, видом фильтра вторичного прибора и параметрами модуляции.
Прикладные задачи исследования ЧИП и ИК в целом, связанные с установлением номенклатуры нормируемых метрологических характеристик, методов их экспериментального определения и методики расчетной оценки погрешности ИК ( в том числе и в режиме изменяющегося входного сигнала ) потребовали:
-разработки методики экспериментального определения метрологических характеристик ЧИП;
-разработки программного обеспечения обработки результатов экспериментального исследования на ЭШ;
-разработки аппаратуры для эксперментального определения характеристик ЧИП, позволяющей вести обработку результатов эксперимента на ЭШ а процессе проведения измерения;
-разработки методики расчетной оценки погрешности ИК.
Помимо перечисленных задач по анализу точности ИИС с ЧИП,могут быть сформулированы следующие задачи:
-синтез оптимальных модулированных фильтров, минимизирующих методическую погрешность ИК;
-синтез ИК, содержащих ЧИП;
-сопоставительный анализ между частотно-импульсным и другими видами преобразования ( в частности, кодо-имцульсным ) по значению методической погрешности ИК в полосе частот модулирующего сигнала.
Однако последние три из вышеперечисленных задач в настоящей работе решения не нашли, так как вышли за тот круг вопросов,который затрагивается в диссертации.
Резюмируя вышесказанное, можно сформулировать ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Создание научно-методических основ анализа погрешности информационно-измерительных систем с ЧИП накопительного класса и построение систем с заданным уровнем методической погрешности.
РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ. Теоретические. Выделение, анализ свойств и спектрального состава шума частотно-импульсного преобразования в ЧИП; исследование механизма преобразования шума частотно-импульсного преобразования в методическую погрешность ЙК; исследование методической погрешности ИК.
Методические, Установление номенклатуры нормируемых метрологических характеристик измерительных систем,содержащих ЧИП ( на примере интегрирующих приборов и измерительного канала магнитного регистратора с ЧИМ ) ; построение таблиц максимальной и среднего квад-ратического отклонения методической погрешности ИК для двух граничных по полосе прозрачности видов фильтра; разработка методики определения метрологических характеристик, методики расчетной оценки погрешности измерительных систем указанных видов в режиме изменяющегося входного сигнала.
Аппаратурные» Разработка устройства для определения метрологических характеристик ЧИП (УЙМХ АЧП ) предназначенного для совместной работы с ЭВМ; разработка блоков программ для обеспечения обработки результатов экспериментальных исследований ЧИП на ЭВМ.
МЕТОДЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ. Аналитический с привлечением математического аппарата теории обобщенных функций, теории автоматического регулирования, математической статистики и случайных процессов; путем моделирования ИК на ЭВМ.
Содержание работы изложено во введении, пяти главах, выводах, заключении и приложениях.
В первой главе проанализирована специфика появления методическое погрешности ИК как в статике,так и в динамике;сформулированы задачи теоретического исследования;приведен обзор ЧИП и показано,что значительное число видов ЧИП описывается уравнением ИЧИМ;построены обобщенная структурная схема и математическая модель ЧИП;показано,что математическая модель ЧИП может быть распространена на широкую совокупность видов ЧИП, в основе которых лежит уравнение ИЧИМ.
Во второй главе исследован механизм частотно-импульсного преобразования; показано, что ЧИП может быть представлен эквивалентной схе -14-мой,содержащей параллельно соединенные канал полезного сигнала с коэффициентом передачи I и канал шума частотно-импульсного преобразования; проведено аналитическое исследование шума как источника появления методической погрешности ИК, в том числе, анализ его спектрального состава; показано, что всем трем случаям применения ЧИП в системах измерения мгновенного, среднего и интеграла аналогового сигнала по времени присуща методическая погрешность ИК, первому, кроме того, - динамическая.
В третьей главе изложены принятые при исследовании методической погрешности ИК исходные предпосылки; доказана правомерность использования в ИК измерителя частоты через примыкающие интервалы времени; подтверждено, что "наихудшим" видом модулирующего сигнала в смысле максимума средне квадратического отклонения методической погрешности ИК является сигнал синусоиды с частотой, соответствующей верхней границе полосы входного сигнала; проведен анализ результатов исследования методической погрешности путем моделирования ИК на ЭВМ.
