автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Методы помехоустойчивого преобразования иммитанса в широком диапазоне частот и их реализация в универсальных виртуальных приборах

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт проблем управления -им. В.Л. Трапезникова РАН-

На правах рукописи

003459762 БОБЫЛЁВ Дмитрий Алексеевич

МЕТОДЫ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИММИТАНСА В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В УНИВЕРСАЛЬНЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

Специальность: 05.13.05 Элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

г- \ \ «I

Москва 2008

003459762

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем управленияим. В.А.Трапезникова РАН

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

СОВЛУКОВ Александр Сергеевич

кандидат технических наук, доцент КАШИРИН Юрий Валентинович

Ведущая организация Московский государственный институт

радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)

Защита состоится " .16 " феврбМЯ 2009г. в ¿У часов на заседании Диссертационного совета №3 (Д 002.226.03) Учреждения Российской академии наук Института проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН по адресу: 117997, Москва, ул. Профсоюзная, д. 65. Телефон Совета: (495)334-93-29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН.

Автореферат разослан" о&Со^?У 200<?г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета \г

доктор технических наук , профессор^ ¿/'/сД ^ Е.В.Юркевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Методы исследования объектов различной физической природы на основе анализа их иммитанса (комплексного сопротивления или проводимости) получают сегодня все большую популярность у исследователей в самых разнообразных областях науки и техники благодаря его высокой информативности. Однако возможности использования для научных исследований и промышленного контроля существующих автоматических средств преобразования иммитанса (СПИ), представленных на мировом рынке в основном автономными приборами, ограничены и во многом не удовлетворяют требованиям потребителей, что делает исследования, направленные на их совершенствование, важными и актуальными.

В частности, оценивая возможности современных СПИ, нужно прежде всего отметить, что большинство из них имеет недостаточно широкий частотный диапазон. Как правило, ведущие фирмы перекрывают широкий частотный диапазон с помощью нескольких приборов (как минимум, двух), что доставляет пользователю серьезные неудобства. Выпускаемые же (в основном зарубежными фирмами) универсальные автономные СПИ с широким диапазоном частот по своей стоимости малодоступны исследователям и даже средним промышленным предприятиям. Поэтому сегодня весьма актуальна задача создания недорогих универсальных приборов с широким диапазоном частот (порядка юЛ.ЛО'Гц).

Кроме того, современные серийно выпускаемые СПИ отличаются достаточно высоким уровнем тестового сигнала, обычно не менее десятков, а в лучшем случае единиц милливольт, в то время как в ряде научных исследований требуются измерения при сверхнизком уровне тестового сигнала, составляющем сотни микровольт и менее. Здесь на передний план выступает проблема подавления помех, и, прежде всего, сетевой помехи, которая в зависимости от характера объекта исследования, его физической природы и условий эксперимента может существенно (на несколько порядков) превышать уровень полезного сигнала. Кроме этого, не менее важной является проблема подавления влияния экспоненциальных переходных процессов, неизбежно возникающих в цепях преобразования иммитанса при подключении объекта исследования к цепи преобразования, при переключении частоты тестового сигнала, а также при изменении постоянного напряжения (тока) смещения. В последнем случае уровень экспоненциальной помехи также может существенно превышать уровень полезного сигнала.

Работы над проблемами совершенствования СПИ ведутся уже в течение несколько десятилетий. Известны своими достижениями

научные школы В.Ю. Кнеллера (г. Москва), Ф.Б. Гриневича (г. Киев), Б.И. Швецкого (г. Львов), В.М. Шляндина (г. Пенза). Большой вклад в теорию помехоустойчивых преобразований сигналов внесли И.М. Вишенчук, B.C. Гутников, Э.К. Шахов, В.Д. Михотин, Б.В. Чувыкин и др. Однако, несмотря на достигнутые результаты, проблема создания широкополосных помехозащищенных и при этом достаточно простых СПИ по-прежнему остается актуальной.

Для решения этой проблемы в наибольшей степени подходят виртуальные приборы, состоящие из недорогого преобразователя, сопрягаемого с персональным компьютером (ПК), и специализированного программного обеспечения. Такой подход к построению СПИ позволяет создавать виртуальные СПИ (ВСПИ) с техническими характеристиками на уровне лучших автономных приборов и обладающие при этом существенно большими возможностями в плане обработки, отображения и хранения информации, а также автоматизации процессов преобразования иммитанса, что одинаково важно и в области научного эксперимента, и в промышленности.

При этом нужно отметить, что создание ВСПИ (работы в этом направлении ведутся в Институте проблем управления РАН под общим руководством В.Ю. Кнеллера с участием автора больше двух десятилетий) представляет собой концептуально иную задачу, нежели разработка автономных СПИ, и требует особого подхода к их построению. Виртуальные приборы по сравнению с автономными открывают новые возможности для эффективного решения сформулированных выше задач, однако эти возможности необходимо оптимально реализовать, что тоже требует отдельного рассмотрения.

Целью работы являются разработка и исследование методов помехоустойчивого преобразования иммитанса в широком диапазоне частот и их оптимальная реализация в универсальных виртуальных приборах, используемых для научных и технических исследований, а также в составе систем технического контроля и управления.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд задач, основными из которых являются:

- разработка методов преобразования и цифровой обработки сигналов, оптимальных для применения в универсальных широкополосных ВСПИ;

- разработка методов подавления переходных процессов и помех в процессе фазочувствительного преобразования;

- разработка ряда виртуальных ВСПИ, отличающихся от существующих приборов изменяемыми в широких пределах функциональными возможностями, позволяющими адаптироваться к

особенностям исследуемого объекта, а также технологичностью при серийном производстве и невысокой стоимостью.

Методы исследования. Методы функционального и спектрального анализа, методы теории электрических цепей, методы теории цифровых фильтров.

Научная новизна работы заключается:

- в разработанной концепции построения универсальных широкополосных ВСПИ на основе помехоустойчивого фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока;

- в предложенном методе фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока, основанном на представлении их в виде массивов интегральных дискрет, допускающем гибкую адаптацию функции преобразования ВСПИ к частоте тестового сигнала и характеру помех при минимальных аппаратурных затратах на его реализацию;

- в разработанных методах повышения эффективности подавления сетевой помехи в процессе фазочувствительного преобразования, позволяющих осуществлять преобразование иммитанса при малом значении отношения сигналУпомеха в широком диапазоне частот тестового сигнала;

- в методе синтеза фазочувствительных преобразований, обеспечивающих подавление экспоненциальных помех, а также помех, представимых полиномом конечной степени, в сочетании с другими избирательными свойствами.

Практическая ценность работы_заключается

- в разработанных принципах построения помехоустойчивых широкополосных ВСПИ с широкими функциональными возможностями;

- в разработанных методах повышения помехоустойчивости широкополосных ВСПИ, сочетающих в себе простоту реализации и широкие адаптивные возможности;

- в создании и внедрении в научное производство недорогих универсальных широкополосных ВСПИ с характеристиками, соответствующими уровню лучших автономных приборов, а по ряду показателей превышающих его.

Достоверность полученных результатов подтверждается приведенными математическими доказательствами,

экспериментальными исследованиями, результатами моделирования основных положений программными средствами, а также результатами их практической реализации в многочисленных конкретных приборах.

Практическая реализация результатов. На основе предложенных методов и технических решений автором в 1997-2008гг. разработаны и внедрены в различные области научных исследований около двух десятков широкополосных универсальных ВСПИ, которые

используются для исследований жидких и твердых электролитов, сегнетоэлектриков, полупроводниковых структур и других объектов различной физической природы.

Среди организаций, успешно использующих разработанные автором ВСПИ, Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН (г. Москва), Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, Московский энергетический институт, Институт физики твердого тела РАН (г. Черноголовка), Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН (г. Екатеринбург), Ростовский государственный университет, Кубанский государственный университет (г. Екатеринодар) и др.

Кроме этого, при непосредственном участии автора был создан и внедрен в серийное производство на киевском АП «Росток» цифровой измеритель КЬС Р5030 широкого применения.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях, в числе которых:

- 2-я Всесоюзная научно-техническая конференция «Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей», Пенза, 1981 г.

- Всесоюзная конференция «Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации», Москва, 1988г.

- Международная научно-техническая конференция «ИИС-94», -Москва, 1994 г.

- Международный симпозиум 1МЕКО по интеллектуальным приборам для дистанционных и непосредственных измерений, Брюссель, 1993 г.

- Международный симпозиум 1МЕКО по развитию цифровых измерительных приборов, Неаполь, 1998 г.

- Третья международная конференция по проблемам управления, Москва, 2006 г.

Российская конференция с международным участием «Программные и технические средства систем управления, контроля и измерения», Москва, 2008 г.

Основные положения, выносимые на защиту:

- концепция построения помехоустойчивых широкополосных многофункциональных виртуальных средств преобразования иммитанса,

- метод помехоустойчивого фазочувствительного преобразования сигналов на основе цифровой обработки интегральных дискрет в широком диапазоне частот тестового сигнала,

- методы подавления сетевой помехи, позволяющие осуществлять преобразование иммитанса при малом значении отношения сигнал/помеха в широком диапазоне частот,

- методы синтеза импульсных характеристик фазочувствительных преобразований, обеспечивающих подавление экпоненциальных помех, а также помех, представимых полиномом конечной степени.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в числе которых 6 статей в журналах из списка ВАК и два авторских свидетельства на изобретения СССР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, в том числе 43 рисунка. Список литературы составляет 86 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена ее цель, сформулированы задачи исследования, а также положения, выносимые на защиту. На основе анализа информации, полученной из многочисленных публикаций, посвященных импедансным исследованиям в различных областях естественных и технических наук, выявлены требования к современным универсальным широкополосным ВСПИ, реализация которых позволит повысить эффективность методов исследования объектов различной физической природы на основе анализа их иммитанса [1], а также расширит возможности применения преобразователей иммитанса в промышленности.

В первой главе в результате анализа современных подходов к построению СПИ показано, что эффективность решения сформулированных задач во многом определяется выбранной концепцией построения универсального помехоустойчивого широкополосного ВСПИ, одной из составляющих которой является тезис о максимальном использовании возможностей ПК и минимизации объема и стоимости оборудования преобразователя. При этом минимизация инструментальных погрешностей должна достигаться не путем аппаратного усложнения узлов пробразователя, а путем их упрощения и, как следствие, упрощения модели, описывающей их влияние на точность преобразования, что существенно упрощает процедуру коррекции погрешности. При этом важно не столько значение погрешности, сколько стабильность параметров, ее обуславливающих.

Другой составляющей предлагаемой концепции является требование использования наиболее универсальных методов и способов преобразования как пассивных, так и активных величин, а также способов реализации отдельных узлов преобразователя.

