автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка и исследование цифровых методов повышения быстродействия и точности вольтметров переменного напряжения инфранизкого диапазона частот

(Ордена Ленина л ордэна ОктяОрьсксЯ революции Московский Энергетический институт

На правах рукописи

ЯНКОВ Алексей Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И ТОЧНОСТИ ВОЛЬТМЕТРОВ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ КНФРАКИЗКОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ

пециальнооть 06.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Р'абота выполнена на кафедре "Инфорыационно-измерительш техника" Шсковского энергетического института

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Желсаков И. н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор, ведущий научный сотрудник Попов Е С. , кандидат технических наук Исаев ЕЯ Ведущее предприятие - МНИЛИ, г. Шнек.

Зашита диссертации состоится "¿У' 1ддзг.

час. шн. в аудитории заседании

специализированного Совета К. 053.16.10.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью,просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул. , д. 14, Ученый Совет МЭИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан

1992 Г.

Ученый секретарь специализированного Совета К. 053.16.10

к. т. н. , доц. Бородкин Б. А.

ОЬ:-^." «' 'МАЯ | , . ~ БЙБЛИиТНКм I ДйСС з... :

Актуальность темы диссертации. Исследования акустических и 'гидроакустических сигналов, исследования вибраций и давлений, присущих наземным, морским, воздушным и космическим средствам передвижения, автоматизация технологических процессов требуют широкого применения цифровой измерительной аппаратуры для измерения сигналов в диапазоне низких и инфранизких частот (менее 200-ЕОО Гц). Значительное место в измерениях занимают вольтметры напряжения переменного тока (вольтметры переменного напряжения -ЕПН), позволяющие измерять среднеквадратическое значение (СКЗ). В области инфранизких частот (ИНЧ) (менее 10 -60 Гц) ВПН широко применяются для элализа искажений напряжения в энергетических сетях, при виброиспытаниях крупногабаритных объектов. При этом в целях поверки и настройки измерительного оборудования необходима точность измерений не хуже 0.1-0. 5 7.. В тоже время для области инфранизких частот (ИНЧ) особенно важно повышение быстродействия (до 1-2 периодов измеряемого сигнала). Для приведенных областей измерения СКЗ напряжения ИНЧ часто свойственна сложная форма измеряемого сигнала В этих условиях целесообразно использовать преимущества цифровой обработки сигналов (ДОС): универсальность, возможность точного преобразования величин, представленных в цифровой форме.

В серийно выпускаемых вольтметрах, использующих методы ЦОС, время измерения напряжения инфранизкой частоты (ИНЧ) может достигать десяти и более периодов, что значительно снижает эффективность исследований. Методы ПОС, применяемые в существующих ВПН, а также широко распространенные системы типа цифровой осциллограф-персональный компьютер не позволяют проводить измерения напряжений сложной формы ИНЧ с нормируемой точностью. Поэтому актуальна разработка и исследование цифровых методов повышения быстродействия и точности ВГО диапазона ИНЧ.

Уменьшение погреишости измерения, повыиение быстродействия и расширение частотного диапазона обеспечиваются при совместном проектировании методов и устройств ЦОС. Одной ив составляющих погрешности измерения является погрешность дискретизации. Для ее уменьшения наиболее распространено применение аналоговых фильтров, которые определяет амплитудно-частотную характеристику ВПН. Повышение быстродействия возможно при применении цифровых

методов измерения периода Точность и быстродействие измерения СГО напряжения ИНЧ зависят от точности и быстродействия измерения периода. Перспективным направлением решения задачи повышения быстродействия при измерении СКЗ сигнала сложной формы является использование адаптивных методов ЦОС.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование комплекса новы;-! алгоритмических способов повышения точности и быстродействия ВПН, использующих методы ЦОС.

Основные задачи диссертационной работы, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:

1. Исследование методических погрешностей измерения среднего (СЗ) и СКЗ переменного напряжения для ВПН, используюшх НОС.

2. Разработка и исследование перспективных алгоритмов цифрового измерения СЗ и СКЗ, позволяющих повысить точность и быстродействие в диапазоне ИНЧ

3. Разработка и исследование методов совместного проектирования аналоговой части и алгоритмов ЦОС для расширения диапазона рабочих частот и повышения точности ВПН.