В четвертой главе дан обзор работ по анализу инструментальных погрешностей ЧИП, а также причин их возникновения; изложены методики экспериментального определения метрологических характеристик ЧИП, входящих в состав устройства измерения количества и расхода вещества, а также устройства измерения мгновенного значения входной величины; проведено аналитическое исследование переходного процесса в ЧИП; описано устройство для измерения метрологических характеристик ЧИП ( УИМХ АЧП ) ; приведены результаты экспериментальных исследований серийно выпускаемых устройств, содержащих в своем составе ЧИП; проведен анализ результатов экспериментальных исследований метрологических характеристик ЧИП; дана оценка точности проведения экспериментальных исследований.
В пятой главе даны методики определения погрешности систем измерения количества и расхода вещества, измерительного канала магнитного регистратора, содержащего ЧИП.
В приложениях содержатся описания программ моделирования ИК на ЭШ "БЭСМ-б" и обработки экспериментальных данных на ЭШ "Мир-2"; методика определения метрологических характеристик измерительного канала магнитного регистратора с ЧИП типа "БИРС".
В работе в качестве научного консультанта по вопросам теории частотно-импульсной модуляции принял участие к.т.н., доцент МИРЭА Г.К.Чигарьков.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Идеализированный ЧИП может быть представлен эквивалентной схемой, содержащей параллельно соединенные канал полезного сигнала с коэффициентом передачи I и канал шума частотно-импульсного преобразования, являющегося источником появления методической погрешности ИК с ЧИП.
2. Измеритель частоты через примыкающие интервалы времени представляет собой модулированный фильтр, полоса прозрачности которого перестраивается модулирующим сигналом. В реально возможных режимах работы измерительного канала последний может рассматриваться как квазистационарный ШЧ, в связи с чем на его выходе практически отсутствуют искажения, свойственные нестационарным модулированным фильтрам, и его применение в составе измерительного канала допустимо.
3. Среднее квадратическое отклонение методической погрешности ИК достигает максимального значения при синусоидальном входном ( испытательном ) сигнале, частота которого соответствует верхней границе полосы указанного сигнала.
4. Полученные путем моделирования ИК с ЧИП на ЭВМ числовые значения ( таблицы ) характеристик методической погрешности ИК позволяют по заданному допустимому уровню указанной погрешности устанавливать допустимые динамический диапазон амплитуд и полосу частот входного сигнала ЧИП.
Уравнение интегральной частотно-импульсной модуляции. Обзор существующих типов ЧИП. Их классификация
Среди ЧИП может быть выделена группа преобразователей, в структурной схеме которых физически присутствуют звено интегратора, схема сравнения и формирователь импульсов. Это,так называемые, ЧИП с накоплением. Можно показать, что уравнения ИЧИМ (1.5.) , (1.5.а.) лежат в основе не только преобразователей с накоплением,а широкого класса преобразователей, структурная схема которых чаще всего не содержит вышеуказанных звеньев. Среди измерительных ЧИП можно различить преобразователи с равномерной (ЧИПр) и неравномерной(ЧИПн)последовательностью импульсов. ЧИПр при неизменном входном сигнале формирует на своем выходе равномерную последовательность импульсов, ЧИПн, по существу, являются сложными устройствами, в которых из равномерной последовательности по определенному закону исключаются некоторые из импульсов. Преобразователи второй группы рассматриваться в настоящей работе не будут, так как на практике встречаются довольно редко,и,кроме того,довольно глубоко исследованы в работе /29/.
Поскольку при ИЧИМ имеет место импульсная структура сигнала,то приращение фазы Аік между передними фронтами двух рядом расположенных импульсов на выходе ЧИП равно 2т .Интервал времени между рядом расположенными импульсами может быть определен из следующего выражения:
Осуществим классификацию видов ЧИП 1. По типу структурной схемы: ЧИП прямого преобразования; ЧИП уравновешивающего преобразования с замкнутой структурной схемой. 2. По принципу действия /II/: ЧИП с частотнозависимыми системами; ЧИП развертывающие и интегрирующие; ЧИП статистические.
