Введение к работе
Актуальность темы. Методы исследования объектов различной физической природы на основе анализа их иммитанса (комплексного сопротивления или проводимости) получают сегодня все большую популярность у исследователей в самых разнообразных областях науки и техники благодаря его высокой информативности. Однако возможности использования для научных исследований и промышленного контроля существующих автоматических средств преобразования иммитанса (СПИ), представленных на мировом рынке в основном автономными приборами, ограничены и во многом не удовлетворяют требованиям потребителей, что делает исследования, направленные на их совершенствование, важными и актуальными.
В частности, оценивая возможности современных СПИ, нужно прежде всего отметить, что большинство из них имеет недостаточно широкий частотный диапазон. Как правило, ведущие фирмы перекрывают широкий частотный диапазон с помощью нескольких приборов (как минимум, двух), что доставляет пользователю серьезные неудобства. Выпускаемые же (в основном зарубежными фирмами) универсальные автономные СПИ с широким диапазоном частот по своей стоимости малодоступны исследователям и даже средним промышленным предприятиям. Поэтому сегодня весьма актуальна задача создания недорогих универсальных приборов с широким диапазоном частот (порядка юЛ.ЛО'Гц).
Кроме того, современные серийно выпускаемые СПИ отличаются достаточно высоким уровнем тестового сигнала, обычно не менее десятков, а в лучшем случае единиц милливольт, в то время как в ряде научных исследований требуются измерения при сверхнизком уровне тестового сигнала, составляющем сотни микровольт и менее. Здесь на передний план выступает проблема подавления помех, и, прежде всего, сетевой помехи, которая в зависимости от характера объекта исследования, его физической природы и условий эксперимента может существенно (на несколько порядков) превышать уровень полезного сигнала. Кроме этого, не менее важной является проблема подавления влияния экспоненциальных переходных процессов, неизбежно возникающих в цепях преобразования иммитанса при подключении объекта исследования к цепи преобразования, при переключении частоты тестового сигнала, а также при изменении постоянного напряжения (тока) смещения. В последнем случае уровень экспоненциальной помехи также может существенно превышать уровень полезного сигнала.
Работы над проблемами совершенствования СПИ ведутся уже в течение несколько десятилетий. Известны своими достижениями
научные школы В.Ю. Кнеллера (г. Москва), Ф.Б. Гриневича (г. Киев), Б.И. Швецкого (г. Львов), В.М. Шляндина (г. Пенза). Большой вклад в теорию помехоустойчивых преобразований сигналов внесли И.М. Вишенчук, B.C. Гутников, Э.К. Шахов, В.Д. Михотин, Б.В. Чувыкин и др. Однако, несмотря на достигнутые результаты, проблема создания широкополосных помехозащищенных и при этом достаточно простых СПИ по-прежнему остается актуальной.
Для решения этой проблемы в наибольшей степени подходят виртуальные приборы, состоящие из недорогого преобразователя, сопрягаемого с персональным компьютером (ПК), и специализированного программного обеспечения. Такой подход к построению СПИ позволяет создавать виртуальные СПИ (ВСПИ) с техническими характеристиками на уровне лучших автономных приборов и обладающие при этом существенно большими возможностями в плане обработки, отображения и хранения информации, а также автоматизации процессов преобразования иммитанса, что одинаково важно и в области научного эксперимента, и в промышленности.
При этом нужно отметить, что создание ВСПИ (работы в этом направлении ведутся в Институте проблем управления РАН под общим руководством В.Ю. Кнеллера с участием автора больше двух десятилетий) представляет собой концептуально иную задачу, нежели разработка автономных СПИ, и требует особого подхода к их построению. Виртуальные приборы по сравнению с автономными открывают новые возможности для эффективного решения сформулированных выше задач, однако эти возможности необходимо оптимально реализовать, что тоже требует отдельного рассмотрения.
Целью работы являются разработка и исследование методов помехоустойчивого преобразования иммитанса в широком диапазоне частот и их оптимальная реализация в универсальных виртуальных приборах, используемых для научных и технических исследований, а также в составе систем технического контроля и управления.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд задач, основными из которых являются:
- разработка методов преобразования и цифровой обработки
сигналов, оптимальных для применения в универсальных
широкополосных ВСПИ;
- разработка методов подавления переходных процессов и помех в
процессе фазочувствительного преобразования;
- разработка ряда виртуальных ВСПИ, отличающихся от
существующих приборов изменяемыми в широких пределах
функциональными возможностями, позволяющими адаптироваться к
особенностям исследуемого объекта, а также технологичностью при серийном производстве и невысокой стоимостью.
