Теоретические основы построения и техническая реализация многофункциональных преобразователей комплексного сопротивления на базе адаптивного подхода Агамалов Юрий Рубенович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Комплексный адаптивный подход к построению (совершенствованию) сложных средств преобразования, измерительной, информации и анализ возможностей его приложения к многофункциональным преобразователям иммитанса 29

1.1. Особенности живых организмов как адаптивных биологических систем 31

1.2. Особенности построения технических АС. Целевая функция и целевой алгоритм. Необходимые и достаточные условия адаптивности системы 33

1.3. Специфика СПИИ и особенности приложения адаптивного подхода к их построению 40

1.4 Возможности и специфика совершенствования характеристик и рационализации процедур выходного контроля МПИ на основе комплексного адаптивного подхода 45

Основные результаты и выводы по главе 1 56

Глава 2. Теоретические основы многофункциональных цепей преобразования иммитанса и особенности их построения на базе адаптивного подхода 58

2.1 Теоретические основы построения нулевых ЦПИдля МПИ, работающих в непрерывном диапазоне частот 58

2.1.1 Анализ особенностей измерения иммитанса 58

2.1 .2 Графовый анализ и синтез структур подклассов пассивных НЦ переменного тока с раздельным отсчетом значений параметров иммитанса по значениям регулируемых параметров и анализ их функциональных возможностей 62

2.1.3. Анализ функциональных возможностей пассивных нулевых ЦПИ в непрерывном диапазоне частот. Доказательство положения о невозможности (инвариантного по отношению к. рабочей частоте) измерения с помощью ПНЦ частотозависимых параметров иммитанса (tgS, Q и ImX) 77

2.1.4. Дескриптивный логико-математический подход к обобщенному анализу цепей переменного тока и его приложение к пассивным компенсационным цепям для измерения иммитанса ...81

2.1.5 Обобщенный анализ пассивных четырехплечих мостовых целей переменного тока на основе дескриптивного логико-математического подхода 86

2.1.6. Особенности приложения адаптивного подхода к построению НЦ: Адаптивно-модульный подход 101

2.2. Вопросы теории и особенности построения многофункциональных неуравновешиваемых ЦПИ. Анализ и синтез многофункциональных неуравновешиваемых ЦПИ 103

2.2.1. Анализ структур известных неуравновешиваемых ЦПИ и пути расширения их рабочего диапазона частот, а также повышения точности преобразования 104

2.2.2. Цепи преобразования ПИ в напряжения с расширенным диапазоном частот 110

2.2.3. Широкополосные цепи пребразования ПИ в токи 118

2.2.4. Широкополосные "комбинированные" цепи 120

Основные результаты и выводы по главе II 123

Глава 3. Методы организации (совершенствования) процесса функционирования МПИ на основе адаптивного подхода 126

3.1. Методы улучшения динамических характеристик МПИ 126

3.1.1. Методы улучшения динамики процесса уравновешивания нулевых ЦПИ 126

3.1.2. Способы улучшения динамических характеристик МПИ с неуравновешиваемыми ЦПИ : 140

3.2. Методы повышения разрешающей способности МПИ по измеряемым параметрам 147

3.3. Методы повышения разрешающей способности МПИ по частоте 163

3.4. Алгоритмические методы повышения точности и расширения рабочего диапазона частот МПИ 179

3.4.1. Метод расчета параметров ОИ по математической модели ЦПИ 179

3.4.2. Метод расчета активного физической модели резистивной меры в области высоких частот 182

3.4.3. Метод неравномерной дискретизации сигналов переменного тока с адаптацией к их частотам и его приложение к задачам фильтрации и гармонического анализа 183

Основные результаты и выводы по главе III 194

Глава 4. Возможности рационализации выходного контроля МПИ на основе комплексного адаптивного подхода 199

4.1. Общий подход к синтезу АП (ПП) МПИ 199

4.2. Структурно-аналитический метод синтеза АП МПИ 204

4.3. Вопросы реализации и оценка эффективности метода синтеза АП МПИ 210

4.4. Вопросы проектирования МПИ по критерию оптимальности ПП 218

Основные результаты и выводы по главе IV. 228

Глава 5. Принципы технической реализации МПИ и воплощение полученных результатов в серийных приборах широкого назначения с адаптивными функциональными возможностями 230

5.1. Принципы технической реализации МПИ на основе нулевых ЦПИ 230

5.1.1. Техническая реализация адаптивно - модульного подхода в многофункциональных ЬЩ 230

5.1.2. Асинхронная система управления процессом уравновешивания НЦ с адаптацией к действию переходных процессов и случайных помех 235

5.2. Техническая реализация МПИ на основе неуравновешиваемых ЦПИ 236

5.2.1. Структурные (структурно-алгоритмические) пути повышения точности МПИ с неуравновешиваемыми ЦПИ 236

5.2.2. Адаптивные широкополосные НЦПИ на основе ОУ с перестраиваемыми структурами 238

5.2.3. Адаптивные широкополосные НЦПИ с перестраиваемыми структурами на основе токовых преобразователей 241

5.2.4. Повышение разрешающей способности АЦП интегрирующего типа с помощью нелинейного делителя напряжения ...243

5.3. Серийные приборы широкого назначения. 245

5.3.1 Цифровые мосты переменного тока Р5010 и Р5058 245

5.3.2. Цифровой измеритель RCL Р5030. 247

5.3.3. Преобразователь Ф48016 248

5.3.4. Микропроцессорные измерители (измерители-анализаторы) иммитанса Р5031 и ЦЕ5004 249

Основные результаты и выводы по главе V 250

Заключение 253

Список литературы 256

Приложение 274

• Особенности построения технических АС. Целевая функция и целевой алгоритм. Необходимые и достаточные условия адаптивности системы
• Анализ функциональных возможностей пассивных нулевых ЦПИ в непрерывном диапазоне частот. Доказательство положения о невозможности (инвариантного по отношению к. рабочей частоте) измерения с помощью ПНЦ частотозависимых параметров иммитанса (tgS, Q и ImX)
• Способы улучшения динамических характеристик МПИ с неуравновешиваемыми ЦПИ
• Вопросы реализации и оценка эффективности метода синтеза АП МПИ

Введение к работе

Диссертация посвящена разработке теоретических основ

построения, методов совершенствования и технической реализации многофункциональных преобразователей и цифровых измерителей параметров комплексного сопротивления и проводимости и созданию на этой основе серийных приборов - конкурентоспособных на внешнем рынке устройств широкого назначения, что в совокупности составляет имеющую важное хозяйственное значение крупную научную проблему, решаемую на базе (комплексного) адаптивного подхода,

В современной научно-технической литературе понятия комплексного сопротивления и комплексной проводимости: объединены "негостированным" понятием иммитанса, которого по этой причине в названии работы нет, но в тексте для краткости и общности изложения, материала, а также проведення ряда доказательств ему отдается предпочтение, а исследуемые в работе устройства носят название многофункциональных преобразователей иммитанса (МПИ).

Предмет исследований

Предметом исследований в работе являются составляющие теоретические основы проблемы построения МПИ задачи обобщенного анализа, формального и эвристического синтеза и систематизации цепей преобразования иммитанса (ЦПИ), а также методы их построения и совершенствования, включая их техническую реализацию, основанные преимущественно на разработанном комплексном адаптивном¹ подходе, открывающем широкие возможности не только для улучшения характеристик этих приборов и упрощения их технической реализации, но и для рационализации процедур их выходного контроля.

Объект приложения результатов исследований - МПИ представляют собой обширный подкласс еще более широкого класса средств преобразования (СП) и средств измерений (СИ) параметров комплексных величин переменного тока (как пассивных, так и активных) самого широкого назначения.

Специфической особенностью их как подкласса СП комплексных величин помимо многофункциональности является пассивный характер преобразуемых ими величин, хотя по существу наибольшую специфику в МПИ вносит их комплексный характер.

Отличительными особенностями МПИ как многофункциональных СП иммитанса (СПИ) широкого назначения являются разнородность их объектов исследования (ОИ), многообразие и широкие динамические диапазоны изменения преобразуемых параметров (L, С, R, G, т, tg5, Q и пр.), возможность работы на разных_частотах, в том числе в непрерывном диапазоне частот» при разных значениях тестовых сигналов, и, наконец, в

условиях особых (энергетических) режимов, в частности, при наличии регулируемых постоянных напряжений или токов смешения, воздействующих на ОИ, что особенно важно при исследовании нелинейных ОИ, и т.д.. Заметим при этом, что понятие многофункциональности по мере развития МПИ непрерывно расширяется; включая в себя все больше отличительных черт.

Благодаря высокой информативности параметров иммитанса МПИ (СПИ) находят широкое применение в науке, технике, медицине и даже сельском хозяйстве.

Областями их применения в сфере науки являются физика, электрохимия, химия полимеров, микробиология и др. [41,91, 94, 136, 149, 176, 192, 224, 231 и др.]- В медицине они применяются для целей диагностики ряда заболевании в области онкологии, стоматологии и пульманологии. На их основе развиваются даже целые области медтехники» такие как электроплетизмография, импедансная томография и реография. Среди основных областей применения СПИ (МПИ) в технике выделяются раднодеталестроение и приборостроение, а также радиотехническая и электротехническая промышленность [104_t 193,..., 195 и др.,]. В. меньших масштабах они применяются и во многих других областях производства, в том числе в легкой и пищевой отраслях промышленности.

На ряде производств (в совокупности с соответствующими сенсорами) они служат преобразователями разнородных физических (в том числе неэлектрических) величин, используемыми в системах автоматического контроля и управления, а также технической диагностики [62,74,87,103,166,180,130,208,239 и др.] и служат поверочными средствами [203,213,220,223].

Современные МПИ делятся на так называемые измерители (преобразователи) параметров двухполюсников, или (радио)компонентов, и анализаторы цепей. В отличие от измерителей двухполюсников анализаторы цепей работают только в непрерывномдиапазоне частот и позволяют измерять параметры, не только двухполюсников, т.е. иммитансы, но и четырехполюсников.(в том числе.их АЧХ и ФЧХ). Их отличительной чертой является также наличие вышеупомянутых энергетических режимов, позволяющих производить преобразования (измерения) параметров ОИ при наличии на нем (помимо тестовых) сигналов смещения по постоянному напряжению или току.