Общая классификация ЧИП приведена в таблице I. Остановимся более подробно на каждой группе преобразователей, классифицированных по принципу действия.
ЧИП с частотнозависимыми системами Собственная частота частотнозависимых систем изменяется под действием измеряемой величины. В качестве указанных систем наиболее часто используются механические (язычковые, струнные, мембранные, маятниковые, камертонные, стержневые) или электрические {RLyRC}LC - контуры) цепи. ЧИП с частотнозависимои системой могут быть как нерезонансного типа, так и резонаторнне. Первые работают на квазирезонансе частотнозависимои системы и чаще всего строятся на основе RC}RL - генераторов /30/, вторые в качестве основного узла имеют резонатор с перестраиваемой под действием измеряемой величины собственной частотой колебания. Электрический резонатор с сосредоточенными параметрами, как правило, строится на основе LC - контура. Преобразователи с электрическими резонаторами используются для измерения перемещения (механическое перемещение преобразуется в параметр индуктивности /31/), силы (последняя преобразуется в зазор, а он, в свою очередь, - в параметр индуктивности /32/), давления (которое преобразуется в зазор, а далее - в параметр емкости /33/). Электромагнитный резонатор с распределенными параметрами (эндовибратор) имеет собственную частоту, зависящую от размеров полости резонатора и от электромагнитных свойств диэлектрика, заполняющего полость. Чаще всего на их основе строятся ЧИП для измеПри наличии формирователя импульсов, фиксирующего переход синусоиды через нуль, указанные преобразователи могут быть отнесены к ЧИП с интегральной ЧИМ. Действительно, приращение фазы между двумя рядом следующими импульсами определяется выражением ЛУ = 2r = k fctfy f9 (I.IOa) которое характерно для преобразователей с интегральной ЧИМ.
ЧИП с механическими резонаторами, в частности, преобразователи маятникового типа с электростатическим разонатором /36; / и преобразователи струнного типа линеаризованные /37/ при наличии на выходе формирователя импульсов также могут быть отнесены к преобразователям с интегральной ЧИМ.
Ряд ЧИП с механическими резонаторами из-за функциональной нелинейности статической характеристики, по существу, к ЧИП с интегральной ЧИМ отнесены быть не могут. Это, прежде всего, преобразователи с маятниковым резонатором для измерения неэлектрических величин, в частности, линейных ускорений /38/; преобразователи с резонаторами язычкового типа /39,40/; преобразователи с резонаторами, основанными на продольных и поперечных колебаниях (с использованием эффекта магнитострикпии и пьезоэффекта) /II/.
К ЧИП с интегральной ЧИМ могут быть отнесены преобразователи с электроакустическими резонаторами Гельмгольца, в частности, акустический манометр /II/, у которого частота следования выходных импульсов связана с измеряемым давлением линейной зависимостью. Также к ЧИП с интегральной ЧИМ можно отнести преобразователи, использующие эффект ядерного магнитного резонанса /41,42,43/. ЧИП развертывающие и интегрирующие Преобразователи указанной группы могут быть классифицированы - на три подгруппы ( см.таблицу I ) : позиционные, с накоплением, с уносом.
Рассмотрим позиционные преобразователи, а именно тахеометрические /I/ и допплеровские ЧИП /44/. Механизм работы ЧИП данной группы заключается в преобразовании положения подвижной части преобразователя в мгновенную фазу выходного сигнала.
Выходная частота пропорциональна производной положения подвижной части, то-есть скорости ее перемещения. При том же условии применения на выходе преобразователя формирователя импульсов, фиксирующего переход синусоиды через нуль, позиционные ЧИП могут быть отнесены к преобразователям с интегральной ЧИМ.
Широкое применение в технике измерения получили ЧИП с накоплением. Это определяется высокими метрологическими характеристиками преобразователей данного вида, сравнительной простотой схемной реализации, малыми габаритами.