Немаловажно также обеспечение аппаратурной автономности преобразователя. Он должен представлять собой отдельный блок преобразования, который в зависимости от условий эксперимента может быть удален от ПК на сотни метров, что диктует необходимость использования для связи с ПК последовательного порта.

На основе анализа существующих методов преобразования иммитанса показано, что оптимальным для решения поставленных задач является метод косвенного преобразования иммитанса (при синусоидальном тестовом сигнале) путем непосредственного измерения комплексного тока / , протекающего через объект исследования (ОИ), и комплексного напряжения и на нем с последующим вычислением их отношения [2]. В частности, для комплексного сопротивления это можно выразить как

U ReU + jMU

Z- — =-^-г. (1)

I Re / + jbnl

Данный метод преобразования иммитанса является наиболее универсальным. Он не требует никакой априорной информации о характере ОИ, обладает высоким быстродействием, особенно в области низких частот, и отличается простотой реализации, а также большими возможностями в плане повышения точности преобразования.

Выявлен класс преобразований «вектор-скаляр», использование которых наиболее эффективно при решении рассматриваемых задач. При этом показано, что использование нелинейных преобразований «вектор-скаляр» путем преобразования модуля вектора с помощью преобразователя средневыпрямленного или амплитудного значения сигнала и аргумента вектора путем непосредственного измерения разности фаз малоперспективно.

Показано также, что для сохранения универсальности ВСПИ, целесообразно использовать лишь линейные преобразования сигналов, представляющие собой скалярное произведение V исследуемого сигнала u(t) и некоторого эквивалентного опорного сигнала (ЭОС), представленного финитной на интервале Т функцией g(t)

Г/2

V= J U(t)g(f)dt. (2)

-г/2

Под ЭОС в данном случае понимается не реальный сигнал, а элемент математического описания, как правило, сложного линейного

преобразования электрического сигнала и(0> (включающего в себя с определенными оговорками и аналого-цифровое преобразование), которое может быть сведено к виду (2).

ЛюЬой ЭОС фактически задает определенное направление на комплексной плоскости и для реализации рассматриваемого метода преобразования иммитанса в соответствии с (1) требуется как минимум пара преобразований (2), позволяющих определить координаты векторов

и и / в некоторой системе координат, образованной парой ЭОС £ке(0 и #1Ш(0, именуемых фазочувствительными преобразованиями (ФЧП) и реализуемых с помощью фазочувствительных детекторов.

Согласно предлагаемой концепции особенно важно, что скалярное произведение (2) обладает свойством частотной фильтрации согласно теореме о равенстве скалярного произведения двух функций скалярному произведению их образов Фурье:

Т/2 _ ~ _

\и0)8№= ¡и(/)0(№,

-77 2 —

где £/(/) и - образы Фурье функций «(/) и g(l).

Согласно другой интерпретации этого свойства, скалярное произведение (2) эквивалентно мгновенному значению сигнала г<(г), пропущенного через линейное звено с импульсной характеристикой g(-t) [2]. В этом смысле ЭОС можно считать импульсной характеристикой (ИХ), его спектр - частотной характеристикой (ЧХ), а модуль спектра -амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) преобразования (2), .

Сравнительный анализ возможностей традиционных фильтров на основе линейных звеньев и избирательных возможностей ФЧП показал, что основные задачи повышения помехоустойчивости широкополосных ВСПИ следует решать на стадии ФЧП [3].

Поскольку избирательные свойства скалярного произведения (2) определяются видом ЭОС, а их вариация связана с вариацией формы ЭОС, были сформулированы ограничения на форму последнего, необходимые для сохранения приемлемой системы координат, образуемой парой ЭОС gRC(t) и glm(t).

При синтезе ИХ g(t), обеспечивающей требуемые избирательные свойства ФЧП, предложено представлять ее в виде свертки нескольких достаточно простых решетчатых или кусочно-постоянных функций:

8(0 = 8^0*82(0*..* 8 п(1), каждая из которых представляет собой ИХ фильтра, предназначенного для решения конкретной задачи фильтрации. Произведение ЧХ отдельных «звеньев» будет, соответственно, представлять собой ЧХ ФЧП:

G(/) = G1(/)G2(/)...Gn(/).

Данный прием можно интерпретировать как последовательное «включение» нескольких фильтров, каждый из которых обеспечивает подавление определенного вида помех, не подчеркивая при этом помехи другого вида. Такое представление позволяет любое преобразование, обладающее нужными избирательными свойствами, включить в общий «пакет» с минимальными аппаратурными затратами.

Во второй главе проведен анализ различных методов реализации ФЧП и предложен метод, оптимальный для ВСПИ.

Рассмотрены два основных метода реализации ФЧП, обеспечивающих минимум инструментальных погрешностей: ФЧП с аналоговым интегрированием сигнала, когда ЭОС gRc(?) и gim(i) представляют собой достаточно простые кусочно-постоянные функции, и ФЧП с дискретизацией сигнала, когда gRe(0 и gira(i) представляют собой решетчатые функции, а ФЧП приобретает характер взвешенного суммирования отсчетов.

Показано, что первый метод не позволяет гибко управлять избирательными свойствами ФЧП, а второй в случае широкого диапазона частот тестового сигнала (ТС) требует чрезмерно большого числа отсчетов и, кроме того, при малом значении отношения сигнал/помеха для него характерно значительное влияние шума квантования и дифференциальной нелинейности АЦП на результат ФЧП [4,5].

Специфика задачи преобразования иммитанса - необходимость получения в результате ФЧП информации лишь об одной спектральной составляющей исследуемого сигнала - позволила сформулировать оптимальный в данном случае метод ФЧП, который не просто подразумевает компромисс между рассмотренными выше методами, но и позволяет объединить положительные стороны каждого из них, практически полностью устранив их недостатки [4].

Для этого предложено (см. рис.1) при получении информации об исследуемом сигнале вместо массива его мгновенных значений формировать массив интегральных отсчетов {и,,} существенно меньшей (на два-три порядка) размерности, получаемых в результате интегральных преобразований вида:

пМ+т/2

ч„ = i u(t)g(t-nAt)dt, (3)

" пД(-г/2

где g(t) - некоторая финитная функция длительности х - элементарный ЭОС, например, типа «меандр» (рис. 1,а), At - шаг дискретизации, п -номер отсчета. Учитывая, что скалярное произведение сигналов u{t) и

g(t) эквивалентно мгновенному значению исследуемого сигнала it(t), пропущенного через линейное звено с ИХ g(-t), в момент времени i=0, такая интегральная дискретизация полностью эквивалентна классической дискретизации с шагом дискретизации ш сигнала it(i), пропущенною через линейный фильтр с ИХ g(-t) [5].

Конечный результат ФЧП представляет собой взвешенную сумму интегральных отсчетов:

1 N V=—Yhu ,

jyL » « '

где V - действительная или мнимая составляющие сигнала как комплексной величины, N - число интегральных отсчетов, /г„ - весовые коэффициенты.

В данном случае результирующая ИХ ФЧП w(f) (рис.1,в) будет представлять собой свертку ИХ дискретизатора g(-f) (рис. 1,а) и ИХ цифрового фильтра h(-t), представляющей собой решетчатую функцию (рис. 1,6) с весовыми коэффициентами Л„:

w(t)=g(-t)*h(-t).

С точки зрения избирательных свойств рассматриваемое ФЧП эквивалентно последовательному включению двух фильтров: фильтра с ИХ g(-t) и ЧХ G(-f), осуществляющего предварительную фильтрацию сигнала на этапе получения интегральных отсчетов, и цифрового фильтра с ИХ /¡И) и ЧХ H(-j).

а) е(-0

б) [Л ЛЛ / Л Л 1 \(\ А ■ У h(-t) \ л л h/1 U(t)

V V V V в) ,RRА ' v V V ' -At v V V UAJ V VV V 0 g(-t)*h(-t) J \i\l \J \ »(о п Я Я л< V V * t V V 1 V V у V i\ ЛШТул

УУ V v ^ Wo vyyv ^ /уЧМУ

Рис. 1

Для получения таких интегральных отсчетов предложено использовать простой, но отличающийся высокой линейностью АЦП с двухтактным интегрированием: в первом такте (заряд интегратора) осуществляется взвешенное интегрирование сигнала u(t) в соответствии с (3), а во втором (разряд интегратора) - преобразование интегральной дискреты во временной интервал и кодирование последнего [6].

Такая организация процесса преобразования особенно эффективна в ВСПИ, связанных с ПК через последовательный порт [7]. Время передачи 16-18 разрядного кода в ПК через последовательный порт (протокол RS-232) в этом случае соизмеримо с шагом дискретизации, так что передача кода п-й дискреты в ПК может осуществляться во время процесса получения и+1-й дискреты. В результате практически не требуется ни дополнительного времени на передачу результатов дискретизации в ПК, ни буферной памяти для их хранения.

В простейшем случае с увеличением частоты исследуемого сигнала/0 длительность т ИХ дискретизатора g(t) не меняется, а число периодов «меандра», умещающихся в интервале т, увеличивается пропорционально частоте сигнала. АЧХ рассматриваемого дискретизатора эквивалентна АЧХ полосового фильтра с шириной основного "лепестка" примерно 2/т [5].

Перестройка фильтра в диапазоне частот осуществляется весьма простым способом - изменением частоты «меандра». В области рабочих частот ниже 1/т ИХ дискретизатора представляет собой прямоугольное окно длительности х и по мере снижения частоты ТС интегральная дискретизация плавно переходит в классическую. Необходимо отметить, что при этом практически не требуется никакого дополнительного оборудования.

Цифровой фильтр в простейшем случае реализует синус- и косинус-преобразование Фурье с учетом равномерного характера дискретизации [8]. Однако в общем случае на стадии цифровой фильтрации можно использовать все возможности известных цифровых фильтров с конечной ИХ.

Предлагается также стратегия, позволяющая манипулировать избирательными свойствами дискретизатора и цифрового фильтра, и таким образом, гибко адаптировать избирательные свойства ФЧП к условиям преобразования (к соотношению частот ТС и сетевой помехи, к априорной информации о соотношении их уровней, к характеру и уровню переходного процесса) с целью достижения требуемой точности и максимального быстродействия.

Третья глава посвящена рассмотрению методов подавления сетевой помехи (СП) в ВСПИ. Сложность проблемы подавления СП заключается в том, что СП имеет достаточно широкий линейчатый

спектр, причем гармоники с высокими номерами вплоть до 9-11-й также могут оказывать существенное влияние на результат преобразования [8].

В работе рассмотрены два основных алгоритмических метода подавления ы i.

1. Метод синхронизации циклов преобразования (МСЦП) напряжением сети.

2. Метод фильтрации СП в процессе фазочувствительного преобразования [9].