Для того, чтобы охарактеризовать закладываемые сегодня в МПИ принципы построения, а также их специфические особенности, попутно отмечая требующие решения вопросы, рассмотрим приведенную па рис.0.1 обобщенную структурную (функциональную) схему современного СПИ, в которую МПИ полностью "вписываются" как подкласс этих СП.

Будучи преобразователем пассивной величины, МПИ, как и все СПИ, включая специализированные, или проблемно ориентированные,

прежде всего, содержит генератор тестовых сигналов (Г_тд), воздействующих на цепь преобразования иммитанса (ЦПИ) в активную величину (напряжение или ток), так как без подобного преобразования пассивная величина измерена быть не может. Как правило, зти сигналы бывают синусоидальной формы, и в редких случаях (преимущественно в средствах контроля [139]) имеют форму прямоугольного меандра или ступенчатого перепада. Синусоидальные сигналы генерируются в дискретном или непрерывном (особенно, когда МПИ является анализатором цепей) диапазонах частот.

Е^З

Рис.0.1

В состав ЦПИ входят (пассивные) меры, только однозначные или однозначные и многозначные, и ОИ, имеющий иммитаис X.

Несущие информацию о параметрах ОИ (X) выходные сигналы ЦПИ могут быть переменными напряжениями или токами, а также кодами (в случае нулевых ЦПИ). В первом случае эти сигналы с выхода ЦПИ поступают на вход преобразователя этих сигналов (ПС). Во втором случае коды с выхода (а, точнее, с выходов) ЦПИ поступают непосредственно в устройство ввода-вывода (информации) и управления (УВВУ)»

Согласно рис.ОЛ УВВУ осуществляет координацию работы всех этих узлов, равно как и ввод/вывод необходимой для функционирования прибора информации в виде сигналов установки рода работы (С_>рр), вводимых с лицевой панели прибора или с помощью' клавиатуры персонального компьютера (ПК), и выходных сигналов (С_ВЬ|Ч), поступающих либо на цифровое отсчетное устройство, если МПИ является автономным прибором, либо в ПК, если МПИ носит виртуальный характер.

Остановимся несколько подробнее на наиболее существенных особенностях отмеченных выше основных узлов МПИ.

Из входящих в состав МПИ узлов ЦПИ является наиболее важным и специфичным. По своему принципу действия ЦПИ может быть полностью

или частично уравновешиваемой (в первом случае она носит название уравновешенной, пли нулевой, а во втором - полууравновешенной или квазиуравновешенной) либо неуравнове питаемой.

Что касается нулевых ЦПИ, то их делят на мостовые и компенсационные. Однако деление это, как будет показано в главе II, носит часто весьма "условный", а иногда и исторический характер, так как причисление вновь изобретенных или синтезированных цепей к мостовым или компенсационным производилось их авторами по произвольным, ими самими вводимым, или даже "интуитивным" критериям, далеко не всегда отражавшим существо вопроса, который, справедливости ради, нужно признать непростым и весьма запутанным. Все это являлось следствием, прежде всего, отсутствия четких объективных критериев разграничения (классификации) этих цепей, а также наличия пробелов в их теории, включая вопросы систематизации нулевых цепей.

Применяемые в настоящее время нулевые - ЦПИ обычно являются пассивными мостовыми цепями на трехэлементных цепочках, иногда с использованием в них вспомогательных операционных усилителей (ОУ), а также трансформаторными цепями с тесной индуктивной связью плеч, иногда тоже с применением ОУ. Первые подробно исследованы в главе II, а последние в работе не рассматриваются, поскольку благодаря наличию в. пих трансформаторов являются узкополосными, а, следовательно, изначально ущербными для выполнения роли МПИ. По этой же причине не рассматриваются и активные нулевые цепи, к тому же детально исследованные в [109]. Квази- и полууравновешенные ЦПИ как малоперспективные для применения в МПИ в работе также не рассматриваются, а вопросы построения и совершенствования неуравновешиваемых цепей, в частности, расширения диапазонов их рабочих частот и преобразуемых величин, рассмотрены также в главе II.

Вторым по значимости после ЦПИ узлом МПИ является ПС- Он может работать по принципу дискретизации сигналов, осуществлять интегральные преобразования типа фазочувствительного детектирования, (ФЧД), работать в режиме фазочувствительного или амплитудного детектора, а. также преобразователя частот- Однако поскольку преобразование частот имеет смысл лишь на высоких частотах, особенно в диапазоне СВЧ, где о нммитансах с сосредоточенными параметрами говорить бессмысленно, мы при рассмотрении возможностей построения МПИ как устройств с максимальным динамическим диапазоном частот из рассмотрения его исключим. Выходными сигналами ПС могут быть как цифровые коды, так и сигналы логического типа, например, "много"/^имало" или "годен*У"не годен", а также переменные или постоянные напряжения или токи. От реализации этого узла во многом зависят помехоустойчивость и быстродействие МПИ, его важнейшие параметры, возможности улучшения которых далеко не исчерпаны. Исследованию же их и поиску новых посвящена глава III.

Как таковой Г_тс особой специфики в МПИ не имел бы, если бы не требование высокого разрешения по частоте, особенно в ЛИ, и необходимость получения ее наиболее простыми средствами. Трудности его построения, связанные с эффектом- "затягивания", обсуждаются и преодолеваются в третьей главе диссертации.

Что касается УВВУ, то основную часть его функции (наиболее важной из которых является реализация алгоритма функционирования прибора) может выполнять.микропроцессорный контроллер либо ЭВМ, в частности, ПК с соответствующими интерфейсными узлами, на рис.0.1 не показанными. ПК может также выполнять функции цифрового отсчетного устройства и даже всей лицевой панели прибора, что имеет место в получающих в настоящее время все большее распространение разнообразных виртуальных СИ [26,27₅ 200, 201, 245].

Относительно же алгоритмов функционирования нужно сказать, что от них, как и от ЦПИ, зависят основные показатели МПИ: их быстродействие и помехоустойчивость, а также разрешающая способность по частоте. Поэтому вопросам их исследования и разработки (Глава Ш) в работе уделено внимания не меньше, чем ЦПИ. Здесь же отметим лишь, что в случае нулевых ЦПИ процедуры их уравновешивания могут быть однонаправленными или реверсивными. При этом число тактов может быть фиксированным или переменным, равно как и времена тактов. В последнем случае структура МПИ становится асинхронной.

Все наиболее существенные из отмеченных выше отличительных признаков МПИ сведены в таблицу (Таблица 0,1).

Более подробно на отдельных специфических особенностях МПИ, а также их принципах действия и алгоритмах функционирования мы здесь не останавливаемся, так как все эти вопросы в меру их значимости и степени проработки (при описании, и обосновании преимуществ предлагаемых методов, алгоритмов и средств) рассмотрены в соответствующих главах диссертации..

Предыстории и современное состояние вопроса-Проблемы построения, а вместе с этим и совершенствования СПИ возникли, после появления мостовых цепей (МЦ) переменного тока, изобретенных и введенных в практику физического эксперимента основателем электродинамики Дж. К, Максвеллом в шестидесятые годы девятнадцатого столетия (четырехплечая мостовая цепь постоянного тока, носящая ныне имя ее популяризатора Ч. Уитстона, была изобретена английским ученым С. Кристи примерно на четверть века раньше) [214, 215].

Интерес и внимание к этим проблемам были всегда велики и остаются таковыми до настоящего момента,, так как круг возникающих

трудно решаемых задач и частных проблем постоянно расширяется, а содержание проблемы в целом непрерывно меняется.

Таблица 0 Л

Когда идет речь о построении приборов, то всегда решаются как

общие (перманентные) проблемы, связанные с улучшением их метрологических и динамических характеристик, так и частные типа предельного снижения энергопотребления - первостепенной при использовании СПИ в космических аппаратах и на удаленных метеостанциях или предельного упрощения прибора, например, когда речь идет о создании портативных, особенно, "карманных", или так называемых "hand held'\ приборов, а также виртуальных СИ.

История решения-проблемы построения (совершенствования) МПИ, как и любой большой проблемы, является цепочкой решений наиболее насущных "текущих" подпроблем и задач.

Так несколько десятилетий непосредственно после появления первых СПИ были ознаменованы изобретением и применением, главным образом, в практике лабораторных исследований _ш массы разнообразных измерительных, и в первую очередь, мостовых цепей. По мере роста числа разновидностей этих цепей все острее стала ощущаться необходимость их теоретического осмысления, классификациїї, а также формализащш процедуры их. синтеза (проектирования). В результате (в тридцатые -сороковые годы уже двадцатого века) наряду с разработкой новых типов МЦ начал заметно возрастать процент работ, посвященных вопросам теории МЦ [209,214].

В конце первой половины двадцатого века, когда началось активное применение в промышленном производстве автоматических (аналоговых) компенсаторов и мостов» потребовалось и изучение вопросов автоматизации процедуры уравновешивания нулевых ЦПИ, так как уже при первых попытках автоматизации СПИ [221] исследователи встретились с достаточно серьезными трудностями, обусловленными наличием в системе уравновешивания МЦ переменного тока взаимосвязанных контуров, делающих эту систему либо неустойчивой, либо слишком медленной.

Чуть позже (в пятидесятые годы), прежде, всего в связи с ростом требований к точности измерения, стали появляться первые цифровые мосты переменного тока, сначала с ручным, а затем и с автоматическим уравновешиванием. Примерно тогда же начали приобретать популярность исключительно точные так называемые трансформаторные МЦ с тесной индуктивной связью плеч, изобретенные и внедренные в производство (Р. Конвертом и др.) на всемирно известной английской фирме Wayne Kerr,

Первый в мире цифровой автоматический мост переменного тока типа 2871 (с четырехплечей МЦ на трехэлементных цепочках), предназначенный для измерения емкостных ОИ и работавшим на частоте 1кГц, был выпущен, швейцарской фирмой Tettex Instruments в 1964r\ Прибор, обладая даже по современным меркам высокой точностью измерения (класс точности 0.05), был чрезвычайно медленным; в случае конденсаторов с большими тангенсами угла потерь из-за плохой сходимости процесса уравновешивания время измерения достигало нескольких десятков (!) секунд. Ясно, что о широком применении такого СПИ не могло идти и речи, так что уже в середине шестидесятых годов прошедшего столетия на передний план, выдвинулась проблема повышения быстродействия цифровых автоматических мостов переменного тока, решению которой несколько лет своей деятельности посвятил и автор, в основном, в процессе работы над кандидатской диссертацией.