Методы исследования. Методы функционального и спектрального анализа, методы теории электрических цепей, методы теории цифровых фильтров.
Научная новизна работы заключается:
- в разработанной концепции построения универсальных
широкополосных ВСПИ на основе помехоустойчивого
фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока;
- в предложенном методе фазочувствительного преобразования
сигналов переменного тока, основанном на представлении их в виде
массивов интегральных дискрет, допускающем гибкую адаптацию
функции преобразования ВСПИ к частоте тестового сигнала и характеру
помех при минимальных аппаратурных затратах на его реализацию;
- в разработанных методах повышения эффективности подавления
сетевой помехи в процессе фазочувствительного преобразования,
позволяющих осуществлять преобразование иммитанса при малом
значении отношения сигнал\помеха в широком диапазоне частот
тестового сигнала;
- в методе синтеза фазочувствительных преобразований,
обеспечивающих подавление экспоненциальных помех, а также помех,
представимых полиномом конечной степени, в сочетании с другими
избирательными свойствами.
Практическая ценность работы_заключается
в разработанных принципах построения помехоустойчивых широкополосных ВСПИ с широкими функциональными возможностями;
в разработанных методах повышения помехоустойчивости широкополосных ВСПИ, сочетающих в себе простоту реализации и широкие адаптивные возможности;
в создании и внедрении в научное производство недорогих универсальных широкополосных ВСПИ с характеристиками, соответствующими уровню лучших автономных приборов, а по ряду показателей превышающих его.
Достоверность полученных результатов подтверждается
приведенными математическими доказательствами,
экспериментальными исследованиями, результатами моделирования основных положений программными средствами, а также результатами их практической реализации в многочисленных конкретных приборах.
Практическая реализация результатов. На основе предложенных методов и технических решений автором в 1997-2008гг. разработаны и внедрены в различные области научных исследований около двух десятков широкополосных универсальных ВСПИ, которые
используются для исследований жидких и твердых электролитов, сегнетоэлектриков, полупроводниковых структур и других объектов различной физической природы.
Среди организаций, успешно использующих разработанные автором ВСПИ, Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН (г. Москва), Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, Московский энергетический институт, Институт физики твердого тела РАН (г. Черноголовка), Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН (г. Екатеринбург), Ростовский государственный университет, Кубанский государственный университет (г. Екатеринодар) и др.
Кроме этого, при непосредственном участии автора был создан и внедрен в серийное производство на киевском АП «Росток» цифровой измеритель RLC Р5030 широкого применения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях, в числе которых:
- 2-я Всесоюзная научно-техническая конференция «Методы и
средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических
сигналов и цепей», Пенза, 1981 г.
Всесоюзная конференция «Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации», Москва, 1988г.
Международная научно-техническая конференция «ИИС-94», -Москва, 1994 г.
Международный симпозиум IMEKO по интеллектуальным приборам для дистанционных и непосредственных измерений, Брюссель, 1993 г.
Международный симпозиум ГМЕКО по развитию цифровых измерительных приборов, Неаполь, 1998 г.
Третья международная конференция по проблемам управления, Москва, 2006 г.
Российская конференция с международным участием «Программные и технические средства систем управления, контроля и измерения», Москва, 2008 г.
Основные положения, выносимые на защиту:
- концепция построения помехоустойчивых широкополосных
многофункциональных виртуальных средств преобразования иммитанса,
- метод помехоустойчивого фазочувствительного преобразования
сигналов на основе цифровой обработки интегральных дискрет в
широком диапазоне частот тестового сигнала,
методы подавления сетевой помехи, позволяющие осуществлять преобразование иммитанса при малом значении отношения сигнал/помеха в широком диапазоне частот,
методы синтеза импульсных характеристик фазочувствшельных преобразований, обеспечивающих подавление экпоненциальных помех, а также помех, представимых полиномом конечной степени.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в числе которых 6 статей в журналах из списка ВАК и два авторских свидетельства на изобретения СССР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, в том числе 43 рисунка. Список литературы составляет 86 наименований.