4. Разработка адаптивных методов повышения точности и быстродействия измерения периода напряжений сложной Форш.

5. Анализ метрологических харатаеристик разработанного ВШ диапазона ИНЧ.

Методы исследований базируются на использовании элементов теории измерений, спектрального анализа, цифровой оОработки сигналов, классических методов дифференциального и интегрального исчисления, методов численного анализа. Экспериментальные исследования выполнены с помощью математического моделирования на ЭШ и испытания опытного образца ВПН.

Научная новизна работы заключается в разработке, обосновании, теоретическом и экспериментальном исследовании комплекса новых алгоритмических способов повышения точности и быстродействия ВПН, использующих методы ЦОС. В частности:

- исследованы новые методы, позволяющие получить оценки максимальных возможных погрешностей быстродействующих алгоритмов цифрового измерения СЗ и СКЗ;

- разработаны алгоритмы цифрового измерения СЗ и СКЗ, уменьшающие погрешности ЦОС;

- разработаны и исследованы методы совместного проектирования алгоритма ДОС и аналоговых фильтров, уменьшающих погрешность дискретизации;

- разработаны новые адаптивные методы, повышающие быстродействие и точность измерения периода в ВИН;

- исследованы методические погрешности ВПН, реализую®« разработанные алгоритмы измерения периода

Практическая ценность работы. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны весовые функции I МО, позволяющие уменьшить методические составляете погрешности измерения 03 и СКЗ; предложены адаптивные интерполяционные методы, применение которых повышает быстродействие и точность измерения периода; предложен метод измерения периода в условиях низкого (до 1) отношения сигнал - шум; разработана система проектирования на ЭВМ аналоговых фильтров, позволяющая расширить частотный диапазон устройства ЦОС и уменьшить требуемый порядок фильтра.

Результаты работы применимы для научно обоснованного решения таких практически важных задач как: выбор рациональной структуры и алгоритма цифровой обработки сигнала для измерения периода, СЗ, СКЗ; выбор и обоснование требований к характеристикам устройств ЦОС,в частности: аналоговых Фильтров, устройств дискретизации, вычислительного устройства.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтвервдена результатами моделирования и макетирования, а такие результатами практического использования разработанного ВПН.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертации теоретические и практические результаты использованы при создании совместноно с МНИЛИ г. Минск инфранизкочастотного микровольтметра, основанного на методах ЦОС. предназначенного для серийного выпуска на ПО "Вибратор" г. Таганрог.

Применение методики уменьшения погрешности методов ЦОС о помощью аналоговых фильтров позволило в 2. 5 раза снизить необходимый порядок аналогового фильтра Разработанные методы ЦОС для определения интегральных параметров обусловили возможность повышения чувствительности микровольтметра по сравнению с существую-

- б -

шиш приборми в Ю и более раз (до 10 мкВ).

Экономический эффект от внедрения кжроводъткетра составит 120 тыс. руб. в год.

Результаты внедрения подтьорзделу соответствующем актом.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены яа Республиканской конференции "Теория и проектирование электронных вольтметров и средств их поверки" (Таллинн, 1990); Республиканской конференции "Перспективы развития и применения автомаги-зированнной радиоизмер/.тельной аппаратуры" (Минск, 1990); Всесоюзной школе-совещании "(петрологическое обеспечение жфордадаон-но-измерительных сиситем и гибких производственных процессов" (Нальчик, 1990); Всесоюзной конференции "Методология из^зрейил (измерительные процессы, кх подготовка, планирование, орг&ЯЕза-ция, проведение, обработка и представление результатов" (Язюлг-рад, 1991).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе получено 2 положительных решения о гыдача авторского свидетельства.

Структура и об*ем диссертации. Диссертационная работа изло-дена на 146 стр. основного текста, состоит иг введения, 4 глав и заключения и содержит 41 рис., 4 табл., 6 приложений и список литературы из 157 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность теш исследования, сформулированы- цель и научная новизна работы.