Нужно сказать, что первые цифровые автоматические мосты [211], в том числе и первый в СССР цифровой автоматический (емкостный) мост переменного тока Р570, разработанный в середине шестидесятых годов в ИЭД АН УССР и выпускавшийся на киевском заводе 'Точэлектроприбор'¹ (с рабочей частотой 1кГц и временем уравновешивания, хоть и меньшим, чем у моста типа 2871, но все же составлявшим 5...6с), были приборами, хотя и достаточно высокоточными, но медленнодействующими и низкочастотными. Как правило,, они работали на "гостированных" частотах 1кГц или/и 120Гц (в СССР - 50Гц) и были сориентированы на потребности конденсаторостроения. Но потребности исследователей были неизмеримо шире и разработчики стали искать пути расширения диапазона рабочих частот сначала у ручных, а затем и у автоматических СПИ.

В семидесятые - годы появились высокочастотные приборы для обслуживания радиодеталестроенпя,. в основном, производства конденсаторов, работавшие тоже на "гостированной" частоте 1МГц [193]. Дальнейший рост запросов потребителей СПИ привел к появлению (в начале восьмидесятых годов) первых автоматических приборов, в частности, японского филиала американской фирмы Hewlett-Packard, работавших в дискретных (звуковом и ультразвуковом) диапазонах частот [232]. Ручные мосты, работавшие даже в непрерывном звуковом диапазоне частот, появились несколькими годами раньше. Среди них был и отечественный мост Р571, созданный на киевском ПО "Точэлектро прибор".

С появлением таких приборов возникли проблемы максимальной дискретизации частотных шкал и расширения рабочего диапазона частот.

Что касается одной из наиболе важных с точки зрения тематики работы проблем - проблСхМЫ расширения функциональных возможностей СПИ, т.е. проблемы создания іМПИ, то она возникла примерно в середине двадцатого столетня, когда с помощью измерителей и преобразователей иммитанса стали осуществляться комплексные, часто поискового характера [223], исследования в научных и технических лабораториях,. требовавшие применения разнообразной измерительной аппаратуры с самыми широкими функциональными возможностями. Но особенно обострилась она с конца шестидесятых - начала семидесятых годов, когда начали решаться сложные измерительные задачи типа управляемого научного эксперимента, а также медицинской и технической диагностики.

Появление же имевших большой спрос у исследователей сначала ручных, а затем и автоматических, так называемых, универсальных цифровых мостов переменного тока только усугубило проблему, так как практика исследований постоянно расширяла круг решаемых задач и требовала дальнейшего расширения функциональных возможностей МПИ.

Первым в мире универсальным цифровым автоматическим мостом переменного тока стал мост типа 1683 американской фирмы General Radio [207] с временем измерения до 0,5с, выпущенный в' 1970г. Разработанный же автором одновременно с ним первый в СССР универсальный цифровой автоматический мост Р5010 с временем уравновешивания не более 150мс и с более широкими функциональными возможностями стал лишь вторым, так как был запущен в серийное производство более чем на год позже его.

Несколько лет спустя (в 1976г) автором был разработан, (совместно с СКВ киевского завода "Точэлектроприбор") уже первый в мире многофункциональный цифровой автоматический мост Р5058, работавший на трех частотах (50Гц, 1 и ЮкГц) и имевший реальное время уравновешивания на частоте ЮкГц, не превышавшее ЗОмс (по заводским ТУ - 50 мс). Данные цифры стали в то время 'Чіировьгм рекордом", а для уравновешиваемых мостов переменного тока остались непревзойденными по сей день.

Что же касается минимального времени преобразования параметров иммитанса, то через несколько лет оно было снижено до единиц мс, но уже в преобразователях на неуравновешиваемых ЦПИ . Еще меньшее время преобразования было получено при помощи цепей, с несинусоидальными тестовыми сигналами типа ступенчатых перепадов [139], Однако делать вывод о преимуществе данных цепей по сравнению с мостовыми в смысле возможностей их применения для изучения бьгетропротекаюшпх процессов не следует по ряду отмеченных в Главе III причин, связанных, с требованием получения максимально высокого разрешения по измеряемым параметрам, а также с часто выдвигаемым требованием производить преобразования на синусоидальных сигналах. В результате для решения задач, связанных с точным измерением, быстрых, но малых изменений параметров иммитанса,. МЦ остаются предпочтительными до сих пор.

Бурный рост технологий интегральных микросхем, начавшийся в конце шестидесятых годов прошлого века,, отразился и на общем прогрессе МПИ.

Начиная с семидесятых - восьмидесятых годов прошедшего столетия разработчики МПИ стали строить их на. основе аналоговых и цифровых интегральных микросхем, а также микропроцессоров. Это существенно упростило реализацию большинства технических решений. В результате улучшились технические характеристики применяемых в приборах узлов, а вместе с ними и технические характеристики приборов в целом.

Развитие элементной базы позволило разработчикам кроме совершенствования известных типов приборов создать новые. Так появились и в последние два десятилетня утвердились на мировом рынке МПИ с неуравновешиваемыми ЦПИ на базе ОУ, а в их числе новый подкласс МПИ - анализаторы иммитанса (ЛИ), являющиеся разновидностью упоминавшихся выше анализаторов цепей.

Появление ЛИ, работающих в широком "непрерывном'¹ диапазоне частот, помимо проблемы расширения частотного диапазона МПИ в сторону высоких частот, присущей всем СПИ с ЦПИ, построенными на основе ОУ, привело к необходимости решения задач повышения их разрешающей способности как по измеряемым параметрам,, так и по частоте. Однако эти задачи специфичны не только для ЛИ и МПИ в целом. Решать их необходимо также при построении и анализаторов сигналов, и широкодиапазонных генераторов. Разработка же и тех, и других является сложным и дорогим делом. Поэтому вполне естественно, что фирмы начали прибегать к "лобовым" решениям стоящих перед ними проблем, а именно, в своих новых моделях ЛИ и анализаторов цепей они стали использовать свои же наработки из других приборов.

Примерами тому могут служить ЛИ. фирмы Solartron/Shlumberger (например, типа 1260), включающие в себя целиком в качестве отдельного блока ранее разработанный этой фирмой широкополосный

анализатор сигналов, а также анализаторы цепей фирмы Agilent Technologies (бывший филиал Hewlett-Packard) с широкодиапазонными генераторами, имеющими высокое разрешение по частоте.

Но, облегчая себе жизнь ценой усложнения приборов, разработчики МПИ настолько удорожают их, что делают недоступными для массового потребителя. Да и состоятельному потребителю подчас просто нерационально покупать дорогой прибор для не слишком масштабных, зачастую пробных, экспериментов»

В самое последнее время исследователи, с одной стороны, отвечая на запросы массового потребителя, а с другой, учитывая широкое распространение и огромные потенциальные возможности ПК в осуществлении цифровой обработки измерительной информации, начали разработки в области создания компьютеризированных, или точнее, компьютеросопряженных, так называемых виртуальных МПИ (ведущая роль здесь принадлежит инициатору этих исследований ИПУ РАН [76,127,128]).

Такой МПИ состоит из упрощенного АЦП составляющих иммитанса - приставки к ПК и самого ПК, выполняющего одновременно роль устройств управления и (цифровой) обработки измерительной информации, а также лицевой панели прибора^ которая отображается на экране монитора, а "нажатие" кнопок и клавиш установки режимов, измерения производится с помощью "мыши".

При разработке виртуальных МПИ, естественно, главенствующее значение наравне с достижением максимума функциональных возможностей приобретают вопросы их упрощения, поскольку данные приборы предназначены, прежде всего, для массового потребителя.

Говоря о современных МПИ в целом, включая работающие в диапазоне СВЧ анализаторы цепей, следует сказать, что их общий, а точнее, "совокупный¹', уровень весьма высок [128,218,228,235,242]. Их наивысшие показатели - класс точности 0_S01.,.0,02, разрешающая способность по измеряемым параметрам и частоте соответственно 10" — 10" и 10~⁶.,Л0"\ рабочий диапазон частот от единиц микрогерц до единиц гигагерц - красноречиво говорят об этом. Однако данные цифры присущи разным приборам - "рекордсменам" по отдельным показателям. Каждый, же из них по совокупности показателей выглядит многократно скромнее. При. этом сложность и дороговизна современных МПИ. (некоторые из них стоят многие десятки тысяч долларов) без преувеличения стали их "бичом¹¹»

Другим "бичом'¹ МПИ, в частности, цифровых мостов переменного тока, стала сложность процедуры их выходного контроля (заводской, или первичной, поверки), обусловленная расширением их функциональных возможностей. Серьезность возникшей проблемы упрощения этой процедуры и вообще упрощения поверки этих СПИ обусловлена тем, что при большом числе режимов и родов работы выходной контроль данных

приборов, если следовать стандартным ("гостированпым") методикам, превращается в дорогостоящую процедуру, измеряемую многими рабочими сменами. Достаточно сказать,.что для многофункционального цифрового моста Р5058 при осуществлении его, (первичной) поверки требовалось выполнить около 1300 (!) ручных операций» Столь же трудоемкой оказалась первичная поверка и цифрового измерителя Р5084. Реальные трудовые затраты на выполнение этих процедур занимали десятки человеко-дней. В такой ситуации стоимость выходного контроля становилась уже сопоставимой со стоимостью производства прибора в целом.

Поэтому проблема рационализации выходного контроля МПИ, или их заводской поверочной процедуры, даже в тех случаях, когда она осуществляется при ее частичной автоматизации, имеет особую важность.

Анализ практических измерительных задач, решаемых с помощью МПИ, особенно, при выполнении экспериментов с живыми тканями, свидетельствует о необходимости их^- функционирования в условиях низкого отношения сигнала к шуму, достигающего значений 10^—" и ниже. Однако современные МПИ работать в такой ситуации не могут- Примерно такая же ситуация возникает и в ряде случаев использования МПИ в производственных условиях. Отсюда немалую важность сегодня приобретает и проблема борьбы с помехами и шумами.

К этому нужно добавить и актуальность проблемы борьбы с паразитными параметрами, которая принадлежит к числу "перманентных" для всех измерительных цепей вообще, а ЦПИ в особенности, поскольку соперников МПИ по сложности среди СП на переменном токе нет.