Суть первого метода состоит в том, что производятся как минимум два полных и совершенно идентичных цикла преобразования, каждый из которых включает в себя все ФЧП, необходимые для преобразования иммитанса. Эти циклы сдвинуты друг относительно друга на интервал времени Т, равный целому числу N периодов СП с частотой /п : T=N/fn, причем фаза ТС во втором цикле изменяется на 180°. Длительность интервала Т больше или равна длительности цикла преобразования.

Таким образом, фаза помехи в обоих циклах одинакова, а фазы полезных сигналов (тока, протекающего через двухполюсник и напряжения на нем) противоположны. Если параметры помехи неизменны, то при вычитании результатов ФЧП двух циклов преобразования влияние помехи полностью исключается, и при этом не предъявляются никакие требования к избирательности ФЧП.

Показано, что в силу линейности преобразований МСЦП процедуру его применения можно представить как прохождение ТС и ЭОС одного цикла через режекторный фильтр с ИХ h(t)-0,5-0,58(t-T), которую уместно назвать функцией синхронного повторения циклов (ФСПЦ). Модуль ее спектральной характеристики |#(/)|-|sin(Ti7J), имеет нули на частотах kfJN, где к - целое число. Это обеспечивает нулевую чувствительность метода не только к СП, но и ко всем значениям иммитанса в указанных выше точках частотного диапазона ТС.

Например, если частота ТС равна частоте СП, то в силу конечной длительности Т одного цикла преобразования его результатом будет интегрально-взвешенная оценка иммитанса в окрестности этой частоты шириной примерно ИТ. В случае применения МСЦП результат преобразования иммитанса вообще не будет зависеть от значения иммитанса на частоте ТС, а будет представлять собой полусумму его интегрально-взвешенных оценок на соседних частотах/п-1/2Г и/п+1/2Г. Такая оценка значения иммитанса на частоте /п практически не будет отличаться от его истинного значения на этой частоте лишь в том случае, если импульсную характеристику ОИ можно считать финитной на интервале синхронизации Т.

Таким образом, расширение класса ОИ, для которых применим рассматриваемый метод, требует увеличения интервала синхронизации

Т. Однако здесь возникает противоречие, связанное с тем, что полоса затухания спектральной характеристики ФСПЦ на частоте СП при заданном коэффициенте кп подавления СП довольно мала и уменьшается пропорционально росту интервала Т. Это означает, что даже небольшая нестабильность частоты СП может приводить к существенной погрешности уже при длительности интервала Т примерно 0,2...0,3 с.

С целью устранения этого недостатка предложен способ расширения полосы затухания спектральной характеристики ФСПЦ посредством повышения кратности п ее нулей [10]. В этом случае число циклов преобразования иммитанса увеличивается до п+1. При этом результат ФЧП будет представлять собой алгебраически взвешенную сумму результатов ФЧП п+1 циклов, а коэффициент подавления СП составит [Ю].

В отличие от МСЦП метод подавления СП в процессе ФЧП более универсален. Учитывая широкую полосу частот ТС современных ВСПИ, невозможно предложить какой-либо один способ подавления СП в процессе ФЧП, одинаково эффективный для всех частот диапазона ТС. Поэтому предложен вариант разбиения частотного диапазона ТС на полосы в зависимости от сложности решения данной задачи, а также методы ее решения оптимальные в каждой полосе частот ТС [11].

Кроме того, предложен метод синтеза ИХ дискретизатора для наихудшего случая, когда частоты ТС лежат в диапазоне 20..500 Гц, т. е. соизмеримы с частотой СП и ее первых гармоник [8].

Согласно этому методу сначала необходимо синтезировать простую весовую функцию h(t), спектральная характеристика которой эквивалентна ЧХ режекторного фильтра. Ее нули должны располагаться на частоте помехи и ее гармоник, а между ними - полосы пропускания с допустимой неравномерностью. Такая весовая функция, представляющая собой ИХ режекторного фильтра, должна быть решетчатой, т. е. состоять из последовательности 5-функций, распределенных на интервале наблюдения с некоторым шагом. Спектр ее будет периодическим и незатухающим. Для того чтобы обеспечить подавление других спектральных составляющих сигнала (высших гармоник ТС, шумов и т. п.), последовательно с заграждающим фильтром необходимо «включить» фильтр, обладающий указанными выше свойствами, с кусочно-постоянной ИХ g(t), например, в виде двухполярного «меандра». Синтезированный таким образом ЭОС q{t) будет представлять собой свертку:

q(t) = h(t)*g(t),

а его спектр Q(f) и, следовательно, ЧХ ФЧП будет представлять собой произведение двух функций:

гпе H(f) и G(f)

Q(f) = H(f)G(f),

преобразования фупье Функций h(t) и е(71

соответственно.

Таким образом, кусочно-постоянный ЭОС g(t) будет «растиражирован» на временной оси в соответствии с расположением 5-функций и с соответствующими весами. Избирательные свойства ФЧП в отношении СП определяются параметрами весовой функции h(t). Остальные избирательные свойства должны определяться характером исходного ЭОС g(t). Такое разделение «обязанностей» упрощает реализацию ФЧП и облегчает манипулирование его избирательными свойствами (рис. 2).

\H,(f)\

h/l)

В)

q(i)=h{t)-g(t) т

XT

Ау

Рис.2

В частности, ИХ простейшего дискретного режекторного фильтра первого порядка представляет собой полуразность двух 5-функций, сдвинутых друг относительно друга на период СП Тп [9]:

/¡(0=0,5[8 (1+Тп/2) - 5 и-ТЛ)],

а нули ЧХ Н(])ф\п(пТ„[) такого фильтра будут располагаться на частотах гармоник СП.

ИХ фильтра п-го порядка будет представлять собой свертку п ИХ фильтра первого порядка, а ЧХ #„(/) - возведенную в степень п ЧХ фильтра первого порядка:

Я„(/) = [;8т(л-///я)Г.

Показано, что ИХ фильтра п-го порядка будет представлять собой последовательность из п+1 5-функций с весовыми коэффициентами

конечной разности и-го порядка, сдвинутых друг относительно друга на номинальный период помехи (рис.2,а). Длительность синтезированного таким образом ЭОС составит около (п+1)Гп (рис.2,в), а затухание ЧХ режекторного фильтра в окрестности частоты СП и ее гармоник составит ,i20[lg|l/tf(/n ±Д/„)|] дБ (рис.2,г)

Полосы частот ТС, в которых достигается существенное подавление СП, располагаются в окрестностях частот, принимающих значения 25+&50 Гц (где к - целое число). При этом ширина полос составит 25 Гц при неравномерности ЧХ режекторного фильтра 3п дБ, а в окрестностях частоты помехи и ее гармоник будут располагаться «слепые» зоны шириной 25 Гц.

Предложены простой способ уменьшения их ширины, а также другие способы синтеза ИХ ФЧП с ЧХ режекторного фильтра, не требующие использования весовых коэффициентов.

Четвертая глава посвящена задачам подавления экспоненциальных переходных процессов и помех, представимых полиномом конечной степени.

Предложен метод синтеза решетчатых ИХ ФЧП, инвариантных к помехам экспоненциального вида с действительными показателями степени [12], т. е. для ФЧП, реализующего скалярное произведение V дискретных сигналов и[п] и g[n\.

N

У = ^и[п]-Е[п]. (4)

п= 1

В этом случае ИХ g[n] представляет собой решетчатую функцию, а ее спектральная характеристика G(/) т. е. ЧХ ФЧП -тригонометрический полином.

Результаты синтеза могут быть легко распространены и на случай кусочно-постоянных ИХ ФЧП, поскольку последние могут быть получены путем простейших линейных преобразований решетчатых ИХ.

В рассматриваемом случае спектр помехи не локализован в какой-либо области частотного диапазона, а, следовательно, преобразование Фурье перестает быть эффективным инструментом анализа и синтеза линейных преобразований вида (4). Для удобства решения поставленной задачи введено понятие полинома влияния р(х) экспоненциального сигнала (ПВЭС) на результат линейного преобразования (4):

N /1=0

Показано, что полином р(х) отображает зависимость чувствительности преобразования (4) к экспоненциальной помехе от ее постоянной времени т, представленной опосредствованно через параметр

л=ехр(-Дг/т). В результате получено простое и наглядное средство анализа и синтеза решетчатых ИХ ФЧП, обеспечивающих высокий

утффмммрнт пппячпрнпя чусппнрнинячиицу ппчру

Область определения ПВЭС - интервал [0,1]. При этом, если т->0, то л:—>0, а если т—то л—»1. Коэффициент влияния экспоненциальных сигналов на результат ФЧП Кэ(х) представляет собой нормированный ПВЭС, т. е. ПВЭС, деленный на значение чувствительности ФЧП к полезному синусоидальному сигналу iTc=|G(/c)|:

К

с

Показано, что ПВЭС решетчатых функций обладают рядом свойств, важнейшее из которых свойство свертки двух функций gi[n] и gi\n] и их ПВЭС р\\х\ ирг[х\.

Синтез ИХ ФЧП, обеспечивающих высокое подавление экспоненциальных помех, сводится к синтезу ее ПВЭС р{х), который принимает минимальные значения на интервале [0,1] для случая, когда шаг дискретизации At=TJ2. Полученный результат можно легко перенести на случай произвольного числа отсчетов.

Известно, что чем больше нулей равномерно распределенных на интервале [0,1], будет иметь синтезируемый ПВЭС, тем меньше его значения будут отклоняться от нуля на этом интервале. Если известны нули полинома и их число N, то полином можно представить в виде произведения:

N

р(х) = Ц(х-х().

1=1

При равномерном расположении нулей ПВЭС будет иметь следующий вид:

Значения коэффициентов ПВЭС, которые являются также весовыми коэффициентами g[n] решетчатого ЭОС, определяют по значениям его нулей xt с помощью теоремы Виета.

Процедуру синтеза иллюстрирует рис. 3, на котором представлены нормированные ПВЭС Кэ(х) и соответствующие им решетчатые ИХ при различном числе отсчетов N. Число нулей ПВЭС, равномерно распределенных на интервале [0,1], равно числу отсчетов. Здесь же приведены значения нормированных весовых коэффициентов их

решетчатых ИХ. Увеличение числа нулей ПВЭС на единицу и, следовательно, увеличение на единицу числа отсчетов N приводит к понижению максимального значения ПВЭС и, следовательно, коэффициента влияния экспоненциальной помехи приблизительно в 5-6 раз. При этом длительность ИХ составит всего лишь 7,=Л'А/=Л'7,с/2.

Поскольку частотные свойства ФЧП характеризуют его избирательность по отношению к другим паразитным составляющим сигнала, были проведены детальный анализ частотных свойства синтезированных ИХ и сравнение их с частотными свойствами известных временных окон (прямоугольного, треугольного и окна Хана). Анализ позволил сделать вывод о том, что по своим частотным свойствам синтезированные ИХ практически не уступают упомянутым временным окнам.

