Введение к работе
Актуальность темы. Во многих областях производства и жизнедеятельности востребованы информационно-измерительные системы (ИИС), осуществляющие преобразование, прием и передачу измерительной информации в диапазоне от 0 01 Гц до 12 кГц, то есть в области инфранизких (ИНЧ) и начале диапазона низких частот (НЧ) К таковым системам, которые в дальнейшем будем называть низкочастотными ИИС (НИИС), можно отнести
1) Некоторые ИИС телеметрии и телеуправления В частности, систе
мы тетеметрии и телеуправления
станций катодной защиты на предприятиях нефте- и газодобычи,
неразрушающего контроля штанговых глубинных нефтяных насосных установок
НИИС спектральной вибродиагностики
НИИС медицины - лечебно-диагностические приборы и системы биорезонансной терапии
Также в последние десятилетия открылась информация о радиосистемах, работающих в диапазоне крайне низких частот - от 3 Гц до 3 кГц - так называемые КНЧ-радиосистемы КНЧ-радиосистемы наиболее широкое применение нашли в военном подводном флоте
Для обработки измерительной информации с достоверностью, удовлетворяющей техническим условиям, в процессе разработки, промышленного производства и технического обслуживания перечисленных НИИС востребованы операции метротогических оценок их определяющих характеристик, в том числе оценки параметров амплитудно-фазочастотных характеристик (АФЧХ) линейных четырехполюсных элементов информационно-измерительных каналов, входящих в НИИС Для чего необходимы соответствующие высокоточные ИИС, позволяющие измерять значения АФЧХ с высокой разрешающей способностью по частоте - свыше нескольких тысяч частотных выборок в диапазоне измерения, а также с низкой погрешностью измерения значений АЧХ и ФЧХ
Ручные высокоточные методы анализа АФЧХ в области ИНЧ и НЧ неэффективны, так как для проведения измерений без потерь информации о форме кривой АФЧХ требуют получения большого количества частотных отсчетов при больших временных затратах - до нескольких секунд - на получение только одного В течение всего времени оценки на анализируемые узлы влияют колебания окружающей температуры и питающего напряжения, что приводит к дополнительной погрешности измерения АФЧХ
При анализе существующих ИИС параметров АФЧХ установлено, чю применение в них анализаторов Фурье - анализаторов спектра на основе алгоритмов ДПФ или БПФ - позволяет измерять спектр сигнала реакции исследуемого четырехполюсника НИИС с относительной погрешностью менее 0 1% с шагом дискретизации по частоте менее 0 0001 Гц
Однако существующие методы воспроизведения испытательных сигналов для воздействия на исследуемый четырехполюсник не позволяют сформировать в области ИНЧ и в начале области НЧ спектр
4^3
с количеством гармоник в измеряемом диапазоне более 1000, с погрешностью задания амплитудного спектра менее 7%, высокой степенью прямоугольности амплитудного спектра, влияющей на точность и объем вычислений АФЧХ, а также аппаратную и алгоритмическую сложность реализации анализатора Фурье,
с нулевым фазовым спектром, что также влияет на точность и объем операций для вычисления значений АФЧХ, аппаратную и алгоритмическую сложность реализации анализатора Фурье
Таким образом, актуальной является задача воспроизведения тестовых сигналов с высоко прямоугольным спектром с целью повышения точности ИИС параметров АФЧХ четырехполюсников в области ИНЧ и НЧ
Целью работы является разработка метрологического обеспечения ИИС параметров АФЧХ - методов высокоточного воспроизведения испытательных сигналов с прямоугольным спектром в диапазоне 0 01Гц-12кГц, а также разработка структурных схем бдоков ИИС, реализующих разработанные методы, для оценки инструментальной составляющей искажений
Для достижения поставленной цели решены следующие частные задачи
Выполнен анализ основных типовых вариантов структурных схем ИИС параметров АФЧХ, в результате которого выбрана схема, реализующая наиболее эффективные методы анализа спектра выходного сигнала исследуемого узла — на основе алгоритмов ДПФ и БПФ
Проведен анализ характеристик прямоугольности амплитудных и фазовых спектров испытательных сигналов, воспроизводимых существующими методами, при котором оценено их влияние на погрешность, разрешающую способность и скорость метрологической оценки АФЧХ в области ИНЧ и НЧ Также определено направление разработки методов воспроизведения сигналов, позволяющих улучшить перечисленные показатели - разработка методов интерполяции сигналов с прямоугольным амплитудным и нулевым фазовым спектром
Разработаны методы интерполяции сигналов с прямоугольным амплитудным и нулевым фазовым спектром, для интерполяционных кривых которых получены аналитические выражения функций спектров
Исследованы характеристики искажений прямоуюльности спектров воспроизводимых низкочасто гных и у зкополосных равноамплитудных полиномов, вносимых разработанными методами аппроксимации
Исследованы характеристики нелинейности спектров с линейно-меняющейся в логарифмическом масштабе амплитудой, формируемых преобразованием спектров равноамгілитудньїх полиномов и предназначенных для оценки линейности наклонных участков ЛАЧХ