Подводя итог, нужно сказать, что над решением всех этих
многочисленных и сложных проблем построения (совершенствования)
СПИ,.и в их числе МПИ, исследователи непрерывно работают уже более
столетия с момента появления первых ЦПИ. За это время решен ряд очень
важных задач в области теории ЦПИ, в том числе связанных с их
метрологией и синтезом [99,105,,,,,115,117,.,.,23,129,132,150,

151,153,154,161,163,164,167,187,189,^,191,213,214,222,225], а также с
организацией процедур их уравновешивания, предложен целый ряд
принципов построения СПИ [92,,..,97,117,134^135 и др.], найдено
множество эффективных технических решений-

[70,81,82,86,139,141,...,143,226 и др.], связанных с реализацией СПИ, что позволило достигнуть высоких метрологических н динамических характеристик СПИ вообще и МПИ в частности.

Круг специалистов, решавших и решающих эти проблемы очень широк. Особенно велик вклад в. решение этих проблем ученых России и СНГ в целом, В первую очередь, это труды школ: львовской и новосибирской К.Б. Карандеева, киевской Ф.Б. Грииевича, московской В.Ю. Кнеллера, бакинской A.M. Мелик-Шахназарова и Т.М. Алиева, ленинфадской С.Л. Эпштейна, ивано-франковской Г.А. Штамбергера и

пензенской В.М Шляндина. Немалый вклад внесен А.Д. Нестеренко и Л.Ф Куликовским и их учениками, а также Л.Л- Кольцовым; М,Л. Гаврил юком и Е.П. Соголовским, Б,Я. Лихтциндером, Л.И. Волгиным, Г.И. Передельским и многими другими. Большой вклад в теорию и принципы построения СПИ сделан и зарубежными учеными: Среди них имена Максвелла (Maxwell J.C,), Шеринга (Schering Н.), Вина (Wien М.)> Оуэна (Owen DJ, Хэйга (B.Hague), Фергюзона (DJrerguson), Калверта (R,CaIvert) и др.

Сделано, безусловно, очень много, однако, "подводя итог анализу современного состояния вопроса о МПИ, приходится констатировать, что несмотря на общий высокий уровень развития теории в ней до настоящего времени сохранился ряд пробелов. Так нельзя считать решенными задачи обобщенного анализа и формального синтеза ЦПИ, а также вопросы систематизации и даже, классификации нулевых цепей- Сохранилась неясность вопроса о их функциональных возможностях. Между тем при построении МПИ учет всех этих моментов весьма важен. То же самое можно сказать и о исключительно сложной "перманентной" проблеме одновременного повышения точности и быстродействия и связанной с ними проблеме подавления помех. Остались нерешенными и такие особо важные для построения МПИ вопросы, связанные с построением широкополосных и бесконтактных ЦПИ. Ко всему этому нужно добавить и остроту дефицита методов: борьбы с паразитными параметрами измерительных цепей переменного тока вообще, а ЦПИ в наибольшей степени, поскольку серьезных соперников по сложности среди измерительных цепей переменного тока им нет. И особо следует отметить отсутствие общих подходов к совершенствованию МПИ.

Актуальность и важность проблемы.

Актуальность проблемы совершенствования МПИ согласно проведенному выше анализу современного состояния вопроса определяется, прежде всего, тем, что существующие МПИ, если рассматривать каждый прибор в отдельности, неСхМОтря на общий высокий уровень их совокупных технических данных, не в состоянии в должной мере удовлетворять все возрастающим нуждам и требованиям их потребителей по своимтехническим возможностям. Проявляется ото при^: решении как простых, но разнохарактерных задач поискового типа [27, 122], решаемых массовыми потребителями. МПИ, "доброй половине" которых они к тому же малодоступны по стоимости, так и наиболее сложных измерительных задач типа решаемых, в управляемом научном эксперименте, И хотя круг исследователей, решающих наиболее сложные измерительные задачи, сейчас не очень широк, наличие тенденции его расширения несомненно, о чем свидетельствуют публикации о проводимых исследованиях в различных областях науки и техники.

О важности рассматриваемой проблемы красноречиво говорят многочисленные факты использования МПИ в самых разнообразных сферах человеческой деятельности. Масштабы же использования, и потребностей МПИ таковы, что в настоящее время уже трудно найти область народного хозяйства или науки, где бы не применялись преобразователи и измерители тех [їли иных параметров иммитанса (в силу их исключительно высокой информативности)..

Л если круг решаемых с помощью МПИ измерительных задач весьма широк, то очевидно, что строить их нужно так, чтоб возможности решения этих задач у данного типа приборов были максимальными.

Поэтому в такой ситуации особую остроту приобретает проблема расширения функциональных возможностей МПИ. При этом также следует учитывать, что расширение функциональных возможностей любых СИ (СП) приводит к сокращению их номенклатуры, что всегда, важно, так как повышает эффективность соответствующей области приборостроения.

Относительно очень сложных измерительных задач следует сказать, что при их решении обычно используются измерительные системы, например, типа широко применявшихся систем в интерфейсе САМАС, блочных систем фирмы Siemens и других- Однако применение измерительных систем или просто применение нескольких приборов вместе довольно редко экономически оправдано,.а иногда и невозможно из-за отсутствия соответствующих устройств связи с объектом.

Учитывая все это, можно сказать, что построение МПИ с "универсальными'¹ функциональными возможностями, в том числе с возможностями сочетания измерения комплексных пассивных и активных величин, является и аїсгуальной, и вместе с тем весьма, сложной проблемой, решения которой ожидают и потребители, и производители МПИ.

Что касается проблемы совершенствования МПИ в целом, то- на сегодня наиболее насущными являются- такие противоречивые "комплексные проблемы", как проблема достижения максимума функциональных возможностей и одновременно простоты технической реализации МПИ, проблема повышения их быстродействия вместе с повышением помехоустойчивости и/или разрешающей способности,, а также проблема повышения точности преобразования одновременно с расширением диапазона рабочих частот. При этом наибольшие трудности вызывает решение этих проблем в совокупности, по именно этого требует практика использования МПИ при решении насущных практических задач.

Решение проблемы совершенствования МПИ в последние годы идет* как уже отмечалось, в значительной степени по пути компьютеризации как наименее исчерпавшем свои возможности. Применение встроенных (микропроцессорных) вычислительных средств, а в последние годы и

внешних, а именно, ПК, в частности, в составе виртуальных СПИ,

позволило существенно расширить функциональные возможности МПИ її максимально упростить их техническую реализацию. Однако данный путь не позволяет полномасштабно решить проблему совершенствования и расширения функциональных возможности МПИ, так как простое возложение на ПК выполнения значительной части функций какого-либо, пусть даже очень совершенного прибора, хотя и позволяет существенно и, можно даже сказать, предельно упростить сам преобразователь и "выжать" из него все возможное для устройства конкретного принципа действия,.но не больше.

С учетом же того, что "традиционные" возможности использования новых физических эффектов, а также схемотехнических решений или новой элементной базы на сегодня близки к исчерпанию, и свидетельством тому наблюдающийся в. последние годы ощутимый спад темпов роста основных показателей МПИ, необходимо искать иные пути, новые принципы и подходы к построению этих СПИ, к совершенствованию их структур и алгоритмов функционирования.

В этом смысле весьма эффективен развиваемый в работе комплексный адаптивный подход (глава I), основанный па использовании принципа адаптации при совершенствовании как характеристик и структур СПИ, так и процедур их выходного контроля.

Суть адаптивного подхода, находящего в настоящее время широкое и, главное, последовательное применение в (адаптивных) системах автоматического управления и, к сожалению, слишком скромное для его возможностей и к тому же эпизодическое ("спонтанное") я приборостроении, заключается в оптимизации работы тех или иных технических средств в условиях, изменяющихся условий HN функционирования путем придания им способности приспособления к изменениям этих условии на основе всемерного использования апостериорной (текущей) информации о этих условиях.

Наиболее характерными примерами "повсеместного" применения такого подхода в измерительной технике является реализация, операции выбора поддиапазона измерения, позволяющей оптимизировать чувствительность прибора, а также разного рода поисковых процедур, например, в АЦП, позволяющих достигать высокого быстродействия. Примером осуществления адаптации к уровню помех является использование пходньтх фильтров-ограничителей (как правило, с ручной настройкой), в частности, в частотомерах и осциллографах. Примером повышения точности приборов с помощью адаптивного подхода являются так называемые тестовые методы [68], пока что нахоящие незаслуженно узкое применение, а также разного рода калибровочные процедуры [210,219, 220, 243]. И нужно сказать, что "список" отдельных примеров применения адаптивного подхода как такового можно достаточно долго продолжать. Однако при всем этом они останутся лишь примерами более

\9

или менее удачного эпизодического, причем, иногда "полуосознанного" применения принципа адаптации в отдельных частных случаях.

В работе же применение принципа адаптации выступает в качестве систематического,, целенаправленного и к тому же общего подхода к совершенствованию (построению) особо сложных СП вообще, и МПИ Р частности,

В качестве конкретного примера, иллюстрирующего специфику развиваемого в диссертации подхода, рассмотрим достаточно характерную ситуацию, связанную с задачей измерений той или иной физической величины в очень широком диапазоне частот, когда для ее решения разрабатывается ряд приборов, построенных на отличающихся друг от друга принципах построения и работающих каждый в своей области частот- Необходимость сокращения числа приборов (лучше всего до одного) такой ситуации очевидна. Тривиальным "решением" такой задачи является механическое совмещение нескольких приборов в одном. Но становиться на путь такого "интегрирования" по вполне очевидным причинам всегда считалось нелепостью. Правда, с появлением' микропроцессорных и виртуальных (компьютеризированных) СИ положение несколько изменилось и подобное совмещение стало выглядеть уже не столь нерациональным, как прежде, поскольку целый ряд функции отдельных узлов объединяемых приборов может Ьзять на себя ПК или микропроцессор. Однако эффективность такого сочетания н в этом случае, как правило, мягко выражаясь, невысока:

Иное дело, если подобное совмещение сделать органичным, осуществляя не механическое объединение различных узлов с разными принципами построения, а компоновку устройства из некого набора элементарных узлов (модулей), синтезированных с учетом двух или более принципов построения СП, в результате, чего получалась бы единая перестраиваемая структура с изменяемыми функциональными возможностями, в том чеіслє адекватно изменениям условий функционирования устройства. Очевидно, что при этом важно, чтоб отдельные варианты этой структуры (конфигурации) по максимуму компоновались из одних и тех же структурных элементов, или модулей, построенных (тоже по максимуму) на основе единой элементной базы,

Таким образом, в рассмотренном случае по сути речь идет о возможностях построения (совершенствования) СП путем сочетания принципов адаптации и модульности, т.е. о таком построении СП в целом и/или его узлов, когда в условиях изменяющихся целей (родов работы) и режимов функционирования прибора, а также варьирующихся внешних и/или внутренних условий могли бы изменяться структура СП в целом или его отдельных узлов с минимальными затратами оборудования.