N

_—,-1-1-

--к -Т. „

о з _(._«

V т

«01—0.5 «12)-0.5

к[|]-0.166 Я[21 - -0.5 ¿■[.11 - 0.333

2(1]--0.05 8123 - 0.275 #[31 - -<1.45 ¿[41 - 0.225

^51-0.15238 «14] - -0.38095 я[3|™ 0.33.333 4Г[2]—0.11ЧО5 ¿-[1] ™ 0.01428

#£1] —0.003^7 ,1.:[2] 0.0-153 К[31 " -0.18598 -П.33130 а,[5! .. _о..ЗС»«7 - О. ЮЗ 32

Рис.3

Предложена процедура, позволяющая модифицировать синтезированные ФЧП с целью наделения их различными частотно-избирательными свойствами (возможность подавления высших гармоник ТС, случайных помех и шума квантования), а также распространять результат, полученный для малого числа точек (¿¥=6.-8), на случай сколь угодно большого числа отсчетов.

Наряду с уже рассмотренным выше методом синтеза решетчатых ИХ, обеспечивающих инвариантность ФЧП к экспоненциальной помехе, предложен также метод синтеза ЭОС ФЧП, инвариантных к аддитивной

помехе, представимой полиномом конечной степени [13]. Он базируется на сформулированном спектральном признаке инвариантности ФЧП к указанным помехам Г131. Этот признак позволил разработать метол синтеза кусочно-постоянных одноуровневых и многоуровневых знакопеременных ЭОС ФЧП, обладающих указанным свойством [13].

Выполнен сравнительный анализ избирательных свойств ФЧП, инвариантных к экспоненциальным помехам и ФЧП, инвариантных к помехе, представимой полиномом конечной степени, а также определены условия их эффективного применения.

Пятая глава посвящена особенностям технической реализации ВСПИ, включая основные функциональные узлы и программное обеспечение.

Функциональная схема, отражающая типичную структуру разработанных ВСПИ [14], приведена на рис. 4. Как и любой виртуальный прибор, ВСПИ состоит из преобразователя, выполненного в виде отдельного блока преобразования (БП), и персонального компьютера (ПК), осуществляющего все вычислительные и управляющие функции через последовательный порт с помощью последовательно-параллельного интерфейсного адаптера (ИА). В состав блока входят: генератор ТС (ГТС), цепь преобразования иммитанса (ЦПИ), преобразующая под действием сигналов ГТС иммитанс ОИ в сигналы, несущие информацию о нем, которые через мультиплексор аналоговых сигналов (MAC) поступают на вход дискретизатора -фазочувствительного АЦП (ФАЦП).

Рис. 4.

Конфигурация ЦПИ, как наиболее важного узла, определяет диапазоны изменения преобразуемых параметров и рабочих частот, а также основные метрологические показатели ВСПИ.

Согласно заложенному в ВСПИ принципу действия, описанному в главе I, в ЦПИ значение иммитанса X преобразуется в падение напряжения их на ОИ и посредством операционного усилителя в падение напряжения 1/0 на рабочей мере активного сопротивления Ло, пропорциональное току 1Х, протекающему через ОИ. Наличие добавочных резисторов /?д обеспечивает устойчивость ЦПИ при любом характере ОИ и позволяет операционному усилителю функционировать в линейном режиме при любых значениях модуля иммитанса ОИ.

К достоинствам такого типа ЦПИ нужно отнести и возможность реализации четырехзажимного включения ОИ, в частности, с помощью повторителей напряжения П1 и П2, которые в данном случае помимо выполнения функций развязывающих каскадов служат также для минимизации шунтирующего влияния емкостей подводящих кабелей в точках а и Ь, что достигается путем подачи с выходов П1 и П2 на экраны кабелей защитных потенциалов.

Число используемых в ЦПИ рабочих мер определяется требуемым диапазоном изменения иммитанса, а также допустимыми диапазонами изменения напряжений. Как правило, число мер /?0 равно трем, а их номинальные значения - 10 Ом, 1 кОм и 100 кОм. В этом случае диапазон изменения преобразуемого импеданса составляет Достигается это благодаря десятикратному усилению сигналов низкого уровня и высоким метрологическим качествам ФАЦП, а также используемому в ФАЦП усилителю входного сигнала с переключаемым коэффициентом усиления, равном единице, если уровень сигнала больше одной трети максимального значения {/мах, или трем, в противном случае [15, 16]. Троекратное усиление сигнала учитывается после аналого-цифрового преобразования, а уровень преобразуемого сигнала, таким образом, поддерживается в пределах от 0,33 11мах до 1 £/мах.

Рассматриваемая ЦПИ является перестраиваемой: с помощью лишь одного перекидного ключа К она модифицируется в делитель напряжения, образованный одним из резисторов Лд и ОИ с импедансом 2. Такая конфигурация ЦПИ выгодна как в смысле понижения нижней границы диапазона измерения импедансов, так и в смысле повышения верхней границы рабочего диапазона частот. В результате такая несложная перестройка ЦПИ позволила более чем на порядок расширить диапазон изменения преобразуемого импеданса в сторону его малых значений и более чем в три раза повысить верхнюю границу рабочего диапазона частот по сравнению с лучшими современными ВСПИ.

Данная ЦПИ является универсальной и в отношении характера ТС. Она может работать и при широкополосном, например, поттигярмоническом ТС. что позволяет существенно повысить быстродействие ВПСИ, особенно в области инфранизких частот.

В соответствии с концепцией построения ВСПИ большинство узлов весьма просты, а влияние их погрешностей на результат преобразования исключается алгоритмически.

Синтезатор (С) формирует ТС в виде квазисинусоидального ступенчатого сигнала (в данном случае с 16-ю ступенями на период), высшие гармоники которого подавляются посредством простого дискретно перестраиваемого фильтра нижних частот (Ф). При этом имеется возможность регулировки амплитуды ТС с заданной дискретностью. Набор частот ТС синтезируется в блоке формирования частот и временных интервалов (БФЧВИ) путем деления частоты следования импульсов, поступающих с выхода кварцевого генератора (ГК). В БФЧИ также формируются частоты и временные интервалы, обеспечивающие функционирование ФАЦП.

Выходные сигналы ГТС (рис.4) поступают в виде гармонического ТС в ЦПИ и в виде управляющих импульсов - в ФАЦП, который представляет собой простой АЦП с двухтактным интегрированием. В первом такте осуществляется взвешенное интегрирование сигнала, во втором - преобразование результата интегрирования в интервал времени с одновременным кодированием последнего, причем длительность второго такта можно минимизировать при сохранении требуемой разрешающей способности АЦП, используя решение, предложенное в [17]. Единственное требование к ФАЦП - высокая линейность - вполне выполнимо благодаря использованию современных операционных усилителей. Особенности алгоритма функционирования, и прежде всего интегральный характер дискретизации, приводят к тому, что ни аддитивная, ни мультипликативная погрешности интегратора, ни задержки компаратора не влияют на результат преобразования. Не влияют на результат преобразования иммитанса и гармоники ТС, поскольку они эффективно подавляются в ФАЦП либо на стадии получения интегральных дискрет, либо в процессе цифровой фильтрации.

Интегратор ФАЦП выполняет также функцию цифроаналогового преобразования - преобразует временной интервал, задаваемый 16-ти разрядным кодом, в постоянное напряжение. Такой ЦАП необходим для задания постоянного напряжения (тока) смещения на ОИ, а также для реализации ТС в области инфранизких частот [14], в том числе и ТС полигармонического характера.

Важно отметить также, что подавление СП осуществляется не только на стадии дискретизации, но и на стадии цифровой фильтрации. Последнее означает, что сигнал наводки электросети на все узлы ВСПИ от блока питания подавляется в той же мере, в какой процедура цифровой фильтрации позволяет подавить СП.

Реализация совокупности полученных технических решений и результатов, изложенных в данной главе и главах П-1У, позволили создать ряд ВСПИ с высокими метрологическими характеристиками, которыми, в частности, обладает ВСПИ, описанный в [14].

Технические характеристики ВСПИ

Диапазоны преобразуемых величин:

по Л, |4 Ке/, 1тг, Ом 103 ... 109

по а | ЯеУ, 1тУ, См Ю10 ... 102

Диапазон рабочих частот, Гц 10"4 ... 107

Разрешающая способность по частоте, % 10"4 ...5

Основная относительная погрешность измерения, % 0,1.. .0,2

Коэффициенты подавления помех варьруются в широких пределах. Их конкретные значения зависят от условий функционирования ВСПИ, характера помехи, частоты ТС, используемого метода подавления помехи, а также длительности преобразования иммитанса.

Программный интерфейс ВСПИ, который иллюстрирует рис. 5,

|тг=-5.345 ком Йв2 = 2,389 кОм 2 = 5,355 кОм Ф = -65.92"

Яо- 1190 кОм

:13»И Им.

Рис. 5 22

позволяет осуществлять преобразование иммитанса а также визуализацию и сохранение его результатов в режимах:

_- олиночное и циклическое преобразование иммитанса на одной

частоте;

- сканирование иммитанса по напряжению (току) смещения;

- одиночное и циклическое сканирование иммитанса по частоте при фиксированном напряжении (токе) смещения;

- сканирование иммитанса по частоте и напряжению (току) смещения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана концепция построения универсальных широкополосных ВСПИ на основе помехоустойчивого фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока.

2. Предложен метод фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока, основанный на представлении их в виде массивов интегральных дискрет, допускающий гибкую адаптацию заложенной в ВСПИ функции преобразования к частоте тестового сигнала и характеру помех при минимальных аппаратурных затратах на его реализацию.

3. Предложены методы повышения подавления сетевой помехи в процессе фазочувствительного преобразования, позволяющие осуществлять преобразование иммитанса при низком значении отношении сигнал/помеха в широком диапазоне частот.

4. Проведен анализ эффективности подавления сетевой помехи методом синхронизации циклов преобразования иммитанса напряжением сети, позволивший выявить пределы эффективного применения данного метода, а также усовершенствовать его.

5. Предложены способы подавления экпоненциальных помех в процессе фазочувствительного преобразования, позволившие существенно повысить быстродействие преобразователей иммитанса в области инфранизких частот.

6. Предложены способы реализации фазочувствительного преобразования, обеспечивающего высокое подавление помех, представимых полиномом конечной степени, позволившие существенно повысить быстродействие виртуальных преобразователей иммитанса в области инфранизких частот.

7. Разработаны и исследованы широкополосные перестраиваемые цепи преобразования иммитанса в активные величины и простой фазочувствительный АЦП, обеспечивающие адаптацию алгоритма преобразования иммитанса к особенностям объекта исследования.

8. На основе проведенных исследований разработан ряд ВСПИ, предназначенных для научных исследований и функционирования в составе систем управления и промышленного контроля.

Публикации по теме диссертации

1. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Виртуальные измерители-анализаторы параметров импеданса для исследований и контроля// Материалы конференции V Международного форума "Высокие технологии XXI века" (19-23 апреля 2004г.). - М: 2004. -С.309-311.