В первой главе проведен анализ существующих методов ЦОС в вольтметрах переменного .напряжения (ВПЮ, использукщих метода ЦОС. Рассмотрены принципы построения устройств и методов ЦОС, сформулированы задачи исследования.

Задача повышения быстродействия и точности может быть ренена структурными и алгоритмическими методами. Устройство ДОС представлено в виде аналогового блока, блока дискретизации и вычислительного блока. Классификация методов дискретизации проводилась по следующим признакам: по принципу преобразования (детерминированности) процесса дискретизации, по шагу квантования и по пали-

,чию управления. Методы дискретизации для измерения ОКЗ напряжения ИНЧ должни быть выбраны из условия наименьших искажений измеряемого параметра, обусловленных дискретизацией. Кроме того при измерении периода методами ЦОС, необходимо анализировать форму измеряемого сигнала. В этих условиях форма измеряемого напряжения должна бить сохранена при дискретизации.

Из анализа возможных методов дискретизации для измерения СЗ и СКЗ ИНЧ сделан вывод о том, что для разработки и анализа ВПН ИНЧ наиболее целесообразен классический метод равномерной дискретизации с постоянным периодом дискретизации. Выбранный метод позволяет проводить измерение периода одновременно с измерением СКЗ, что повышает быстродействие до 1-2 периодов измеряемого напряжения; обеспечивает возможность наиболее широкого частотного диапазона за счет применения аналоговых фильтров с нормируемой ЛЧХ. Оценить погрешность измерения, произведенного с помошью устройств и методов UCC возможно при проектирования аналоговых фильтров совместно с алгоритмом ЦОС. Разработка методов проектирования фильтра и алгоритма ЦОС является одной из задач диссертационной работы.

Алгоритмические методы повышения точности вольтметров МП заключаются в применении весовых функций (ВТ). Наибольшего быстродействия и точности можно достичь при применении BP. подстраиваемых к периоду измеряемого сигнала. В этом случае точность измерения периода сигнала влияет на точность измерения СКЗ или СЗ Классификация методов измерения периода проводилась по следующим признакам: по представлению сигнала (аналоговое или цифровое); по области анализа (временная или частотная); по виду используемой информации о периодичности сигнала Показано, что наиболее перспективными устройствами измерения периода в составе ВПН ИНЧ являются устройства ЦОС с анализом ряда из временных интервалов пересечения постоянного уровня и ряда из интегральных значений, а также алгоритмы ЦОС, адаптивные к форме измеряемого напряжения.

На основании изложенного сформулированы представленные выше задачи исследования.

Во второй главе предлагаются и исследуются методы повышения точности измерения СЗ и СКЗ.

Метод ЦОС измерения СКЗ основан на том, что измеряемое напря-

а -

жвние обрабатывается аналоговым фильтром, ¡шыоряпгся мгновенные значения с частотой дискретизации ¿-4-, в вычислительном блоке дискретные мгновенные значения возводятся в гаадрат, изыэря-ется СЗ квадрированного напряжения. извлекается квадратный корень.

3 работе показано, что для методов ЦОС, использующих измерение периода, определяющими являются составляйте погрешности, обусловленные погрешностью измерения периода Аг к погрешностью дискретизации Лл, . . Уменьшение составляющих воэмээдэ алгоритмическими, методами и с помоидыо аналоговых фильтров, '1зш-рение СЗ и СКЗ производится с помощью весовых функций (ВФ) с шириной равной или 1фатной периоду. Сорма Ш определяется алгоритмом ЦОС. ВО аппроксимируется с помокь» импульсной характеристика аналогового блока и дискретной Б®. Огсвда следует, что алгоритмические методы заключаются в проектировании формы БЬ

При анализе погрешности предложено использовать временное представление обработки измеряемого соткала с покопав 25, Это позволяет получить максимальное значение Лг при наихудшей форма измеряемого напряжения. Таким является напряжение, пршшмаищзе максимальные значения 1/м при отличии БЭ й измеренным значением периода 7ц от ВФ с истинным значением периода Т. Рассчитав СЗ

можно получить ^ - значение погрешности изкэронкл СЗ, приведеи-ной к Ц~м и вызванной погреазюстью измерения периода