При этом алгоритм функционирования не обязательно должен быть изменяемым. Важно лишь, чтоб он был так синтезирован, что даже при его "жесткости" СП могло бы гибко реагировать на изменяющуюся ситуацию.

Иными словами, прежде всего речь идет о некой "идеологии" построения СП, и, в частности, МПИ, как системы, способной приспосабливаться (в частности, путем перестройки параметров, структур или/и алгоритмов) к действию влияющих на ее функционирование факторов, обеспечивая реализацию в данном СП максимума возможностей, как метрологических и динамических, так и "поведенческого" характера, или функциональных, причем, обязательно при минимуме аппаратурных затрат. При этом для минимизации аппаратурной избыточности перестройку СП необходимо осуществлять так, чтоб в каждой отдельной конфигурации узла процент задействованных (из набора) модулей был максимальным.

Преимущества подобного адаптивно-модульного, подхода к совершенствованию характеристик СП очевидны, однако реализовать его далеко не всегда возможно простым сочетанием известных принципов построения СП или его отдельных узлов. И в. большинстве случаев необходим поиск новых решений и подходов,, однако на сегодняшний день известны примеры адаптивного подхода, дающего эффект при ^тривиальном" сочетании известных решений [86,177].

Подчеркнем при этом, что иод развиваемым в работе адаптивным походом к построению МПИ понимается не механический перенос на СП принципов построения широко распространенных в технике адаптивных систем (самонастраивающихся или самоорганизующихся, причем, прежде всего, поисковою тина), а преломление этих принципов сначала к СП вообще с учетом их существенных особенностей как систем преобразования измерительной информации, выявленных в Главе I, а затем и к МПИ с учетом их специфики уже как СП,

Но специфика приложения принципа адаптации к СП, и МПИ в
частности, согласно развиваемому подходу этим не ограничивается.
Принцип адаптации прилагается комплексно к двум достаточно
разобщенным сторонам (частям) проблемы построения

(совершенствования) МПИ: к разработке и совершенствованию структур и алгоритмов іїх функционирования, а через них - и их технических характеристик, и к организации (рационализации) процедур их выходного контроля.

При решении первой части проблемы совершенствования МПИ в работе ставится, прежде всего вопрос о тех возможностях, которые открывает адаптивный подход при их построении. И конечная цель здесь заключается в том, чтобы, сделав максимально гибкими и рациональными структуры и алгоритмы функционирования МПИ, достигнуть максимума показателей по (отмеченным выше) критериям, сочетающим противоречивые требования (по точности преобразования и днапазоналі рабочих частот ил п/п динамическим диапазонам значений преобразуемых параметров, по быстродействию и разрешающей способности или/и точности преобразования и т.п.)-

Поскольку адаптивный подход предполагает максимально полное использование текущей (апостериорной) информации,, которую нужно сначала тем или иным способом получить (воспринять)* а потом тем или иным методом обработать (преобразовать), то в работе рассматриваются одновременно вопросы как отбора, так и оперативной переработки измерительной информации. При этом существенным моментом является выявление ситуаций, в которых нужно включить тот или иной механизм адаптации, В связи с этим уместно провести параллель с понятием автоматического контроля [116] как процедуры выявления той или иной ситуации, в которой, требуется включить то или иное управляющее воздействие.

Что касается второй части проблехчкг - приложения адаптивного подхода к организации (рационализации) процедур выходного контроля (первичной поверки) МПИ, то в этом случае речь идет о использовании при их формировании информации о конкретных особенностях СП (СПИ), которая по сути является апостериорной при организации такой процедуры для конкретного типа приборов и которую, как правило, при этом не учитывают.

От степени же эффективности этой процедуры, как отмечалось выше, часто зависит сама целесообразность производства того или иного СП и даже типа (класса) СП. Поэтому адаптивный подход применен и к синтезу процедур (алгоритмов) выходного контроля МПИ. При этом он оказался столь эффективным, что позволил более чем на порядок сократить число поверочных операций, а также упростить выходной контроль за счет сокращения числа неудобных в обращении мер, как емкостных, так и, особенно,-индуктивных (громоздких, нестабильных и неточных), создав при этом реальные предпосылки для полной автоматизации этой процедуры.

В' работе также показано (глава IV), что жестко заданная, инвариантная по отношению к типу контролируемого прибора_процедура выходного контроля МПИ, будучи избыточной, в то же время не гарантирует ее достоверность,.А адаптивный подход и здесь позволяет радикально изменить ситуацию, обеспечивая возможность так организовать эту процедуру, чтобы она при минимальном числе поверочных операций давала практически стопроцентно достоверный результат.

Учет особенностей конкретного уже спроектированного СП (СИ) является главным, но не единственным моментом при совершенствовании процедуры выходного контроля. В значительной степени эта процедура зависит и от принципа построения прибора. Поэтому п работе ставится также вопрос о учете в процессе разработки (проектирования) прибора возможностей такого построения его, при котором процедура его поверки становилась максимально простой-

Говоря о специфике адаптивного подхода к организации выходного контроля МПИ, нужно заметить, что в связи с необходимостью учета особенностей структуры и алгоритма функционирования контролируех\іого прибора он носит структурно-аналитический характер.

Когда ставится вопрос о совершенствовании характеристик СП, ограничиться одним подходом, как бы эффективен он ни. был, неестественно и попросту невозможно. Поэтому, постановка во главу угла адаптивного подхода как концептуального ни в коей мере не отвергает и других, как нетрадиционных, так и традиционных подходов и методов, в частности, структурно-алгоритмических, органично сочетающихся с ним, а также новых принципов построения отдельных узлов и способов их совершенствования или применения адекватной новой элементной базы, чего автор придерживался в процессе работы над диссертацией и что нашло отражение в полученных результатах..

Цель, научная новизна и прикладное значение работы

Целью работы является разработка теоретических основ построения МПИ, методов и средств совершенствования их структур и алгоритмов функционирования, а в конечном итоге улучшение технических характеристик МПИ, расширение их функциональных возможностей, а также рационализация процедур их выходного контроля на основе единого комплексного адаптивного подхода и создание на этой базе перспективных высокоэффективных МПИ, по своим техническим данным не уступающих аналогичным зарубежным приборам, а по отдельным показателям превосходящих их, и благодаря этому конкурентоспособных на международном рынке, а также внедрение их в серийное производство.

Для достижения этой цели потребовалось провести теоретические и экспериментальные исследования, позволившие получить ряд новых научных и технических результатов, послуживших основой для решения поставленных выше задач»

Научная новизна работы заключается в найденных нестандартных методах и подходах к решению проблемы создания и совершенствования сложных систем преобразования измерительной информации, включая МПИ, и связанных с ней. задач анализа и синтеза цепей преобразования иммитанса, а также корреляционного и гармонического анализа и цифровой фильтрации периодических сигналов и в полученных с их помощью ответах на актуальные вопросы.теории и практики построения МПИ, а именно:

- в разработанной концепции комплексного адаптивного подхода к созданию сложных векторных систем преобразования измерительной информации, позволяющей эффективно решать проблемы как повышения технического уровня, так и рационализации выходного контроля МПИ;

- в найденном оригинальном дескриптивном логико-алгебраическом
подходе к анализу нулевых цепей переменного тока, позволившем решить
задачи обобщенного анализа и формального синтеза конфигураций
многофункциональных нулевых цепей преобразования иммитанса;

в предложенной процедуре нетопологических преобразований полного (неориентированного) и остаточных графов пассивной нулевой электрической цепи произвольного вида,, позволившей впервые решить задачу формального синтеза структур подклассов нулевых, цепей переменного тока и синтезировать три новых подкласса цепей преобразования иммитанса, имеющих ряд преимуществ перед известными;

в вводе в практику прикладного дискретного корреляционного анализа понятия булевой (авто)корреляционной функции, позволившем решить задачу адаптации процедуры уравновешивания цифровых мостов н компенсаторов к помехам и длительностям переходных процессов

- в разработанной на основе неравномерной дискретизации
периодических сигналов (адаптивной к их частотам) процедуре
формирования решетчатых функций,. позволяющей решать. задачи
цифровой фильтрации, и гармонического анализа сигналов переменного
тока в реальном масштабе времени;

Кроме этого доказаны важные для теории (многофункциональных) нулевых цепей переменного тока положения, синтезирован ряд конфигураций структур с ранее нереализуемыми возможностями и предложены новые принципы реализации элементов и узлов МПИ

Практическая ценность работы заключается

в создании теоретического базиса для проектирования простых и технологичных в производстве МПИ с превышающими современный уровень данными, в предельном упрощении процесса проектирования нулевых цепей переменного тока благодаря достижению полной формализации процедуры их синтеза вплоть до ее автоматизации путем реализации в САПР, а также в доказательстве бесполезности попыток. построения пассивных нулевых цепей для преобразования частотозависимых параметров иммитанса в непрерывном диапазоне частот;

в разработке и исследовании новых перспективных элементов и устройств: электронных переключателей тока с лучшими, чем у электромагнитных реле статическими характеристиками, и реализации на их основе набора модулей, позволяющих строить широкополосные многофункциональные нулевые ЦПИ, а также помехоустойчивых (фазочувствительных) ЛЦП интегрирующего типа, адаптируемых к частотам сигналов импульсных и работающих в реальном времени цифровых фильтров с высокими быстродействием и избирательностью,

широкодиапазонных генераторов сигналов переменного тока с высокой

разрешающей способностью по частоте и других узлов и, главное,

- в создании и внедрении в серийное производство цифровых МПИ широкого применения с техническими данными мирового уровня, а по быстродействию и функциональным возможностям превышавших его.

Среди них цифровые многофункциональные мосты переменного тока Р5010, Р5058 и измеритель RLC Р5030, работающие на дискретных частотах, а также преобразователь ємкості! и проводимости в отношение переменных напряжений Ф48016, работающий в непрерывном диапазоне частот. Кроме них к серийному производству были подготовлены микропроцессорные измерители (измерители - анализаторы) иммитанса Р5031 и ЦЕ5004, также работающие в непрерывном диапазоне частот.