2. Микропроцессорный измеритель RLC в непрерывном диапазоне частот/ Ю.Р. Агамалов, Д.А. Бобылев, В.Ю. Кнеллер, В.И. Курчавов, Г.Г. Лукашук, A.M. Павлов, Р.Д. Тучин// VIII Всесоюз. науч.-техн. конф. «Измерительные информационные системы» = "ИИС-87": Тез. докл-Ташкент, 1987. - 4.II. - С. 58.

3. Бобылев Д.А. Методы повышения избирательности фазочувствительных АЦП// Всесоюз. науч.-техн. конф «Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации» (Москва, 17-19 апреля 1988 г.): Тез. докл. -М„ 1988,- С. 8.

4. Agamalov Ju., Bobylev D„ Kneller V. PC-based Instrument for Impedance Measurements// 6th IMEKO TC-4 Intern. Symp. on Intellect. Instrument for Remote and On-Syte Meas. - Brussels: BEMEKO, IBRA-BIRA, 1993.-P. 405 - 412.

5. Бобылев Д.А. Оптимальная реализация фазочувствительного преобразования в виртуальных измерителях-анализаторах импеданса // Датчики и системы. - 2004. - №8. - С. 19 - 22.

6. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Виртуальные измерители-анализаторы параметров импеданса// Датчики и системы. -2004,-№5.-С. 14-18.

7. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель -анализатор комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ// Измерительная техника. - 1996. - №6. - С.56-60.

8. Бобылев Д.А. Эффективное подавление сетевой помехи в измерителях-анализаторах импеданса с широким динамическим диапазоном значений тестового сигнала // Датчики и системы. -2006. -№12.-С. 31-36.

9. Бобылев Д.А. Повышение помехозащищенности измерителей-анализаторов импеданса с широким диапазоном частот тестового сигнала. Третья международная конференция по проблемам управления (20-22 июня 2006 года): Пленарные доклады и избранные труды. - М.: Институт проблем управления, 2006. - С. 633-637.

10. Agamalov Ju., Bobylev D„ Kneller V. Low-frequency PC-based Impedance Meter with high resolution// 10th IMEKO TC-4 Intern. Symp. on Development in Digital Measuring Insrumentation. - Naples (Italy): Proceedings, V.U. - 1998. - P. 521-525.

11. Бобылев Д.А. Методы эффективного подавления сетевой помехи в измерителях-анализаторах иммитанса с широким диапазоном частот тестового сигнала // Российская конференция с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения»: Тез. докл. - М„ 2008. - С. 147 - 148.

12. Бобылев Д.А. Синтез решетчатых импульсных характеристик фазочувствительных преобразований, инвариантных к экспоненциальным помехам// Российская конференция с международным участием "Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения (УКИ'08)": Сб. докладов. -Электронное издание. - М.: ИПУ РАН, 2008. - С.497 - 506. - ISBN 9785-91450-022-8.

13. Бобылев Д.А. Фазочувствительные преобразования, инвариантные к аддитивной помехе, представимой полиномом конечной степени // Датчики и системы. —2007. — №12. — С. 8 — 14.

14. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Боровских Л.П., Кнеллер В.Ю. Виртуальный самоповеряемый анализатор иммитанса с адаптивными функциональными возможностями// Датчики и системы. - 2008. - №7. -С.21-27.

15. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А. Универсальный цифровой автоматический измеритель параметров иммитанса в непрерывном диапазоне частот// 2-ая Всесоюз. науч.-техн. конф. "Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей": Тез. докл.-М„ 1981.-С. 116-118.

16. A.c. 1205062 СССР, МКИ G01R 27/02. Измеритель параметров комплексных сопротивлений / М.Н. Сурду, Ю.Р. Агамалов, Ю.А. Смоляр, Р.Д. Тучин, Д.А. Бобылев, Н.И. Михайленко и В.М. Могштевский// Открытия. Изобретения. - 1986. -№ 2. - С. 196.

17. A.c. 1228021 СССР, МКИ G01R 17/10. Измеритель параметров комплексных сопротивлений / Ю.Р. Агамалов, Д.А. Бобылев, Н.И. Михайленко, В.М. Могилевский, Ю.А. Смоляр, М.Н. Сурду и Р.Д. Тучин// Открытия. Изобретения. - 1986. - № 16. - С. 182.

Зак. 120. Тир. 100. ИПУ РАН

Введение.

Глава 1. Основное содержание и специфика концепции построения универсальных виртуальных СПИ на основе помехоустойчивого фазочувствительного преобразования сигналов.

1.1. Выбор метода преобразования иммитанса, оптимального при построении помехоустойчивых универсальных СПИ с широким диапазоном частот тестового сигнала.

1.2. Анализ избирательных свойств фазочувствительного преобразования сигналов и их использование при построении помехоустойчивых СПИ.

1.3. Ограничения, накладываемые на форму опорных сигналов фазочувствительного преобразования в СПИ.

Основные результаты.

Глава 2. Анализ и оптимизация методов отбора и обработки информации при фазочувствительном преобразовании сигналов в виртуальных СПИ.

2.1. Анализ основных свойств известных методов реализации фазочувствительного преобразования сигналов.

2.2. Интегральная дискретизация сигналов как оптимальный метод отбора и обработки информации при реализации фазочувствительного преобразования сигналов в СПИ.

2.3. Сравнительный анализ методов преобразования иммитанса при синусоидальном и полигармоническом тестовых воздействиях.

Основные результаты.

Глава 3. Алгоритмические методы подавления сетевой помехи в СПИ и синтез помехоустойчивых фазочувствительных преобразований сигналов.

3.1. Анализ особенностей проблемы подавления сетевой помехи в СПИ.

3.2 Подавление сетевой помехи методом синхронизации циклов преобразования иммитанса.

3.3. Синтез фазочувствительных преобразований сигналов, обеспечивающих эффективное подавление сетевой помехи.

Основные результаты.

Глава 4. Синтез фазочувствительных преобразований сигналов, инвариантных к переходным процессам.

4.1. Синтез импульсных характеристик фазочувствительных преобразований, инвариантных к экспоненциальным помехам.

4.2. Синтез фазочувствительных преобразований, инвариантных к помехам, представимым полиномом конечной степени.

Основные результаты.

Глава 5. Техническая реализация универсальных широкополосных виртуальных СПИ на основе помехоустойчивого фазочувствительного преобразования сигналов.

5.1. Особенности построения и функционирования виртуальных

5.2. Особенности построения и функционирования основных узлов виртуальных СПИ.

5.3. Параметры и особенности разработанных и внедренных в научное производство виртуальных анализаторов иммитанса.

Основные результаты.

Методы преобразования иммитанса (комплексного сопротивления или проводимости) и средства их реализации находят широкое применение в различных областях науки и техники. Это связано с высокой информативностью иммитанса как комплексной величины, характеризующей свойства объектов различной физической природы.

Областями применения средств преобразования иммитанса (СПИ) в сфере науки являются физика [1, 2], электрохимия [3, 4], химия полимеров, микробиология [5, 6] и др. [7-9]. В медицине, например, эти методы применяются для целей диагностирования ряда заболеваний в области онкологии, стоматологии и пульманологии.

Среди основных областей применения СПИ в технике можно выделить такие отрасли промышленности как радиотехническая и электротехническая [10-11 и др.], а также производство радиокомпонентов и приборостроение. Применяются СПИ и во многих других областях производства, например, в пищевой и строительной промышленности для контроля качества продукции.

Еще одна сфера широкого применения методов преобразования иммитанса -преобразование иммитанса датчиков различных физических (в том числе неэлектрических) величин в составе систем автоматического управления и контроля, а также технической диагностики. [10-14].

Первые СПИ появились в 1860-е гг. и строились они на основе мостовых цепей переменного тока, изобретенных и введенных в практику физического эксперимента Дж. К. Максвеллом, причем четырехплечая мостовая цепь постоянного тока, известная как мост Уитстона, была изобретена тремя десятилетиями ранее [15].

В течение нескольких десятилетий после появления первых СПИ, и прежде всего, мостовых цепей, они находили применение, главным образом, в практике лабораторных исследований. По мере роста числа разновидностей этих цепей все острее стала ощущаться необходимость их теоретического осмысления. В результате в 1930—1940-е гг. наряду с разработкой новых типов мостовых цепей начал заметно возрастать объем исследований, посвященных вопросам их теории [15, 16].

В 1950-е гг. стали появляться первые цифровые мосты переменного тока сначала с ручным, а затем и с автоматическим уравновешиванием. Примерно тогда же начали приобретать популярность высокоточные (в то время ручные) трансформаторные мостовые цепи с тесной индуктивной связью плеч, изобретенные и внедренные в серийное производство английской фирмой «Wayne Ken». Первый в мире цифровой автоматический мост переменного тока типа 2871 (с четырехплечей мостовой цепью), предназначенный лишь для емкостных объектов исследования и работавший на частоте 1кГц, был выпущен швейцарской фирмой «Tettex Instruments» в первой половине 1960-х гг. При высокой точности измерения прибор обладал весьма низким быстродействием.

Первые цифровые автоматические мосты [17] были приборами, хотя и достаточно высокоточными, но медленно действующими и низкочастотными. Первый в СССР цифровой автоматический емкостный мост переменного тока Р570, разработанный в середине 1960-х гг. в ИЭД АН УССР и выпускавшийся киевским ПО "Точэлектроприбор", имел рабочую частоту 1кГц и время уравновешивания, хотя и меньшее, чем у моста типа 2871, но все же составлявшее 5.6 с.

Как правило, такие приборы работали на одной или нескольких фиксированных частотах, чаще всего на частотах 1 кГц или/и 120 Гц (в СССР - 50 Гц), и были ориентированы на потребности производства конденсаторов.

В 1970-е гг. появились высокочастотные приборы, работавшие на частоте 1 МГц и предназначенные для обслуживания радиодеталестроения, в основном, производства конденсаторов.

Дальнейший рост запросов потребителей СПИ привел к появлению в начале 1980-х гг. первых автоматических приборов, в частности, японского филиала американской фирмы «Hewlett-Packard», работавших в звуковом и ультразвуковом диапазонах с дискретным набором частот [18]. Несколько ранее появились ручные мосты, работавшие в непрерывном звуковом диапазоне частот, среди которых был и мост Р571, созданный на киевском ПО "Точэлектроприбор".

В дальнейшем на передний план стали выступать проблемы расширения диапазона и увеличения числа рабочих частот, а также расширения функциональных возможностей СПИ, чего требовала практика применения разработанных приборов.

