Содержание к диссертации
Введение 5
1. Современные тенденции развития преобразователей пара метров синусоидальных сигналов 8
1.1. Кодирующие измерительные преобразователи амплитуды синусоидального сигнала 9
1.2. Методы обработки временного ряда измерений амплитуды синусоидального сигнала 12
1.2.1. Измерение амплитуды синусоидального сигнала с использованием преобразования Фурье 12
1.2.2. Метод измерения амплитуды гармонических колебаний с использованием вычислительных операций на основе мгновенных отсчетов 16
1.2.3. Метод измерения амплитуды синусоидальных сигналов на основе интегральных выборок 18
1.2.4. Метод измерения амплитуды синусоидального сигнала с использованием отношения К отсчетов амплитуд 20
1.3. Сопоставление методов измерения амплитуды синусоидального сигнала с применением вычислительных процедур 25
1.3.1. Выбор целевой функции 25
1.3.2. Анализ методов измерения амплитуды синусоидального сигнала 27
1.4. Выводы 28
2. Разработка и исследование алгоритма и структуры преобразователя амплитуды синусоидального сигнала 30
2.1. Алгоритм преобразования и структура преобразователя амплитуды синусоидального сигнала 30
2.2. Исследование преобразователя 33
2.2.1. Исследование модели ИПр для случая постоянной частоты измеряемого сигнала 33
2.2.2. Исследование модели ИПр при меняющейся частоте исследуемого сигнала 35
2.2.3. Исследование модели измерительного преобразователя
по упрощению вычислительных процедур 38
2.3. Выводы 42
3. Разработка алгоритма и структуры преобразователя амплитуды и частоты синусоидального сигнала 44
3.1. Алгоритм измерения и структура совместного преобразователя амплитуды и частоты синусоидального сигнала 44
3.2. Исследование модели совместного преобразователя 46
3.2.1. Решение системы уравнений методом Ньютона
3.2.2. Решение системы уравнений градиентным методом 51
3.2.3 Решение системы уравнений модифицированным методом Ньютона 54
3.3. Решение системы уравнений с использованием разложения функции синуса в ряд 57
3.4. Сопоставление методов выполнения вычислительных операций совместного определения амплитуды и частоты синусоидального сигнала 61
3.5. Выводы 64
4. Разработка алгоритма функционирования и структуры адаптивного преобразователя частоты синусоидального сигнала 66
4.1. Принципы построения и функционирования адаптивных частотных преобразователей 67
4.1.1. Способы измерения значений вспомогательного параметра 68
4.1.2. Способы формирования значений параметра адаптации... 69
4.1.2.1. Аддитивный способ формирования значений параметра адаптации 69
4.1.2.2. Мультипликативный способ формирования значений параметра адаптации 73
4.1.2.3. Сравнительная оценка способов формирований значения параметра адаптации
4.2. Алгоритмическое описание процесса преобразования адаптивного преобразователя частоты синусоидального сигнала 79
4.3. Алгоритмы вычисления измеренного значения кода 83
4.4. Сравнительная оценка технических характеристик адаптивных и неадаптивных преобразователей частоты 84
4.5. Выводы 86
5. Разработка и реализация преобразователей параметров синусоидальных сигналов в составе системы автоматизации испытаний 88
5.1. Описание аппаратурного и программного обеспечения системы автоматизации испытаний 88
5.1.1. Характеристика объекта автоматизации 88
5.1.2. Назначение системы 89
5.1.3. Структура системы 89
5.1.4. Функционирование системы 91
5.1.5. Результаты опытной эксплуатации САИ 92
5.2. Разработка мультиплицированного преобразователя амплитуды датчиков угловых и линейных перемещений 93
5.3. Разработка совместного преобразователя амплитуды и частоты сигналов датчика вибрации 97
5.4. Выводы 104 6. Заключение 105
Литература 108
Приложение 2.1 112
Приложение 2.2 115
Приложение 2.3 119
Приложение 3.1 125
Приложение 3.2 126
Приложение 3.3 130
Приложение 3.4 131
Приложение 3.5 135
Приложение 3.6 136
Приложение 3.7 140
Приложение 3.8 141
Приложение 5.1 145
Приложение 5.2 147
Введение к работе
Информационные технологии играют возрастающую роль практически во всех сферах деятельности современного общества. С их помощью решается огромный круг задач, связанных главным образом с автоматизированным сбором, обработкой, передачей, хранением, поиском и представлением информации. При этом особое место в этом ряду занимает процесс измерения, предназначенный для получения количественно определенной информации об объектах материального мира. Это определяет актуальность создания и совершенствования измерительных преобразователей (ИПр), предназначенных для измерения параметров сложных динамических объектов и быстротекущих процессов. Таким образом, создание современных ИПр - важная, перспективная и актуальная задача.