Среди преобразователей указанного типа можно выделить преобразователи с принудительным возвратом /45/, с изменением направления интегрирования /46/, с чередующимися накопителями /47/, с импульсной обратной связью /48/. Последние, в свою очередь, подразделяются на ЧИП с перезарядом емкости "эталонного" конденсатора /49/, с использованием в узле обратной связи элемента с прямоугольной петлей гистерезиса /50/, с компенсацией "эталонным" напряжением в течение "эталонного" времени. Все перечисленные преобразователи могут быть отнесены к ЧИП с интегральной ЧИМ.
-26 ЧИП с уносом строятся, как правило, либо в виде ультразвуковых преобразователей, либо расходомеров с метками /52/. В указанных преобразователях сформированная возбудителем метка или импульс ультразвуковых колебаний движутся в одну сторону, так что их возврат невозможен. При достижении меткой или импульсом приемника возбудителем формируется очередная метка или импульс. рения уровня или объема жидкости /34,35/.
Методическая погрешность измерительного канала при измерениях мгновенного значения, среднего значения и интеграла аналогового сигнала по времени
Как было указано в начале главы, ЧИП чаще всего используется в системах, предназначенных для измерения следующих параметров аналогового сигнала: - мгновенного значения, - среднего значения на заданном интервале времени, - интеграла от аналогового сигнала за определенный промежуток времени.
Каждый из перечисленных случаев применения ЧИП характеризуется наличием методической погрешности ИК, для одного из них, весьма существенной может оказаться динамическая составляющая погрешности ИК. Рассмотрим более подробно каждый из перечисленных случаев.
Использование ЧИП в системах измерения мгновенного значения аналогового сигнала
На практике подобное измерение осуществляется измерительными магнитографами и телеизмерительными системами с ЧИМ. При этом в качестве вторичного прибора используются либо демодулятор, либо преобразователь интервала времени в код с последующим вычислением частоты. Прежде всего, целесообразно внести некоторые уточнения в понятие измерения мгновенного значения аналогового сигнала с помощью системы, имеющей в своем составе ЧИП. Дело в том, что ив-меряемым параметром выходного сигнала ЧИП является частота. Как известно, эта величина может быть определена только на каком-то конечном интервале времени и,следовательно, измерение ее мгновенного значения принципиально невозможно. Возникает необходимость так подобрать по параметрам демодулятор, чтобы появляющаяся на его выходе величина максимально "близко отслеживала изменяющееся мгновенное значение аналоговой величины на выходе ЧИП.
При этом реально может оцениваться погрешность только совокупности ЧИП + демодулятор.
В общем виде выражение для погрешности результата измерения мгновенного значения аналогового сигнала, определяемого с помощью идеализированного ИК, можно записать: где /7 (г) - импульсная реакция демодулятора; г і s JL - статический коэффициент преобразования ЧИП, имеющий для преобразователя напряжение - частота размерность Гц/В; ДУш(4) динамическая погрешность Ж от сглаживания информативной составляющей сигнала в фильтре демодулятора; д /4) - методическая погрешность Ж от шума; частотно-импульсного преобразования, проникающего на выход демодулятора. Требования к минимизации обеих составляющих погрешности Ж (АУлик Ш. Ан({)) в случае использования во втоичном приборе стационарного ФНЧ с постоянными параметрами взаимно противоположны, Как будет показано ниже, эта задача может быть решена применением оптимального модулированного (квазистанпионарного) ФНЧ. Использование ЧИП в устройствах измерения среднего значения аналогового сигнала на заданном интервале времени
Весьма широкое распространение в измерительной технике получили аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с промежуточным пре образованием аналоговой измеряемой величины в частоту следования импульсов /15/. Это объясняется тем обстоятельством, что само частотно-импульсное преобразование является весьма удобной формой дискретизации аналоговых сигналов. На практике известны три вида схем построения АЦП, включающих в своем составе ЧИП: 1) с непосредственным преобразованием измеряемой величины в частоту следования импульсов; 2) с обратной связью по постоянному напряжению; 3) с ЧИП переменной крутизны.
Специфику использования ЧИП в АЦП лучше всего проанализировать на работе АЦП первого из перечисленных видов построения. Его структурная схема изображена на рис.2.3. Измеряемый аналоговый сигнал преобразуется частотно-импульсным преобразователем ЧИП в последовательность импульсов, которые поступают на вход селекторного устройства СУ. Последнее управляется от таймера (задатчика базового интервала времени Т ) и в течение указанного интервала времени пропускает импульсы на вход счетчика. Сосчитанное на счетчике количество импульсов N после умножения на коэффициент преобразования АЦП и является значением измеряемого сигнала, усредненным за интервал времени / .