Для анализа инструментальных составляющих искажений спектров воспроизводимых испытательных сигналов разработаны структурные схемы блоков ИИС параметров АФЧХ - формирователей низкочастотных и узкополосных равноамплитудных полиномов, а также амплитудных спектров, линейно меняющихся в логарифмическом масштабе
Методы исследования В работе применялись методы, базирующиеся на комплексном применении основ теории измерений и теории погрешности, а также интерполяционные методы аппроксимации таблично заданных функций, методы спектрального анализа, функционального моделирования информационно-измерительных систем, математического моделирования
Научная новизна состоит в следующем
Разработан комбинированный метод интерполяции равноамплитудного ряда косинусов, для интерполяционной функции которого получены аналитические выражения функций спектра Метод позволяет, измерять значения АФЧХ четырехполюсников с меньшей методической погрешностью и с лучшей разрешающей способностью по частоте, чем существующие методы воспроизведения тестовых сигналов
Разработан упрощенный кусочно-синусоидальный метод интерполяции равноамплитудного ряда синусов, для интерполяционной функции которого получены аналитические выражения функций спектра Степень прямоугольно -сти спектра позволяет измерять АФЧХ с лучшей разрешающей способностью и методической погрешностью, чем существующие методы Метод характеризуется несколько худшей степенью прямоугольности, но меньшейй операционной сложностью математического описания, чем комбинированный метод
На основе цифро-аналоговых способов управления амплиту дой и частотой интерполирующих тригономегрических сигналов разработаны структурные схемы элементов ИИС параметров АФЧХ - формирователей низкочастотных и узкополосных равноамплитудных полиномов, а также сигналов с амплитудным спектром, линейно меняющимся в логарифмическом масштабе, реализующих комбинированный и кусочно-синусоидальный методы Исследованы инструментальные составляющие искажений прямоугольности воспроизводимых низкочастотных спектров, обусловленных формирователями
Практическая значимость результатов работы
Разработанные комбинированный и кусочно-синусоидальный методы формирования позволяют разработать для ИИС параметров АФЧХ четырехполюсников НИИС устройства воспроизведения низкочастотных и узкополосньгх равноамплитудных полиномов со значениями характеристик прямоугольности 8А и кг порядка 0 8% - 6 7% и менее, с количеством частотных отсчетов более 10000 Использование разработанных устройств в ИРІС параметров АФЧХ в области ИНЧ и НЧ позволило уменьшить время анализа до 2 - 3 периодов сигнала воздействия
Реализация результатов работы
Формирователь низкочастотного ряда косинусов реализован в нестандар-тизованном средстве воспроизведения сигналов с прямоугольным спектром для ИИС на базе ПЭВМ и платы ЦАП-АЦП для метрологической оценки параметров АФЧХ узлов контроллера телеметрии и телеуправления ТОСТ 23915423 423295 301 научно-производственного предприятии «АВМТАЗ» (г Оренбург)
Электронные блоки, реализующие кусочно-синусоидальный и комбинированный методы воспроизведения низкочастотных и узкополосных равноам-
плитудных полиномов, введены в лабораторные измерительные установки АФЧХ низкочастотных четырехполюсников Лабораторные установки попользуются для изучения отдельных разделов дисциплины «Технические измерения» на кафедре «Промышленная электроника и информационно-измерительная техника» Оренбургского государственного университета (г Оренбург)
Апробация работы. Основные результата работы были представлены на Всероссийской научно-практической конференции «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2004), на Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием "КомГех2005' и «КомТех2006» (Таганрог, 2005, 2006), на 10-м Юбилейном международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке» (Харьков, 2006), на V Всероссийской научно-практической конференции «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2006), на всероссийской научно-технической конференции «Энергетика состояние, проблемы, перспективы» (Оренбург, 2007)
Основные положення, выносимые на защиту:
Комбинированный метод воспроизведения ряда косинусов для формирователей испытательных сигналов ИИС параметров АФЧХ в области ИНЧ и НЧ
Кусочно-синусоидальный метод воспроизведения ряда синусов для формирователей сигналов низкочастотных ИИС параметров АФЧХ
Структурные схемы блоков ИИС параметров АФЧХ четырехполюсников НИИС, реализующих разработанные методы для воспроизведения низкочастотных и узкополосных равноамплитудных полиномов, а также сигналов с амплитудным спектром, линейно меняющимся в логарифмическом масштабе
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ, 10 публикаций в материалах и сборниках трудов международного и российского уровня
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из списка используемых сокращений, введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 86 наименований и 17 приложений Основная чает ь изложена на 164 страницах, содержит 70 рисунков, 18 таблиц