Первым в мире универсальным цифровым автоматическим мостом переменного тока стал мост типа 1683 американской фирмы «General Radio» [19] с временем измерения до 0,5 с, выпущенный в 1970 г. Примерно через год был выпущен на ПО «Точэлектроприбор» разработанный в ИПУ РАН первый в СССР универсальный цифровой автоматический мост Р5010 с временем уравновешивания не более 150 мс и с более широкими функциональными возможностями. В этом мосте впервые были применены бесконтактные токопереключающие ключи. Несколько лет спустя в ИПУ РАН был разработан совместно с СКВ киевского ПО «Точэлектроприбор» первый в мире многофункциональный цифровой автоматический мост Р5058, работавший на трех частотах (50 Гц, 1 кГц и 10 кГц) и имевший наивысшее быстродействие (реальное время уравновешивания на частоте 10 кГц не превышало 30 мс).

Бурный рост технологий интегральных микросхем, начавшийся в конце 1960-х гг., стимулировал дальнейшее развитие методов и средств преобразования иммитанса. Начиная с 1970-х гг. разработчики СПИ стали строить их на основе аналоговых и цифровых интегральных микросхем, а также с использованием микропроцессоров. Это существенно упростило реализацию большинства технических решений. В результате улучшились технические характеристики применяемых в приборах узлов, а вместе с ними и приборов в целом.

Развитие элементной базы позволило разработчикам помимо совершенствования известных типов приборов создавать новые на основе не востребованных ранее методов преобразования иммитанса. Так появились и утвердились на мировом рынке СПИ с неуравновешиваемыми цепями преобразования иммитанса на базе операционных усилителей. В этот же период сформировался и новый подкласс СПИ - анализаторы иммитанса.

В самое последнее время исследователи, с одной стороны, отвечая на запросы массового потребителя, а с другой, учитывая широкое распространение и огромные потенциальные возможности персональных компьютеров (ПК) в осуществлении цифровой обработки измерительной информации, начали разработки в области создания компьютеризированных, или точнее, компьютеросопряженных, так называемых виртуальных СПИ. Ведущая роль здесь принадлежит инициатору этих исследований ИПУ РАН [20-29].

Подводя итог историческому аспекту развития методов и средств преобразования иммитанса, отметим, что над решением многочисленных и сложных проблем построения в этой области исследователи работают уже более столетия. За это время решен ряд важных задач в области теории и синтеза цепей преобразования иммитанса, включая организацию процедур их уравновешивания. Предложен ряд принципов построения СПИ [30-37], найдено множество эффективных технических решений, связанных с их реализацией, что позволило достигнуть высоких метрологических и динамических характеристик СПИ.

Наиболее известны своими достижениями в области построения СПИ научные школы В.Ю. Кнеллера (г. Москва), Ф.Б. Гриневича (г. Киев), A.M. Мелик-Шахназарова и Т.А. Алиева (г. Баку), Г.А. Штамбергера, Б.И. Швецкого (г. Львов, г. Ивано-Франковск), В.М. Шляндина (г. Пенза). Большой вклад в теорию помехоустойчивых преобразований сигналов внесли И.М. Вишенчук, B.C. Гутников, Э.К. Шахов, В.Д. Михотин, Б.В. Чувыкин и др.

Говоря о современных СПИ в целом, включая работающие в диапазоне СВЧ анализаторы цепей, следует сказать, что их общий уровень весьма высок [38-41]. Их наивысшие показатели - класс точности 0,01.0,02, разрешающая способность по измеряемым параметрам и частоте соответственно 105.106 и 106.10~7, рабочий диапазон частот от единиц микрогерц до единиц гигагерц - убедительно говорят об этом.

Однако наивысшими данными по указанным показателям обладают лишь отдельные приборы. По совокупности же показателей каждый из них выглядит существенно скромнее. При этом сложность и дороговизна таких приборов (некоторые из них стоят многие десятки тысяч долларов) делают их практически недоступными широкому кругу исследователей, особенно в случае поисковых исследований, когда еще только выясняются возможности изучения объекта на основе исследования его иммитанса и выясняется его модель.

Оценивая возможности современных СПИ, отметим, что большинство из доступных приборов обладают недостаточно широким частотным диапазоном. Как правило, ведущие фирмы перекрывают широкий частотный диапазон с помощью нескольких приборов (как минимум, двух), что доставляет пользователю серьезные неудобства. Поэтому весьма актуальна задача создания недорогих универсальных приборов с широким диапазоном частот (порядка 104.107Гц).

Кроме того, современные серийно выпускаемые СПИ отличаются достаточно высоким уровнем тестового сигнала, обычно не менее десятков вольт, в то время как в ряде научных исследований требуется проведение исследований при сверхнизком уровне тестового сигнала, составляющем сотни микровольт и менее. Так, анализ реальных условий функционирования СПИ, например, при выполнении экспериментов с нелинейными объектами, в частности, с живыми тканями, свидетельствует о необходимости их функционирования в условиях крайне малого отношения сигнала/помеха, достигающего значений 10—3 и менее. Здесь на передний план выступает проблема подавления помех, и прежде всего, сетевой помехи, которая в зависимости от характера объекта исследования, его физической природы и условий эксперимента может существенно (на несколько порядков) превышать уровень полезного сигнала.

Не менее важной (особенно с точки зрения повышения быстродействия СПИ в области инфранизких частот) является проблема подавления экспоненциальных переходных процессов, неизбежно возникающих в цепях преобразования иммитанса при подключении объекта исследования к цепи преобразования, при переключении частоты тестового сигнала, а также при изменении постоянного напряжения (тока) смещения. В последнем случае уровень экспоненциальной помехи также может существенно превышать уровень полезного сигнала.

Для решения указанных проблем лучше всего подходят виртуальные приборы, состоящие из недорогого преобразователя, сопрягаемого с ПК, и специализированного программного обеспечения. Такой подход к построению

СПИ позволяет создавать простые в реализации виртуальные СПИ (ВСПИ), имеющие технические характеристики на уровне лучших автономных приборов и обладающие при этом существенно большими возможностями в плане обработки, отображения и хранения информации, а также автоматизации процессов преобразования иммитанса, что одинаково важно как в области научного эксперимента, так и в промышленности.

Создание ВСПИ (работы в этом направлении ведутся в ИПУ РАН под общим руководством В.Ю. Кнеллера с участием автора больше двух десятилетий [24-28]) представляет собой концептуально иную задачу, нежели разработка автономных СПИ, и требует особого подхода к их построению, а также решения ряда научных задач. Виртуальные СПИ по сравнению с автономными приборами открывают новые возможности для эффективного решения многих задач, однако эти возможности необходимо также оптимально реализовать, т. е. решить ряд задач, связанных с технической реализацией важнейших узлов преобразователя.

Нужно отметить еще один фактор, стимулирующий исследования в этой области, и связанный с многообразием и сложностью объектов исследования, их многомерностью, разнообразием их схем замещения, преобразуемых величин и их соотношений, а также с многообразием условий эксперимента. Практика показывает, что решить большое число разнообразных задач небольшим числом типов серийных приборов не удается, так что разработчику приходится находить компромисс между желанием охватить возможно большее число задач и необходимостью обеспечить условия для их решения.

Таким образом, можно выделить класс приборов для решения типовых задач: проблемно-ориентированные - для решения задач преобразования иммитанса при контроле или исследовании конкретного класса объектов (например, полупроводниковых материалов, процессов, связанных с ростом микроорганизмов, электрохимических процессов), а также функционально-ориентированные - для преобразования определенного набора параметров комплексных величин без указания объектов исследования. Функционально-ориентированные приборы также имеют некоторую специализацию, хотя и не декларированную четко. Например, большая группа таких приборов ориентирована на измерение параметров электро- и радиоэлементов (измерители/преобразователи Ш1С), другая - на преобразование параметров, характеризующих качество различных электронных устройств и блоков, в том числе нелинейных (измерители/анализаторы параметров цепей). В результате ситуация такова, что для решения многих научных и производственных задач преобразования параметров объектов на переменном токе просто не существует подходящих серийных приборов. И здесь виртуальные приборы открывают широкие перспективы, поскольку для них адаптация к новым задачам или к изменению условий функционирования связана не столько с реализацией аппаратной части, сколько с доступным и для пользователя изменением программ.

С учетом всего этого ВСПИ должны обладать следующими свойствами:

- изменяемыми в широких пределах функциональными возможностями, позволяющими адаптироваться к особенностям преобразования параметров исследуемого объекта: изменять частоту и уровень тестового сигнала, значение тока и/или напряжения смещения, варьировать алгоритмы отбора и обработки измерительной информации в целях оптимального обеспечения подавления различного рода помех, достижения требуемой точности и быстродействия;

- широкими возможностями обработки, хранения и представления измерительной информации; допускать использование существующих универсальных и специализированных программных продуктов для расчетов и моделирования;

- невысокой стоимостью приобретаемых приборов (на порядок ниже нежели у соответствующих автономных приборов), особенно важной при предварительной оценке гипотезы, когда отсутствует полная уверенность в том, что направление исследования выбрано верно;

- высокой технологичностью при серийном изготовлении, в том числе и на малых производствах, при персонале с невысокой инженерно-технической квалификацией.

Подводя итог вышеизложенному, кратко остановимся на общей характеристике диссертационной работы, содержащей пять глав и заключение.

Целью работы являются разработка и исследование методов помехоустойчивого преобразования иммитанса в широком диапазоне частот и их оптимальная реализация в универсальных виртуальных приборах, используемых для научных и технических исследований, а также в составе систем технического контроля и управления.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд задач, основными из которых являются:

- разработка методов преобразования и цифровой обработки сигналов, оптимальных для применения в универсальных широкополосных ВСПИ;

- разработка методов подавления переходных процессов и помех в процессе фазочувствительного преобразования;

- разработка ряда виртуальных ВСПИ, отличающихся от существующих приборов изменяемыми в широких пределах функциональными возможностями, позволяющими адаптироваться к особенностям исследуемого объекта, а также невысокой стоимостью и технологичностью при серийном производстве.

В работе в процессе исследований применялись методы функционального и спектрального анализа, методы теории электрических цепей, методы теории цифровых фильтров.

Научная новизна работы заключается в:

- разработанной концепции построения универсальных широкополосных СПИ, и прежде всего ВСПИ, на основе помехоустойчивого фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока;

- предложенном методе фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока, основанном на представлении их в виде массивов интегральных дискрет и допускающем гибкую адаптацию функции преобразования СПИ (ВСПИ) к частоте тестового сигнала и характеру помех при минимальных аппаратурных затратах на его реализацию;

- разработанных методах повышения эффективности подавления сетевой помехи в процессе фазочувствительного преобразования, позволяющих осуществлять преобразование иммитанса при малом значении отношения сигнал/помеха в широком диапазоне частот тестового сигнала;

- методе синтеза фазочувствительных преобразований, обеспечивающих подавление экспоненциальных помех, а также помех, представимых полиномом конечной степени, в сочетании с другими избирательными свойствами.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработанных принципах построения помехоустойчивых широкополосных ВСПИ с широкими функциональными возможностями;

- разработанных методах повышения помехоустойчивости широкополосных ВСПИ, сочетающих в себе простоту реализации и широкие адаптивные возможности;

- создании и внедрении в научное производство недорогих универсальных широкополосных ВСПИ с характеристиками, соответствующими уровню лучших автономных приборов, а по ряду показателей превышающих его.