Механизм преобразования шума частотно-импульсного преобразования модулированным ШЧ вторичного прибора в методическую погрешность измерительного канала
Исследование измерителя частоты через примыкающие интервалы времени, рассмотрение его в качестве вторичного прибора ИК присле дует следующие цели: установление динамической характеристики пре образования ФНЧ указанного прибора; обоснование квазистационар ности ФНЧ, а, следовательно, возможности использования прибора в составе ИК; оценка динамической составляющей погрешности ИК при заданном виде сигнала на входе. Определение частоты следования импульсов на выходе ЧИП id) измерителем частоты через примыкающие интервалы времени осуществляется с помощью следующих операций /79/: накопления фазы (интегрированием мгновенной частоты (т) (2.6) в пределах одного цикла преобразования); приближенного дифференцирования &± , имеющего место при измерении частоты любым способом; интерполяции точечных значений частоты внутри временного интервала, соответствующего циклу преобразования ЧИП, методом ступенчатой аппроксимации (рис.3.1). Тогда (і) определяется: гл UHJWf ««-а (3.13) U)(i) Рис .3.1. -кН -75 Измеритель частоты в соответствии с формулой (3.13) осуществля ет фильтрацию при ретроспективной обработке совокупности эксперимен тальных данных (что обеспечивается с помощью ЭВМ ) ,но не реализуем физически в реальном масштабе времени. Измеритель частоты в соответ ствии с формулой ( 3.13 a ) f(t) = ±-jj(f)Jf (3.іЗа) физически реализуем и в реальном масштабе времени,но,наряду с амплитудной погрешностью,вносит фазовую задержку,переменную во времени. л Представим (-1:) с помощью интеграла Фурье: Ь±)=ИШ (ЗЛ4) - ОО Подставив (3.14 )в (3.13) после несложных преобразований ,получим: W = 2i U№ - ГЛ (3.13d) Z Как следует из (3.13 б ) ,при измерении частоты $.щ через примыкающие интервалы времени имеет место низкочастотная фильтрация (4:) осуще ствляемая нестационарным ФНЧ с амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) следующего вида: , usJk&J на интервале Т- " Г ./ . Граничная частота ФНЧ кусочно-постоянна на каждом интервале/А;" +/ и равна и)Ск =тг= - - - Ее ли воспользоваться выражением для (-6) (2.6), то hH/rt t + i/S" (ЗЛ6) t Lk t T Первое слагаемое правой части (3.16) представляет собой сглаженное в ФНЧ значение /() второе слагаемое (ЗЛб) - методическую погрешность ИК AN(i)
Согласно (3.15), ФНЧ измерителя частоты через примыкающие интервалы времени является модулированным, а, следовательно, и нестационарным фильтром во времени. Это, в свою очередь, может привести к тому, что в выходном сигнале указанного ФНЧ появляется квазигармонические спектральные составляющие, отсутствующие во входном сигнале фильтра. Как известно /59/, условие квазистационарного неискаженного воспроизведения модулированного сигнала на выходе фильтра имеет весьма простой физический смысл: процессы в фильтре квазистационарны, если период модуляции сигнала достаточно велик по сравнению со временем установления колебаний в фильтре. Время установления колебаний в фильтре обратно пропорционально его полосе прозрачности /59/: Приближенные выражения условия квазистрационарного воспроизведения частотно-модулированных колебаний на выходе одноконтурного и двух контурного фильтров представляют собой /59/: Ли) . Ы. 2Г ли) , (ЗЛ9) где Л и) - девиация частоты на выходе модулятора; JS= 4у- - индекс частотной модуляции; j - частота модулирующего сигнала. Как. правило, измерительные каналы с ЧИП работают в режиме широкополосной частотно-импульсной модуляции (вя 1 ) В этом случае условия (3.2) выполняются и фильтр измерителя частоты через примыкающие интервалы времени может считаться квазистационарным. Также можно показать, что динамическая погрешность Ж. вызванная сглаживанием полезной составляющей выходного сигнала ЧИП в ФНЧ вторичного прибора, в случае применения измерителя частоты через при -77 мыкающие интервалы времени пренебрежимо шла по сравнению с суммарной погрешностью Ж, содержащей как динамическую, так и методическую составляющие.