Постоянное повышение требований к точности, быстродействию, информативности и другим характеристикам процессов сбора, измерения и обработки информации обусловливает необходимость создания и развития современных средств измерения и преобразования информации. Широкое применение средств цифровой вычислительной техники при построении ИПр ориентировано на обеспечение высоких метрологических и эксплуатационных характеристик ИПр. Указанные задачи нашли отражение в работах ведущих отечественных и зарубежных ученых: Смолова В.Б., Гитиса Э.И., Новикова П.В., Цветкова Э.И., Дрейпера Ч., Макса Ж., Крауза М., Вошни О. и др.
В настоящее время широкое применение нашли цифровые преобразователи параметров гармонических сигналов, базирующихся на методах цифровой обработки сигналов с применением преобразования Фурье и интегральных выборок на основе теоремы Михотина. Следует отметить, что основными недостатками подобных структур ИПр являются большие временные задержки на получение выборок, что уменьшает частотный диапазон и увеличивает вычислительную сложность алгоритмов, предъявляющих высокие требования к быстродействию используемой элементной базы.
При этом одной из основных по важности и сложности проблем является создание современных преобразователей параметров гармонического сигнала, использующих новые эффективные алгоритмы и структуры, ориентированные на применение вычислительных процедур. Указанная проблема применительно к аналого-цифровым преобразователям широко представлена в работах Авдеева Б.Я., Гаранина Н.М., Переверткина О.М., Южакова А.А. и др. Однако, поиск адаптивных алгоритмов измерения параметров синусоидального сигнала и разработка соответствующих структур ИПр не нашли достаточного отражения в литературе. В диссертационной работе эту проблему предполагается решать за счет применения совместных и адаптивных методов преобразования в реальном масштабе времени.
В работе решается актуальная научно-техническая задача разработки и исследования устройств преобразования параметров синусоидального сигнала и, в частности, алгоритмов измерения и структур преобразователей. Однако в известной нам литературе отечественных и зарубежных исследователей вопросы теоретического и экспериментального исследования преобразователей параметров синусоидального сигнала не получили достаточной проработки.
Целью работы является разработка и исследование структур и алгоритмов цифровых преобразователей параметров синусоидальных сигналов с применением вычислительных операций.
Указанная цель предполагает решение следующих научных задач:
- проведение классификации и анализа способов измерительных преобразований, основанных на применении вычислительных операций;
- разработка способов преобразования амплитуды и частоты синусоидальных сигналов, ориентированных на использование вычислительных операций;
- выполнение исследований функциональных моделей преобразователей параметров синусоидального сигнала;
- разработка алгоритмов преобразования для различных способов реализации механизмов адаптации к частоте синусоидального сигнала;
- построение структур преобразователей параметров синусоидального сигнала.
Методы исследования. В работе использована методология структурного анализа и проектирования, математический аппарат теории вероятностей, алгебры логики, теории автоматов и математического моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- выполнен анализ способов преобразования, основанных на применении вычислительных процедур, с учетом особенностей процесса преобразования параметров синусоидального сигнала;
- предложен способ развертывающего преобразования и исследована функциональная модель преобразователя амплитуды синусоидальных сигналов;
- предложен способ двойного развертывающегося преобразования, обеспечивающий совместное преобразование амплитуды и частоты синусоидального сигнала и исследована функциональная модель совместного преобразователя;
- получены новые алгоритмы широкодиапазонного адаптивного преобразования частоты синусоидальных сигналов, обеспечивающие повышение быстродействия преобразователя и сокращение информационной избыточности формируемого кода; - предложены способы формирования механизмов адаптации по отношению к изменяющейся частоте синусоидального сигнала и проведены исследования моделей широкодиапазонного адаптивного преобразователя частоты. Корректность полученных результатов теоретически обусловлена приведенными доказательствами и утверждениями. Адекватность полученных расчетных значений доказана на основании экспериментальных данных.
Диссертация выполнена в рамках НИОКР «Разработка алгоритмов преобразования амплитуды сигналов в составе аппаратно-программного обеспечения системы автоматизации испытаний авиационных изделий» (договор № 55/6Д), осуществляемой ЗАО «ИВС-сети» в течение 2003-2005 г.г. с ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания». Разработанная система автоматизации испытаний внедрена в опытную эксплуатацию в ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания».
Основное содержание изложено в 9 печатных работах [5, 24-27, 47, 52-54] и докладывалось на ряде международных и региональных научно-технических конференциях.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.
Похожие диссертации на Измерительные цифровые преобразователи параметров синусоидальных сигналов с применением вычислительных операций