Достоверность полученных результатов подтверждается приведенными математическими доказательствами, экспериментальными исследованиями, результатами моделирования основных положений диссертационной работы программными средствами, а также результатами их практической реализации в многочисленных конкретных приборах.

Основные положения, выносимые на защиту: концепция построения помехоустойчивых широкополосных многофункциональных виртуальных средств преобразования иммитанса;

- метод помехоустойчивого фазочувствительного преобразования сигналов на основе цифровой обработки интегральных дискрет в широком диапазоне частот тестового сигнала; методы подавления сетевой помехи, позволяющие осуществлять преобразование иммитанса при низком значении отношения сигнал/помеха в широком диапазоне частот; методы синтеза импульсных характеристик фазочувствительных преобразований, обеспечивающих подавление экпоненциальных помех, а также помех, представимых полиномом конечной степени;

Основные результаты

1. Разработана структура широкополосного универсального помехоустойчивого ВСПИ, характеризующаяся многофункциональностью в сочетании с простотой реализации и малыми инструментальными погрешностями.

2. Предложены способы реализации основных узлов ВСПИ, оптимальные в смысле минимума аппаратурных затрат и инструментальных погрешностей.

3. Разработано универсальное программное обеспечение ВСПИ, позволяющее использовать их как в качестве функционально-ориентированных приборов с широкими функциональными возможностями, так и в качестве проблемно-ориентированных СПИ для решения специфических задач исследований.

4. Разработан и внедрен в практику научных исследований широкий ряд ВСПИ, представляющих собой конкретную практическую реализацию результатов решения поставленных в диссертационной работе задач.

Заключение

На основе проведенного анализа современного состояния теории и тенденций развития СПИ предложена концепция построения СПИ, ориентированная на создание нового подкласса СПИ — универсальных широкополосных помехоустойчивых ВСПИ. Выбран метод преобразования иммитанса, максимально отвечающий основным положениям предлагаемой концепции — метод косвенного преобразования иммитанса на основе избирательного ФЧП, обладающий универсальностью как в отношении характера ТС, так и характера ОИ, а также простотой технической реализации, учета и коррекции погрешностей основных узлов СПИ.

Выявлен класс наиболее эффективных в плане частотной избирательности и простоты аппаратурной реализации преобразований «вектор-скаляр» в широком диапазоне частот ТС - линейные ФЧП, реализующие скалярное произведение исследуемого и опорного сигналов.

Выявлены ограничения на форму опорных сигналов ФЧП, позволяющие уставить пределы манипулирования ею с целью обеспечения требуемых избирательных свойств ФЧП.

Предложен метод реализации ФЧП на основе интегральной дискретизации сигналов, в наибольшей степени отвечающий концепции построения широкополосных помехоустойчивых универсальных СПИ. Данный метод сочетает в себе широкие возможности классической дискретизации периодических сигналов с высокой помехозащищенностью каждого отсчета, позволяет весьма гибко и достаточно просто манипулировать формой опорного сигнала ФЧП и весьма прост в реализации.

Показано, что основным наиболее эффективным методом преобразования иммитанса в широком диапазоне частот является метод преобразования иммитанса при синусоидальном ТС, а эффективность метода преобразования иммитанса с полигармоническом ТС проявляется только в области инфранизких частот, когда существенный абсолютный выигрыш в быстродействии при определенных условиях оправдывает понижение точности преобразования.

Именно при реализации указанных наиболее эффективных методов преобразования иммитанса — при синусоидальном ТС во всем диапазоне частот и полигармоническом ТС в инфранизкочастотном диапазоне (режим повышенного быстродействия) - возможности метода реализации ФЧП на основе интегральной дискретизации сигналов раскрываются наиболее полно.

Показано, что наиболее эффективным методом подавления СП в СПИ является метод фильтрации исследуемого сигнала в процессе ФЧП, а оптимально организованная процедура ФЧП предполагает возможность гибкой вариации формы опорного сигнала и его длительности в зависимости от частоты ТС в широких пределах.

Предложено разбиение диапазона частот ТС на поддиапазоны в зависимости от сложности решения данной проблемы, и в каждом из них предложен оптимальный подход к реализации помехоустойчивого ФЧП.

Для наихудшего случая, когда отношение сигнал/помеха весьма мало, а гармоники ТС и гармоники СП занимают одну частотную полосу, предложен метод синтеза ИХ дискретизатора, обеспечивающего на этапе получения интегральных дискрет подавление СП до 80 дБ. При этом общее подавление СП в процессе ФЧП на основе интегральной дискретизации может составлять 120-140 дБ.

Анализ избирательных свойств подавления СП методом синхронизации циклов преобразования напряжением сети, позволил очертить сферы его эффективного применения, предложить модификацию этого метода, позволяющую существенно повысить подавление СП. Метод обладает важным достоинством: избирательный эффект здесь достигается за счет манипулирования формой ТС, и, следовательно, манипулирование формой опорного сигнала может быть использовано для достижения других избирательных эффектов.

Показано, что линейное ФЧП сигналов как средство подавления экспоненциальных помех более эффективно, чем метод определения составляющих синусоидального сигнала на фоне экспоненциальных или полиномиальных помех, основанный на решении системы уравнений, полученной в результате дискретизации исследуемого сигнала.

Введено понятие полинома влияния экспоненциального сигнала, характеризующего чувствительность ФЧП с решетчатыми опорными сигналами к экспоненциальным помехам и позволяющее повысить эффективность анализа избирательных свойств ФЧП, а также формализовать синтез опорных сигналов (ИХ) ФЧП с желаемыми свойствами.

Предложен метод синтеза решетчатых ИХ ФЧП, обеспечивающих высокое подавление экспоненциальных помех с действительными постоянными времени и проанализированы частотно-избирательные свойства полученных ФЧП. Проведен сравнительный анализ их основных избирательных свойств и избирательных свойств ФЧП на основе классических временных окон.

Предложен простой метод модификации синтезированных ИХ ФЧП с целью наделения их дополнительными избирательными свойствами.

Сформулирован критерий инвариантности ФЧП к помехам, представимым полиномом конечной степени, и предложены методы синтеза одноуровневых и многоуровневых решетчатых и кусочно-постоянных опорных сигналов ФЧП, обеспечивающих высокое подавление помех, представимых полиномом конечной степени.

Благодаря реализации разработанных методов в реальных СПИ создан ряд приборов - ВСПИ, обладающих, несмотря на простоту аппаратной части, техническими характеристиками на уровне лучших современных автономных анализаторов иммитанса.

В заключение кратко сформулируем основные результаты работы.

1. Разработана концепция построения универсальных широкополосных ВСПИ на основе помехоустойчивого ф аз о чу в ств ител ь н ого преобразования сигналов переменного тока.

2. Предложен метод фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока, основанный на представлении их в виде массивов интегральных дискрет, допускающий гибкую адаптацию заложенной в ВСПИ функции преобразования к частоте тестового сигнала и характеру помех при минимальных аппаратурных затратах на его реализацию.

3. Предложены методы повышения подавления сетевой помехи в процессе фазочувствительного преобразования, позволяющие осуществлять преобразование иммитанса при низком значении отношения сигнал/помеха в широком диапазоне частот.

4. Проведен анализ эффективности подавления сетевой помехи методом синхронизации циклов преобразования иммитанса напряжением сети, позволивший выявить пределы эффективного применения данного метода, а также усовершенствовать его.

5. Предложены способы подавления экпоненциальных помех в процессе фазочувствительного преобразования, позволившие существенно повысить быстродействие преобразователей иммитанса в области инфранизких частот.

6. Предложены способы реализации фазочувствительного преобразования, обеспечивающего высокое подавление помех, представимых полиномом конечной степени, позволившие существенно повысить быстродействие виртуальных преобразователей иммитанса в области инфранизких частот.

7. Разработаны и исследованы широкополосные перестраиваемые цепи преобразования иммитанса в активные величины и простой фазочувствительный АЦП, обеспечивающие адаптацию алгоритма преобразования иммитанса к особенностям объекта исследования.

8. На основе проведенных исследований разработан ряд виртуальных средств преобразования иммитанса, предназначенных для научных исследований и функционирования в составе систем управления и промышленного контроля.

1. Кобелева O.JL, Бабушкин А.Н. Исследование свойств многокомпонентных халькогенидов серебра при сверхвысоких давлениях// Физика и техника высоких давлений 2003, т. 13, №4. С. 36-41.

2. Стефанович С.Ю., Мосунов А.В. Сегнетоэлектричество и ионная проводимость: семейство титанил-фосфата калия// Известия Академии наук, Серия физическая. 2000, т. 64, №6. С. 1163-1170.

3. Электрохимический импеданс/ З.Б.Стойнов, Б.М.Графов, Б. Саввова-Стойнова, В.В.Елкин.- М.: Наука, 1991.- 336с.

4. Б.М. Графов, Е.А. Укше. Электрохимические цепи переменного тока.- М.: Наука, 1974.- 128с.

5. Андреев B.C. Кондуктометрические методы и приборы в биологии и медицине.- М.: 1973- с.

6. Торнуев Ю.В. и др. Электрический импеданс биологических тканей. М.: Изд.-во ВЗПИ, 1990.- 155с.

7. Гриневич Ф.Б., Добров Е.Е., Карандеев К.Б. Автокомпесационные мостовые цепи// Автометрия, №5, 1965 С.96-103.

8. McDonald J.R. Impedance Spectroscopy, John Wiley & Sons, New York, 1987. -384p.

9. Эпштейн С.Л., Давидович В.Г. и др. Цифровые приборы и системы для измерения параметров конденсаторов.- М.: Сов. радио, 1978.- 192с.

10. А.с. 1497531 СССР, МКИ G01R 17/10. Способ определения влажности диэлектрического вещества/ Совлуков А.С.// Открытия. Изобретения.- 1986.- № 43.- С. 189.

11. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов.- М.: Энергоатомиздат, 1989.- 208с.

12. Универсальные цифровые электроизмерительные приборы/ В.Ф. Бахмутский А.А. Вдовиченко, Н.И. Гореликов и др. // Приборы и системы управления.-1973.- № 2.- С. 18-24.

13. Hage В. А.С. Bridge Methods/ Pittman.- 6-th éd.: London, 1971.- p. 270

14. Ferguson J.G. Classification of bridge methods of measuring impedances.-Trans. Amer. IEE, Vol. 52, No 4, 1933.- P. 861- 868.