Действительно, учитывая (3.15), выражение для динамической относительной погрешности ИК можно записать в следующем виде: «S дии=І - 4in 4Pyjzr f \ _(ML, (3.20) где Л-2їїгм - циклическая частота модулирующего сигнала 1 - частота следования импульсов на выходе ЧИП При -р- =0,2 относительное значение динамической погрешности ИК составляет 5- 6,5$; при -у— = 0,01 иц = 0,017$. Для тех же значений отношения-Е— суммарная погрешность Ж принимает значения 60$ и д% соответственно. Таким образом составляющей динамической погрешности можно пренебречь и считать, что суммарная погрешность Ж в этом случае в основном ощзеделяется методической составляющей погрешности.
Б качестве другой разновидности вторичного прибора при построении алгоритма моделирования используется преобразователь, выделяющий из выходного сигнала ЧИП сигнал модулирующей частоты. Указанный преобразователь строится на сочетании измерителя частоты через примыкающие интервалы времени (с последующей ступенчатой аппроксимацией результата) и метода гармонического анализа І унге-Эмде (2У-«?4). Данный преобразователь имеет фильтр с минимально возможной полосой прозрачности (вокруг частоты модулирующего сигнала).
Устройство для измерения метрологических характеристик ЧИП
Из условия, что второй этап заканчивается при Ц/т 9 находим "7 ;2 - длительность второго этапа первого цикла. Подставляя в (4.33), (4.34) вместо лі: величину 7 , находим UCA (Ъ,1 + Ъ + ТІ,2) , Uet (Тн(г-+2 +Т4/2) - потенциалы, до которых заряжаются емкости СІ , Cz в течение второго этапа первого цикла.
Длительность второго этапа любого из последующих циклов совпадает с длительностью второго этапа первого цикла. Этот вывод можно сделать, исходя из того обстоятельства, что начальные условия после коммутации (4.32) для второго этапа первого и последующих циклов остаются неизменными. Также неизменным является условие окончания 2-го этапа: U&(і) -Un. В /91/ показано, что повышение порядка дифференциального уравнения, описывающего интегратор ЧИП, приводит к статической нелинейности преобразователя.
Настоящее исследование проводилось в предположении, что неидеальным является интегратор ЧИП, в то время как остальные узлы преобразователя идеальны. Весьма просто можно показать, что наличие задержки в срабатывании схемы сравнения, а также в формировании выходного импульса не приводит к появлению переходного процесса.
Таким образом можно сделать вывод о том, что ЧИП накопительного класса с разомкнутой структурной схемой /85/ и с импульсной обратной связью /92/ безынерционны. Это обстоятельство является весьма важным при установлении номенклатуры нормируемых метрологических характеристик ЧИП в динамике и методов их экспериментального определения.
Для обеспечения задания входного тестового сигнала, измерения примыкающих интервалов времени на выходе ЧИП, а также обеспечения ввода результатов измерения в ЭВМ "Мир-2" было разработано и изготовлено "устройство для измерения метрологических характеристик ана-лого-частотных преобразователей" (УИМХ АЧП).
Указанное устройство осуществляет: - преобразование примыкающих интервалов времени в цифровой код; - передачу кода в ЭВМ по тетрадам; - формирование в конце передачи кода очередного примыкающего интервала времени служебного сигнала "конец отсчета", в конце передачи массива кодовой информации - "конец массива"; - ограничение числа кодовых посылок, переданных в ЭВМ, либо числа периодов модулирующей частоты, в течение которых в ЭВМ поступали кодовые посылки; - формирование сигнала, соответствующего переходу синусоиды модулирующей частоты через нуль (с положительной производной); - формирование служебных сигналов для.связи с ЭВМ "Мир 2"; - формирование скачкообразно изменяющегося сигнала напряжения (тока), сдвигаемого на произвольный отрезок времени относительно выходных импульсов ЧИП /93,94/.