Созданные приборы по своим техническим данным, несмотря на отсталость отечественной элементной базы и изъяны дизайна, оказались конкурентоспособными на международном рынке. Подтверждением тому были предложения Министерству приборостроения СССР всемирно известной английской фирмы Marconi Instruments о производстве и/или продаже первого из разработанных автором универсального цифрового моста переменного тока Р5010, к сожалению, не принятые Машприборинторгом, а также экспорт отдельных партий этих приборов за рубеж несмотря на отсутствие должного обеспечения их ремонта.

Преобразователь Ф48016 и мосты Р5010 и Р5058 были отмечены соответственно бронзовой, серебряной и золотой медалями ВДНХ. Но наиболее важным фактом признания достоинств разработанных приборов является то, что два из указанных приборов (Р5010 и P505S) были отмечены Государственной премией в области науки и техники (за 1976г).

Оценивая значение работы в целом, с учетом всего вышеизложенного можно говорите о том, что она позволила решить важную народнохозяйственную задачу разработки теоретических основ построения, методов совершенствования и технической реализации МПИ и создания на их базе,, а также внедрения в серийное, производство конкурентоспособных на мировом рынке приборов широкого назначения, К этому нужно добавить, что в течение многолетнего массового выпуска разработанных МПИ, общее число которых превышает пятнадцать тысяч экземпляров, благодаря их использованию в самых разнообразных областях народного хозяйства получен очень большой экономический эффект, исчислявшийся несколькими миллионами рублей (в переводе лишь наличный вклад автора) в ценах до 1990г(см. Приложение).

Говоря о практической ценности диссертации, автору, к сожалению, нередко приходится обращаться к прошедшему времени и связано это, прежде всего, с происшедшими в начале девяностых годов политическими и экономическими потрясениями, губительно коснувшимися машиностроения, и особенно приборостроения, не только в России, но и

на Украине, где производился серийный выпуск разработанных автором приборов, незамедлительно прекратившийся после развала СССР.

Нужно также отметить то, что одной из особенностей диссертации является то, что она охватывает очень большой период (более тридцати лет) работы автора над решением рассматриваемых в ней проблем, что в немалой степени было связано с весьма трудоемкими разработкой серийпоспособных приборов и, особенно, внедрением их в серийное производство.

В таких случаях часто бывает, что многие из полученных результатов устаревают, теряют свою эффективность. Однако автор берет на себя смелость утверждать, что ни один из включенных в работу результатов теоретических и экспериментальных исследований не потерял своей актуальности и значения к настоящему моменту, а созданные под его руководством и при непосредственном участии серийные приборы остаются до сих пор непревзойденными по своим техническим данным как МПИ определенного (конкретного) типа, И в первую очередь это относится к приборам типа Р5010 и Р5058, остающимся и на сегодня наиболее быстродействующими цифровыми мостами переменного тока, а что касается их метрологических данных, то они по конъюнктурным соображениям, связанным со спецификой социалистической системы производства, когда приборы находили сбыт в минимальной зависимости от их технических характеристик, оказались (в интересах облегчения выпуска па заводе-изготовителе) существенно заниженными. Об этом красноречиво свидетельствуют результаты испытания моста Р5010, официально проведенные английской фирмой Marconi Instruments, согласно которым он (к нескрываемому удивлению специалистов-фирмы) уверенно укладывался в клас точности 0,1 при номинальном, т.е. декларируемом заводом, классе точности 0,5 (!). Так что с учетом этого фактора можно с уверенностью говорить и о высоких метрологических данных моста Р5010. Относительно метрологических данных моста Р5058 следует сказать, что при учете возможности осуществления измерения с помощью внешней меры его основная погрешность измерения, составлявшая по паспортной, т.е. официальной технической характеристике 0,05%, а по сути не превышавшая 0.02%, до сих пор остается для приборов такого типа да и вообще для автоматических цифровых измерителей параметров иммитанса близкой к наименьшей, которая (у лучших весьма немногочисленных прецизионных МПИ) в настоящее время составляет 0,01%. Примерно в полтора раза были занижены и динамические характеристики этих приборов, что было отчасти связано с принципиально переменным временем измерения, обусловленным адаптивным характером процедуры уравновешивания их измерительных цепей, и, в основном, с формальными трудностями отражения этого факта в тогдашних стандартах на форму представления технических характеристик. Иными словами, подобное занижение

характеристик было "страховкой", главным образом, от гипотетических претензии потребителя, эксплуатирующего прибор в условиях очень высокого, в том числе и превышающего допустимый по ТУ, уровня помех, снижавшего быстродействие прибора в высокоимпедансных поддиапазонах измерения.

Что касается приборов Р5031 и ЦЕ5004, то они, будучи подготовленными к серийному выпуску (были изготовлены их опытные образцы, прошедшие лабораторные испытания» а Р5031 и заводские), так и не были запущены в производство, что произошло лишь в результате распада СССР и последовавшего за ним развала и разрыва до этого тесно связанных экономик России.и Украины, где, как уже упоминалось выше, на киевском ПО "Точэлектроприбор" (в конце восьмидесятых годов переименованном в АО "Росток") внедрялись в серийное производство вес основные разработки автора, включая портативный цифровой измеритель RLC Р5030, ставший результатом коллективного творчества коллективов специалистов трех предприятий: ИПУ РАН, ИЭД АН УССР и СКВ ПО "Точэлсктроприпор". В создании его автор принимал участие как руководитель группы разработчиков со стороны ИПУ РАН,

Основное содержание и структура диссертации

Во введении дастся анализ истории развития и современного состояния проблемы построения СПИ, и МПИ В том числе, а также мировой технический уровень МПИ, Оцениваются важность и актуальность данной проблемы, выявляются пробелы в теории этих СП, а также недостатки современных МПИ. На этой основе определяется цель и осуществляется постановка общей и частных задач исследования и намечаются пути их решения преимущественно на основе развнваехмого в работе адаптивного подхода, который, как показано, наиболее эффективен при построении и совершенствовании сложных систем преобразования измерительной информации, к числу которых принадлежат МПИ,

В первой главе развивается идея создания (совершенствования) сложных устройств, или средств, преобразования измерительной информации (СПИИ), включая МПИ, на основе принципа адаптации как концепция комплексного адаптивного подхода, применяемого на всех этапах их создания, от проектирования до выходного контроля. Проводится анализ влияющих факторов и путей уменьшения их отрицательного воздействия на основные технические данные МПИ: Рассматриваются особенности СПИИ как автоматических систем и МПИ как их подкласса, а также возможности приложения к ним данного подхода. Дается краткий анализ современного состояния и особенностей адаптивных систем (АС) от самых совершенных, биологических, до технических.

Во второй главе рассматриваются вопросы теории нулевых
(уравновешиваемых) и неуравновеишваемых ЦПИ, а также особенности
их построения на основе адаптивного подхода. При этом, главным
образом,, решаются те задачи, которые связаны с построением
многофункциональных ЦПИ. Разработан дескриптивный логико-
математический подход к осуществлению обобщенного анализа и
формального синтеза уравновешиваемых цепей переменного тока; решены
задачи формального синтеза и систематизации структур подклассов
нулевых цепей переменного тока и осуществлен синтез трех ранее
неизвестных подклассов нулевых цепей с высокими метрологическими
данными н открывающими возможность строить на их основе полностью
бесконтактные цепи; доказано фундаментальное положение в теории
измерительных цепей о невозможности измерения с помощью пассивных
нулевых цепей частотозависимых параметров иммйтаиса в непрерывном
диапазоне частот; синтезированы структуры активных

многофункциональных широкополосных неуравновешиваемых цепей преобразования параметров иммйтаиса в напряжения с комбинированными прямыми и обратными связями; синтезированы структуры пассивных многофункциональных широкополосных неуравновешиваемых цепей преобразования параметров иммйтаиса в токи с повышенной помехоустойчивостью, а также комбинированная перестраиваемая^-ЦПИ с преобразованием пассивных величин в токи и напряжения,

В' третьей главе рассматриваются методы организации и совершенствования процедур получения и преобразования измерительной информации в МПИ преимущественно на основе принципе адаптации. С их помощью решаются задачи построения широкополосных МПИ, обладающих высокой точностью и разрешающей способностью по измеряемым параметрам и частоте, а также МПИ, работающих одновременно на нескольких частотах. За счет адаптации к амплитуде сигнала разбаланса нулевой ЦПИ минимизируются динамические погрешности в режиме слежения за быстро изменяющимися параметрами ОИ. Адаптация к соотношению параметров измеряемого (преобразуемого) иммитанса позволила довести до минимума; число тактов уравновешивания нулевых ЦПИ, а осущесвление адаптации к длительностям' переходных процессов в системе уравновешивания нулевой цепи дало возможность минимизировать времена тактов уравновешивания и приблизить их к временам переходных процессов, возникающих на каждом такте в результате коммутации многозначных мер ЦПИ. Разработанные алгоритмы позволили создать самые быстродействующие в мире цифровые мосты переменного тока» обладающие при этом повышенной помехоустойчивостью и простотой реализации.

В четвертой главе адаптивный подход распространяется на организацию (рационализацию) процедур (алгоритмов) выходного контроля (первичной поверки) многофункциональных СП. С его помощью и с учетом современного состояния вопроса о поверке СИ был разработан общий подход к синтезу ("частных") алгоритмов (методик) поверки (ЛП) МПИ» из которого вытекает структурно - аналитический метод синтеза таких процедур- Рассмотрены вопросы реализации метода, а также проектирования МПИ по критерию оптимальности и, что особенно важно, достоверности ПП, с ориентацией на ее полную автоматизацию, включая постановку вопроса о их "самоповерке" (как самодиагностике в сочетании с автокалибровкой).

Как показали сделанные оценки на примере серийного моста переменного тока Р5058, учет особенностей МПИ позволяет более чем на порядок сократить число тестовых воздействий на прибор при его выходном контроле, а также довести до минимума число используемых мер емкости и практически исключить применение громоздких и грубых мер индуктивности.