15. Fulks R.G. The Automatic Capacitance Bridge. General Radio Experimenter.-№4.- 1965.- P.3-13.

16. Models 4262, 4274A, 4275A, 4276, 4277// Measurement Computation systems.- Hewlett-Packard Catalogue.- USA, 1987.- p. 198-203.

17. Coughlin TJ. Five-Terminal Automatic RLC Bridge// General Radio Expereimenter, 1970, v. 44, №3-6.-P. 11-17.

18. Возможности измерений комплексных величин с участием ЭВМ/ В.Ю. Кнеллер, Ю.Р.Агамалов, Л.П.Боровских, А.М.Павлов// Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. по измерительным информационным системам -'ИИС-77".- Баку: АзИНЕФТЕХИМ, 1978.- 4.11.- С. 11-12.

19. Кнеллер В.Ю., Павлов А.М. Средства измерения на основе персональных ЭВМ// Измерения, контроль, автоматизация.- М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1988.- №3.- С. 3-14.

20. Кнеллер В.Ю., Павлов А.М. Автоматические измерители и преобразователи параметров комплексных сопротивлений с микропроцессорами.// ИКА.-№11-12, 1979.- С. 11-21.

21. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Виртуальные измерители-анализаторы параметров импеданса для исследований и контроля// Материалы конференции V Международного форума "Высокие технологии XXI века" (19-23 апреля 2004г.). М: 2004. - С.309-311.

22. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель -анализатор комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ// Измерительная техника. 1996. - №6. - С.56-60.

23. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Виртуальные измерители-анализаторы параметров импеданса// Датчики и системы. 2004. - №5. - С. 14-18.

24. Agamalov Ju., Bobylev D., Kneller V. PC-based Instrument for Impedance Measurements// 6th IMEKO TC-4 Intern. Symp. on Intellect. Instrument for Remote and On-Syte Meas. Brussels: BEMEKO, IBRA-BIRA, 1993. - P. 405 - 412.

25. Agamalov Ju., Bobylev D., Kneller V. Low-frequency PC-based Impedance Meter with high resolution// 10th IMEKO TC-4 Intern. Symp. on Development in Digital Measuring Insrumentation. Naples (Italy): Proceedings, V.U. - 1998. - P. 521— 525.

26. Цыпин Б.В. Измерение комплексных сопротивлений виртуальными приборами // Датчики и системы. -2001. №5. - С. 18 — 21.

27. Грин Г.Л. Активные устройства в точных мостовых схемах// Измерительная техника, №1, 1963.- С.56-59.

28. Карандеев К.Б., Штамбергер Г.А. Обобщенная теория мостовых цепей переменного тока.- Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1961.- 224с.

29. Кнеллер В.Ю. Автоматическое измерение составляющих комплексного сопротивления. М., «Энергия», 1967. — 368с.

30. Штамбергер Г.А. Измерения в цепях переменного тока (методы уравновешивания).-Новосибирск: Наука, 1972.- 162с.

31. Раздельное преобразование комплексных сопротивлений/ Добров Е.Е., Татаринцев И.Г., Чорноус В.Н., Штамбергер Г.А./ Под ред. Г.А. Штамбергера. -Львов: Вища школа, 1985.- 136с.

32. Кнеллер В.Ю. Принципы построения и вопросы теории преобразователей параметров комплексных величин: Дисс. на соиск. уч. степ.докт. техн. наук/ Институт проблем управления (автоматики и телемеханики), М, 1971.-371с.

33. Куликовский Л.Ф. и A.M. Мелик-Шахназаров. Компенсаторы переменного тока.-М-JI.: Госэнергоиздат, I960,- 176 с.

34. Лихтциндер Б.Я., Широков С.М. Многомерные измерительные устройства.- М.: Энергия, 1978.- 312с.

35. MaedaK., Narimatsu Y. Multy-Frequency LCR Meter Test Components under Realistic Conditions.// Hewlett-Packard Journal.- Vol. 30.- No. 2, February 1979.-pp. 24-32.

36. Rucki Z. and Szczepanik Z. Measurement of Electrical Impedance During a Half of Sinusoidal Wave Period.// Proc. of the XIII IMEKO World Congress.- Torino, September 5-9, 1994: From Measurement to Innovation.- Vol. II.- P. 2361-2365.

37. Zoltan I. A Possibility of High-speed Impedance Measurement of High Accuracy// Xth IMEKO World Congress 1985: Preprint Vol. 1.- P.35-41.

38. Сиберт У.M. Цепи, сигналы, системы. В 2-х ч., ч.1, М., «Мир», 1988.336с.

39. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. М.: Энергоатомиздат, 1986. 144 с.

40. Николайчук О.Л., Рево Ю.В. Измерительные фазочувствительные выпрямители // Измерения, контроль, автоматизация. 1979. №5. С. 36-42.

41. Дегтяренко П.И. Синхронное детектирование в измерительной технике и автоматике. Киев, Техника, 1965.-314 с.

42. Бахмутский В.Ф., Николайчук О.Л., Степкин В.И. Преобразователи параметров комплексных сопротивлений для цифровых приборов и систем// Приборы и системы управления. 1987. - №1. - С.19-21.

43. Агамалов Ю.Р., Кнеллер В.Ю., Курчавов В.И. Преобразователь емкости и проводимости, работающий в непрерывном диапазоне частот// Приборы и системы управления.- 1978.- № 1.- С.21-23

44. Кнеллер В.Ю., Агамалов Ю.Р., Десова A.A. Автоматические измерители комплексных величин с координированным уравновешиванием. М.: «Энергия», 1975.-168 с.

45. Agamalov Ju.R. An autocorrelation technique for detecting transient processes and noises and its application to digital impedance meters// IMEKO Simp, on Comp. Meas.-Dubrovnik, 1981.-P. 195-198.

46. Агамалов Ю.Р. Быстродействующий усилитель-ограничитель для цифровых автоматических мостов и компенсаторов переменного тока // Приборы и системы управления.-1970.-№ 6.-С. 36-37.

47. Агамалов Ю.Р. Универсальный цифровой автоматический мост переменного токаР5058.- Машприборинторг, 1979, № 4, С. 14-15.

48. Каширин Ю.В. Преобразователь действующего значения переменного напряжения на управляемых проводимостях. Теоретические и прикладные задачи оптимизации. М.: Наука, 1985, с.22-28.

49. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения.- М.: Энергия, 1976.392 с.

50. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М.: «Сов. радио», 1977. 240 с.

51. Фиштейн А.М. Ключевые фазометрические преобразователи — Новосибирск: Издательство «Наука», 1980. 126 с.

52. Хургин Я.И., Яковлев В.П. Финитные функции в физике и технике. М.: Издательство «Наука», 1971.-408 с.

53. Шахов Э.К., Михотин В.Д. Чувыкин Б.В. Методы синтеза весовых функций для фильтрации измерительных сигналов // Измерения, контроль, автоматизация. 1981. №5. С.3-12.

54. Гутников B.C. Методы реализации специальных весовых функций в измерительных устройствах // Измерения, контроль, автоматизация. 1983. №2. С. 3-15.

55. Чувыкин В.Б. Фильтр нижних частот на основе интегрирующих дискретизаторов. в кн.: Межвуз. сб. науч. тр. «Цифровая информационно-измерительная техника». Пенза, 1979, Вып. 9, с. 11—14.

56. Вишенчук И.М. Выполнение операции усреднения в измерительных приборах методом весовых функций // Измерения, контроль, автоматизация. -1980. №3-4. (25-26) С.17-22.

57. Вишенчук И.М. Метод весовых функций в задачах измерения интегральных характеристик сигнала // Приборы и системы управления. -1983. №8. С.19-20.

58. Шахов Э.К., Михотин В.Д. Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения. М.: Энергоатомиздат. 1986.

59. Интегрирующие преобразователи напряжения в режиме фазочувствительного детектирования // Шахов Э.К., Михотин В.Д., Фролов В.М., Андреев А.Б. Известия вузов. Приборостроение, 1977, т. 20, №5.

60. Гриневич Ф.Б., Сурду М.Н. Высокоточные вариационные измерительные системы переменного тока. Киев: Наукова думка, 1989, — 192 с.

61. Методы повышения избирательности фазочувствительных АЦП. Бобылев Д.А., Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации (Москва, 17-19 апреля 1988 г.), М., 1988. С.8.

62. Вишенчук И.М., Щвецкий Б.И. Средства фильтрации в приборостроении // Измерения, контроль, автоматизация. 1987. №4. С. 43-56.

63. Рабинер JI., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов.- М.: Наука, 1977.- 559с.

64. Белов JI.A. Формирование стабильных частот и сигналов. М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 224 с.

65. Горлач A.A., Минц М.Я., Чинков В.Н. Цифровая обработка сигналов в измерительной технике. — Киев: Издательство «Техшка», 1985. — 151 с.

66. Хэррис Ф.Дж. Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье// ТИИЭР, 1978, т.66, №1.- С. 60-96.

67. Бобылев Д. А. Оптимальная реализация фазочувствительного преобразования в виртуальных измерителях-анализаторах импеданса // Датчики и системы. 2004. - №8. - С. 19 - 22.

68. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2003. —604 с.

69. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т. 1.-М.:Мир, 1983.-312 с.

70. Бобылев Д.А. Эффективное подавление сетевой помехи в измерителях-анализаторах импеданса с широким динамическим диапазоном значений тестового сигнала // Датчики и системы. —2006. — №12. — С. 31—36.

71. Б.В. Цыпин. Применение метода спектрального оценивания Прони для измерения параметров цепей переменного тока // Датчики и системы. -2003. №1. - С. 20-24.

72. Прокунцев А.Ф., Колесников В.И. Переходные процессы в цифровых мостах переменного тока. М.: «Энергия», 1978. - 112 с.

73. Бобылев Д.А. Фазочувствительные преобразования, инвариантные к аддитивной помехе, представленной полиномом конечного порядка. // Датчики и системы. -2007. №12. - С. 8 - 14.

74. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Боровских Л.П., Кнеллер В.Ю. Виртуальный самоповеряемый анализатор иммитанса с адаптивными функциональными возможностями// Датчики и системы. 2008. — №7. — С.21 — 27.

75. A.c. 1205062 СССР, МКИ G01R 27/02. Измеритель параметров комплексных сопротивлений / М.Н.Сурду, Ю.Р.Агамалов, Ю.А.Смоляр, Р.Д.Тучин, Д.А.Бобылев, Н.И.Михайленко и В.М.Могилевский// Открытия. Изобретения. 1986. - № 2. - С. 196.

76. A.c. 1228021 СССР, МКИ G01R 17/10. Измеритель параметров комплексных сопротивлений / Ю.Р.Агамалов, Д.А.Бобылев, Н.И. Михайленко, В.М.Могилевский, КХА.Смоляр, М.Н.Сурду и Р.Д.Тучин// Открытия. Изобретения. 1986. - № 16. - С. 182.