На рис.4.7 представлена фотография указанного устройства. Блок-схема УИМХ АЧП, реализующего перечисленные функции, изображена на рис.4.8. Схема электрическая принципиальная УИМХ АЧП представлена на рис.4.9, 4.10 (узел задания скачкообразно изменяющегося сигнала).
УИМХ АЧП состоит из следующих узлов: нуль-органа, узла управления "распаковкой" и связи с ЭВМ, схемы "распаковки" тетрад, узла управления преобразованием ЧИМ-код, кварцевого генератора, делителя частоты, счетчика I (CW), счетчика 2 (Cz2) счетчика числа периодов огибающей, компаратора I, компаратора 2, узла согласующих ключей, счетчика длины массива, узла задания скачкообразно изменяющегося сигнала напряжения (тока).
Рассмотрим назначение и устройство каждого из узлов в отдельности. Нуль-орган (Н.О.) предназначен для формирования сигнала положительной полярности в момент перехода синусоидального сигнала модулирующей частоты (огибающей) через нуль (при положительной производной). аналоговом прерывателе ДІ6-3 (IKT0IIA), операционном усилителе ГІ6-5 (ІУТ40ІБ), дифференциальном усилителе BI6-7 (ІУТ22ІБ), аналоговом прерывателе БІ6-7 (IKT0IIA), схемах "ЗИ-НЕ" БІЗ-3, БІЗ-6, БІЗ-8, БІЗ-ІІ (ІЛБ334). Сумматор построен на операционном усилителе AI6-5 (ІУТ53ІА).
Узел "управления распаковкой" и связи с ЭВМ предназначен для управления последовательной (по тетрадам) выдачей кода интервала времени (с выхода счетчиков Cz C-zZ) на информационные шины схемы "распаковки" тетрад; формирования служебных сигналов для ЭВМ "Мир-2" - "конец отсчета", "конец массива". Он построен на следующих элементах: Д-триггерах В7-6, Б8-6, Б8-8, Б9-6, Б9-8 (ITK332), схемах "2И-НЕ" А8-3, А8-6, А8-8, A8-II (ІЛБЗЗЗ), схеме "ЗИ-НЕ" A9-I2 (ІЛБ334), схемах "2И-НЕ" Д2-3, Д2-6, Д2-8, Д2-ІІ, ДЗ-3, ДЗ-6, ДЗ-8, ДЗ-И, Д4-3, Д4-6, Д4-8, Д4-ІІ (ІЛБЗЗЗ).
Узел "распаковки" тетрад предназначен для последовательной выдачи (по тетрадам) кода интервала времени на согласующие ключи. Он построен на следующих элементах: схемах "2И-ЫЕ" ГЗ-3, ГЗ-ІІ (ІЛБЗЗЗ), схемах "И-НЕ" Г4-І, Г4-4, Г4-ІЗ, Г5-І, Г5-4, Г5-І0, Г5-ІЗ, Г6-І, Г6-4, Г6-І0, Г6-ІЗ, Г7-І, Г7-4, Г7-І0, 17-13, Г8-І, Г8-4, Г8-І0, Г8-ІЗ, Г9-І, Г9-4, Г9-І0, Г9-ІЗ, ГІ0-І, ГЮ-4, ГІ0-І0, ГІ0-ІЗ (ІЛБЗЗЗ).
Узел управления преобразованием ЧИМ-код предназначен для управления работой счетчиков Cz J, C-z 2 . Он коммутирует частоту заполнения, поступающую из узла дЗштеля частоты на вход Сё V (Сг) , а также осуществляет сброс в начальное состояние счетчиков Сг Y (С"г2.) после передачи кода в ЭВМ. Он построен на следующих элементах: "Д"-триггере Д1-5 (ITK332), схемах "2И-НЕ" БЮ-3, БЮ-6, БЮ-8, БІ0-ІІ, Б8-3, Б8-6 (ІЛБЗЗЗ), схемах "ЗИ-НЕ" А9-9 (ІЛБ334), схемах "2И-НЕ" АІЗ-8 (ІЛБЗЗЗ).