В мятой главе рассматриваются принципы технической реализации МПИ с адаптивными возможностями, нашедшие воплощение в серийных приборах широкого назначения. Излагаются результаты исследований, связанных с построением МПИ на основе нулевых и неуравновешиваемых ЦПИ, предложенные принципы и способы построения их основных узлов и элементов, обеспечивающие расширение функциональных возможностей МПИ, а также повышение их быстродействия, разрешающей способности и точности преобразования. Описываются особенности построения и функционирования, а также технические характеристики разработанных на базе этих и полученных в других главах результатов исследований серийных и подготовленных к серийному производству приборов, ставших в качестве цифровых автоматических измерителей иммпганса "первенцами" отечественного, а по применению в МПИ электронных (токовых) переключателей - и мирового приборостроения.

Дается сравнительный анализ их технических данных, а также указывается, какие из разработанных автором методов и структур нашли в. них отражение. Отмечается рассчитанный на заводе-изготовителе подтвержденный Мпнприбором СССР многомиллионный (в ценах, до 1990г) экономический эффект, полученный от эксплуатации этих приборов в народном хозяйстве.. Упоминаются также разработанные, о других организациях цифровые мосты переменного тока, построенные на основе описанных в главе III однонаправленных алгоритмов координированного уравновешивания.

1J заключении излагаются основные научные и практические результаты, полученные на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований, и выводы.

Особенности построения технических АС. Целевая функция и целевой алгоритм. Необходимые и достаточные условия адаптивности системы

Особенности построении технических ЛС. Целевая функции и целевой алгоритм. Необходимые и достаточные условия адаптивности системы.

Несмотря на то, что современные ТАС, будучи гораздо проще БС, в большинстве своем существенно уступают им в эффективности функционирования, они в настоящее время получают все большее распространение и приобретают все большее значение, поскольку технические системы достигли уже такого уровня развития, что осуществлять дальнейшее повышение их эффективности становится все более: продуктивно путем расширения адаптивных возможностей этих систем»

С момента начала развития ТАС (примерно с сороковых годов прошедшего столетия) до настоящего времени накоплен огромный опыт в их построении и применении и разработано множество типов этих систем.

Не вдаваясь в детали достаточно сложной мозаики ТАС, отметим лишь, что по функциональному назначению современные ТАС, как и технические системы вообще, делятся на; - управляющие (регулирующие), действующие в соответствии с той или иной целевой функцией и приводящие в требуемое состояние объект управления (ОУ), которым в отдельных случаях может являться сама САУ,распознающие, служащие, например, для ввода в ЭВМ текстов или речевых сигналов, либо для решения задач медицинской и технической диагностики,обучающие, чаще всего в виде компьютеризированных обучающих машин, иинформационные, в том числе информационно-поисковые иинформационно-измерительные системы (ИИС), к которым относятся(непосредственно или косвенно) и системы контроля, сбора данных,сигнализации, идентификации, а также разного рода средств измерений(СИ) и преобразования. Заметим при этом, что многие сложные системывключают в себя указанные разновидности систем в качестве подсистем.

Что касается распознающих и обучающих, а также информационно-поисковых систем, то из-за их специфики мы их рассматривать не будем, а па управляющих, как наиболее близких по принципам построения к СПИИ (МПИ), остановимся более подробно-Управляющие АС, или адаптивные САУ (АСАУ), по характеру функционирования делятся на беспоисковые АС и АС поискового типа.

По принципу управления, т.е. в зависимости от того,.работают ли они по отклонению или по возмущению, они делятся соответственно на замкнутые и разомкнутые системы,. По структурно-алгоритмическим признакам все АС делятся на одно-и многоуровневые, или иерархические.

По типам механизмов адаптации АСАУ делятся на: самонастраивающиеся, в. которых в зависимости от условийфункционирования производится перестройка лишь основных параметров(характеристик) этих систем, самоорганизующиеся, в которых помимо перестройки параметровосуществляется перестройка структур (как отдельных подсистем, так и системы в целом), исамообучающиеся, в которых структурные изменения обычноотсутствуют, а совершенствование поведения.системы достигается за счетоптимизации алгоритма ее функционирования. Нужно учитывать также деление АС на аналоговые и дискретные, поскольку от этого существепно зависят возможности реализации в них тех или иных механизмов адаптации, хотя при этом нужно оговориться, что большинство современных АС носит смешанный характер. Для определения места АСПИИ (и АМПИ в том числе) среди ТАС требуется учитывать также деление последних по целям их функционирования, выражающимся в выполнении так называемых целевых функций с налагаемыми па них условиями, которыми для АСАУ, к числу которых относятся и устройства управления АСҐШИ, в обобщенном виде являются: В (1.1),.-(1.2) Xj-Xi(t) - текущее значение і-го параметра ОУ, х -значение его уставки. В (1,3) Xj- i-ый параметр ОУ, fj(xj)=fJ(Xb„.,Xjf.,., xN4n)-функция не менее чем N параметров ОУ (п 1), а N - число параметров, по которым отрабатывается экстремум функции - функция, на которой достигается экстремум функционала - вариация этого функционала, функции, близкие по областям значений при одних и тех же интервалах значении параметров х{ (xiinln xs ximas). Целевые функции с налагаемыми на них условиями вида (1,1),..(1.2) имеют все беспоисковые САУ и САР, включая простейшие регуляторы, а также часть поисковых систем, в частности, работающих по принципу "взвешивания", когда тестовые воздействия на ОУ совмещаются с управляющими (регулирующими). По этому принципу работает и большинство СПИИ, включая МПИ, однако в них воздействия осуществляются не на объект исследования (ОИ), а на регулирующие органы. Функции вида (13)...(1.4) имеют САУ поискового типа, причем, функции вида (1,3) характерны для экстремальных систем управления (регулирования), а вида (1.4) - для так называемых оптимальных систем. Для СПИИ, и МПИ, в том числе целевые функции (функции конечного состояния) вида (13) существенно более редки по сравнению с (1.1)..,(1.2), а вида (1.4) на практике по сути не встречаются. Для решения практических задач, связанных с применением адаптивного подхода, необходимо иметь рабочее" определение АС. Однако воспользоваться каким-либо из известных определений, принадлежащих даже крупным специалистам в области АС [37,80,155, 156,169,174,188], хотя эти определения и вполне адекватны сложности и LINK2 2.1.3. Анализ функциональных возможностей пассивныхнулевых ЦПИ в непрерывном диапазоне частот. Доказательствоположения о невозможности (инвариантного по отношению к.рабочей частоте) измерения с помощью ПНЦчастотозависимых параметров иммитанса (tgS, Q и ImX)

Анализ функциональных возможностей пассивных нулевых ЦПИ в непрерывном диапазоне частот. Доказательство положения о невозможности (инвариантного по отношению к. рабочей частоте) измерения с помощью ПНЦ частотозависимых параметров иммитанса (tgS, Q и ImX)

В этом параграфе излагается содержание дескриптивного логико-математического подхода к анализу и синтезу нулевых цепей переменного тока, позволяющего осуществлять анализ этих цепей в наиболее общем виде и полностью формализовать процедуру их синтеза, что особенно эффективно при большом числе анализируемых вариантов, в частности, имеющем место в случае пассивных компенсационных цепей для измерения параметров иммитанса. Рассматриваются функциональные возможности а также основные особенности технического воплощения анализируемых цепей. Рассмотрение проводится на примере пассивных прямоу голь покоординатных компенсационных цепей (ПКЦ) с сосредоточенными R,L,C параметрами. Суть излагаемого подхода [16,22,23], заключается в следующем:во-первых, при получении формул применяется прием алгебраической формы записи логико-математических выражений с помощью двузначных (булевых) функций [157], а именно: во-вторых, при выполнении анализа производится обобщение комплексных величин, как активных (токов I и напряжений U): W=UvI, где символом W обозначен обобщенный источник активной величины, так - в-третьих, также с помощью булевых функций осуществляется единообразное представление иммитансов X последовательных и параллельных двухэлементных двухполюсников d[, где i=svp, которые при последовател ьных схемах замещения обозначаются как dst а при параллельных - как dp. И производится это с учетом возможных разновидностей импедансов и адмиттансов емкостных и индуктивных ДВуХЭЛемеНТНЫХ двухлолюсников К которым, собственно, и применимы эти понятия:где индекс s имеют элементы последовательных двухэлементных двухполюсников, а индекс р - параллельных: RLs и RCs - сопротивления, включенные последовательно с индуктивностью Ls и емкостью Cs, a Gcp и GJP - проводимости, включенные параллельно с индуктивностью Lp и с емкостью Ср, a TLS, Tcs, сР и TLp - постоянные времени этих двухполюсников. Входящие в (2ЛЛЗ) иммитансы представляются в виде единой (обобщенной) формулы:где а; н pi - булевы функции (cti,pi=±l). При этом легко видеть, что функция ctj отражает и характер иммитанса Xj (если di=I, то Xj - импеданс, а если ХЇ=—U то - адмиттанс), и структуру содержащего его двухполюсника (если а =1, то двухполюсник является последовательной цепочкой, а если ар-1, то - параллельной). Функция pi отражает характер реактивности Н : при рр-1 реактивность является емкостью, а при PF 1 - индуктивностью:

Из вышеизложенного следует, что пара чисел, являющихся значениями функций а\,% полностью определяет вид и характер иммитанса, т.е. функции аф[ составляют примитивный язык, или, точнее, алфавит, в котором любой иммитанс может быть описан (представлен) словом, являющимся строкой матрицы 11 ctj,pjl I. ПКЦ принадлежат к числу цепей с линейной зависимостью между регулируемыми величинами и составляющими компенсирующей активной величины. Поэтому для осуществления с их помощью измерения иммитанса (X) необходимо его тоже линейно преобразовать в напряжение или ток. Приведенная на рис.2.1.9 обобщенная функциональная схема ПКЦ для измерения активной и реактивной составляющих иммитанса X объединяет различные частные варианты подавляющего большинства такого типа ПКЦ [38,40,70,120,121,134,141,..,143,212,227]. Балансировка соответствующих данной схеме ПКЦ происходит путем регулирования пары параметров из числа регулируемых: kwx, kwk к%е, к\т, ReXt, ImXk либо непосредственно значений Wox и \Vok, правда, в подавляющем большинстве практических случаев эти источники объединены. Условием баланса ПК1Д является равенство значений входных величин компаратора: где Из (2.1.17) следует, что a0-ax и Р0=рх, а это с учетом одинакового характера W0k и Wox позволяет сделать важный вывод о одинаковом характере Rx и R01 а также Н и Ц,. Последнее необходимо учитывать при техническом воплощении ПКЦ, в частности, при технической реализации таких регулируемых параметров ПКЦ как R/ var и H0a Px=var. Приравняв действительные и мнимые части (2Л .17), с учетом (2ЛЛ5) и (2ЛЛ6) получим: Возведя первое уравнение из (2ЛЛ8) в степень ах, а второе - в степень аурч, согласно (2Л Л6) будем окончательно иметь: Рассмотрим теперь случаи измерения одной из составляющих иммитанса и постоянной времени тх. Начнем с случая измерения Нх и v Для этого преобразуем (2Л Л7) с учетом того, что а0=ах и ро—Рх? к виду:

Способы улучшения динамических характеристик МПИ с неуравновешиваемыми ЦПИ

Метод расчета физической модели резистивной меры п области высоких частот Этот метод, пока что никем не применяемый, позволяет устранить влияние на точность преобразования в области высоких частот (начиная с единиц мегагерц) не только се паразитных емкостей и индуктивностей но и скин-эффекта, приводящего к увеличению действующего значения активного сопротивления резистнвной меры. Для его реализации нужна математическая модель резистивной меры, учитывающая ее физическую модель, в широком диапазоне частот. Мы не углубляемся в детальные расчеты, поскольку им должны предшествовать тщательные и имеющие самостоятельное научное значение экспериментальные исследования. Данный метод следует рассматривать как дополняющий предыдущий.

Если оба эти метода, по крайней мере первый, по постановке не отличаются особой оригинальностью, то рассматриваемый ниже метод претендует на нее в полной мере;Метод неравномерной дискретизации сигналов переменного тока с адаптацией к их частотам и его приложение к задачам фильтрации и гармонического анализа

Данный метод позволяет осуществлять быстрое выделение одного или нескольких сигналов из суммы синусоидальных колебаний посредством их неравномерной дискретизации [7] и суммирования дискрет» Разработаны алгоритмы, впервые позволившие получить точное решение в общем виде таких задач спектрального анализа как задачи фильтрации синусоидальных сигналоп и гармонического анализа периодических сигналов, т.е. дискретного преобразования Фурье [42,137,135] при помощи лишь суммирования дискрет без применения операций умножения.

Ранее частное решение задачи гармонического анализа при помощи суммирования дискрет, а именно, алгоритм выделения первой гармоники периодического сигнала, было получено и обосновано автором в работе [10]. Частное приближенное решение этой задачи для случая первой гармоники было также получено в работе [236], а в работе [237] было получено частное решение для случая третьей гармоники. В работах [233,148] сделаны попытки получения заведомо приближенного решения этой задачи в общем виде.

Суть развиваемого метода заключается в формировании (синтезе) множеств значений моментов времени, при наложении которого на сумму сигналов перееденного тока осуществляется выделение одних сигналов и подавление других путем простого суммирования элементов получающегося в результате такого наложения множества мгновенных значений этих сигналов, или дискрет. Формирование алгоритмов выделения/подавления сигналов производится путем "пошагового" (ступенчатого) расширения круга подавляемых сигналов.

В основу метода положено свойственное синусоиде (косинусоиде) соотношение:где С - амплитуда, И=2ЇІҐ - угловая (круговая) частота, р - начальная фаза, а Т -период гармонического колебания: Таким образом, в выражении (3.4.1) і выступает как дискретное (целочисленное) время, а М - как период колебаний вида (3.4.3), выраженный тоже целым числом укладывающихся на нем дискрет,

В дальнейшем при анализе возможностей выделения сигнала из суммы ему подобных гармонических колебаний и синтезе алгоритмов его выделения мы будем стремиться к максимальной простоте и "прозрачности" синтезируемых алгоритмов. Ниже рассматриваются открывающиеся при применении метода возможности для решения важных практических задач спектрального анализа, связанных с фильтрацией и гармоническим анализом периодических сигналов.Фильтрация синусоидальных сигналов

При решении предлагаемым методом задачи фильтрации синусоидального (косинусоидального) сигнала, т.е. выделения такого сигнала из. суммы ему подобных, необходима информация о значениях частот (а точнее, периодов) этих сигналов.Это нужно учитывать при синтезе алгоритмоввыделения/подавления сигналов в тех случаях, когда значения их периодов не известны априори или известны приблизительно и в процессе фильтрация, меняются в тех или иных пределах. Иными словами, при отсутствии такой априорной информации, синтезируемые алгоритмы должны содержать в необходимом объеме операции адаптации к значениям периодов подавляемых и выделяемого сигналов, а, следовательно, с получением в необходимом объеме (апостериорной) информации о них,

С этой целью может быть применена, например,, процедура постепенной перестройки LC-коіпура в диапазоне ожидаемых значений частот фильтруемых (и подаваемых на его вход) сигналов с измерением его выходных сигналов при каждом значении резонансной частоты. И хотя эта процедура очень медленна, ее однократное применение, особенно с минимизацией точек измерения, оправданно. Данный способ приведен в качестве примера как наиболее наглядный. Кроме него имеется много других способов, более быстрых и более простых в реализации, в том числе с помощью дискретизации сигналов, но останавливаться на них более подробно не входит в нашу задачу.

После этих вводных замечаний приступим к решению поставленной задачи, заключающейся в выделении так называемых "синусной" и "косинусной" (которые иногда, на наш взгляд, более удачно называют

Вопросы реализации и оценка эффективности метода синтеза АП МПИ

Повышение разрешающей способности АЦПинтегрирующего типа с помощью нелинейного делителя напряжении

На разрешающую способность АЦП интегрирующего типа влияют как детерминированные, так и случайные помехи. Возможности подавления детерминированных помех были рассмотрены выше. Здесь же будет рассмотрен описанный в [36,61] чисто аппаратурный способ борьбы с случайными помехами, поступающими на вход компаратора АЦП, посредством ввода в канал усиления интегратора АЦП нелинейного делителя напряжения (НДН), составленного из двух встречно-параллельно включенных диодов и резистора г. При этом НДН включается перед выходным каскадом операционного усилителя (ОУ) интегратора, а сигнал на нуль -орган АЦП поступает со входа НДН (рис.5.2.4а):

Коэффициент передачи НДН стремится к пулю при стремлении к нулю выходного сигнала интегратора и близок к единице при максимальном сигнале, В результате и общий коэффициент усиления в петле обратной связи ОУ интегратора по мере приблилсения выходного сигнала к нулю также падает до нуля, т.е. фактически устройство становится неработоспособным. Поэтому диодная цепочка должна бытзашунтирована резистором (R), и тогда, несмотря на включение НДН, коэффициент усиления все - таки остается достаточно большим, а процесс разряда конденсатора в интеграторе (в первом приближении) не претерпевает изменении, т.е. его постоянная времени остается прежней (т=КиСи) и, следовательно, время его разряда остается таким же, как если бы НДН отсутствовал, И при этом очень важно, что момент перехода напряжения на входе НДН совпадает с моментом перехода, через нуль напряжения на конденсаторе.

Особо следует подчеркнуть, что если напряжение на Си падает линейно, то-напряжение U па входе НДН падает вблизи перехода через нуль с нарастающей крутизной, достигая в нем максимума. Таким образом, именно в момент фиксации окончания времени разряда Си отношение- сигнал/помеха достигает максимума, что и приводит к повышению разрешающей способности АЦП.

Крутизна перехода выходного сигнала интегратора через, нуль-(см. рис.5.2.4Ъ) увеличивается в 1/р раз, где р - коэффициент передачи НДН:

Однако из этого выражения не следует делать вывод о том что увеличение крутизны может быть сколь угодно большим или хотя бы соответствовать значению коэффициента усиления. ОУ на постоянном токе Кш так как частотная зависимость, коэффициента усиления ОУ ограничивает максимальную скорость перехода через нуль выходного напряжения интегратора:

Кроме этого следует учитывать и наличие времени задержки, обусловленное также частотной зависимостью К:

В результате: все погрешности преобразования такого АЦП. (как высокочастотные, так и низкочастотные) возрастают в t/p раз. Однако несмотря на это применение данного способа позволило почти на порядок повысить разрешающую способность анализатора иммитанса ЦЕ5004 с фазочувствителытым АЦП интегрирующего типа без ощутимых дополнительных погрешностей, доведя ее до 0,00! „.2% несмотря на отсутствие в приборе гальванической (онтронпой) развязки измерительного и вычислительного трактов.

В заключение отметим, что данное техническое решение, будучи весьма эффективным, вместе с тем просто в реализации, в том числе средствами гибридной и интегральной технологий и может успешно применяться во всех СИ, где важно уменьшить влияние на результат преобразования импульсных помех без потерн быстродействия.

Кроме того особо отметим имеющуюся при этом возможность, применяя два компаратора, фиксировать значения переходов через нуль напряжений интегратора до и после нелинейного делителя напряжения, что позволяет вычислительным путем оценить значение помехи и тем самым еще больше (практически еще в р раз) повысить точность измерения момента перехода сигнала интегратора через нуль.

Похожие диссертации на Теоретические основы построения и техническая реализация многофункциональных преобразователей комплексного сопротивления на базе адаптивного подхода

Теоретические основы построения и способы технической реализации частотно-импульсных устройств с пуассоновским распределением информационных потоковКасьяненко, Анатолий Алексеевич

Повышение эффективности устройств управления микроволновых технологических установок на основе вероятностных подходовАглиуллин Артур Факилевич

Разработка и исследование нелинейных регуляторов и наблюдателей на основе квазилинейного подхода Ланская Алла Алексеевна

Теоретические основы построения избыточных непозиционных числовых представлений для синтеза высокопроизводительных устройств и структур распределенных АСУХацкевич, Вильям Харитонович

Разработка основ теории, принципов построения и исследование корреляционных систем технического зрения с телевизионным датчиком изображений различных размерностей и цветностейСырямкин, Владимир Иванович

Рекурсивные кодовые шкалы : Разработка основ теории, методов построения и использования для преобразования перемещенийОжиганов, Александр Аркадьевич

Основы теории и принципы построения отказоустойчивых самоорганизующихся логических мультимикроконтроллеровКолосков, Василий Александрович

Генераторы случайных и псевдослучайных последовательностей на цифровых элементах задержки (основы теории и методы построения)Кузнецов, Валерий Михайлович

Разработка методов и средств построения систем прецизионного позиционирования на основе твердотельных волновых датчиков и вибродвигателейСнитко, Валентинас Юргио

Базовые электронные модули для построения PET-сканера высокого разрешения на основе позиционно-чувствительных фотодетекторовМьят Вин Тун