Для исследованных прямоугольной формы Ш с шириной равной периоду измеряемого сигнала, треугольной ВФ с шириной два периода и параболической с шириной три периода знамения Дт не превосходят значений, рассчитанных по соответствующим выражениям:

В случае измерения СКЗ масимадьное возможное значение У-р в 2 раза меньше рассчитанных по выражениям (1)-(3),

Анализ форы ВФ с шириной равной одному- периоду измеряемого напряжения показал, что прямоугольная ВВ по сравнению с другими'

¿/ ' V) "У

где 8п ~ относительная погрешность измерения периода У.

(1)

(2)

(3)

обеспечивает минимальное значение (1). Для измерения за два Периода сделан вывод о том, что применение В® в виде свертки двух В5 с разнесенными относительно значениями ширины ВХ> иолег привести к снижению максимального значения погрешности Если погрешность измерения периода распределена равномерным образом в интервале от до ,К4Х &п , то предложено сформулировать критерий оптимальности ВФ как максимальное возможное значение ^г при ширине БФ равной двум .

Минимизация предложенного критерия проведена аналитическими . методами и в результате предложена трапециидальная форма ВФ, верхнее основание которой 7/з имеет ширину равную

Тв = ЛЫ, . (4)

Зависимость максимального возможного значения погрешгасти измерения СЗ Уу от значения ¿^ имеет следующий вид

По сравнению с (2) применение предложенной ВО позволяет в 2 раза уменьшить значение максимальной возможной погрешности измерения СЗ и СКЗ, обусловленной погрешностью измерения периода. Например, если период измерен с погрешностью 11, то составляющая погрешности измерения СКЗ не более 0.0052.

Погрешность дискретизации предложено рассматривать в частотной области. Погрешность дискретизации при измерении СЗ равна сумме амплитуд гармоник спектра сигнала ТТмС • умноженных на соответствующее значение огибающей коэффициента передачи . Для уменьшения погрешности дискретизации обычно примененяют методы численного интерполирования. При этом наиболее распространены дискретные БФ (ДВФ), соответствующие прямоугольным ВФ. Ддя большего уменьшения погрешности дискретизации предложено воспользоваться свертками известных прямоугольных ДВ, что приводит к следующим преимуществам: треугольная ВФ по сравнению с прямоугольной

обеспечивает одновременное уменьшение как погрешности дискретизации Гр ,

/ас

так и погрешности 2),(Б); при увеличении ширины прямоугольной К5 до ^ периодов погрешность дискретизации уменьшается только в ->е раз, а при треугольной ЕФ в раз. Последнее

особенно важно при измерении сигналов с большим количеством спектральных составляющих.

Полученная ПВО для случая линейной численной интерполяции описывается следующим образом:

Л' -^-з Ы-2

V. <»

где ¿¿р-СЗ; ¿J¿ -мгновенное значение напряжения, измереннное с частотой дискретизации ^; М -число мгногонкщс значений, укладывающихся в период напряжения ; С( -отношение интервала времени между последним измерением мгновенного значения и концом периода.

При измерении с помощью ДВФ СЗ сигнала сложной формы с частотой и спектром до частоты Найквиста погрешность дискретизации оиисываетсн как

¡ы -

где р - -р ' ; - частота дискретизации; ^ - 1.7, £ -5, Z -2 - для ДВФ, описываемой (7).

Однако в реальных условиях верхняя частота спектра не ограничена. Гармоники пыше чистоты Найквиста могут быть ограничены с помошью аналогового Фильтра нижних частот (ФНЧ), который имеет частоту среза в /? Раз большую частоты сигнала и порядок /77.

Погрешность дискретизации измерения СЗ за один период выражена с помощью аппроксимационной АЧХ ФНЧ:

А* /¿¿г г '

В работе получены аналитические выражения, позволяющие выбрать параметры ФНЧ и метода ЦОС и определить погрешность дискретизации. Так погрешность ^^ при измерении СЗ не превышает .

где

К* - коэффициент амплитуды переменной составляющей напряжения; ) - дзета-функция Римана; при условии, что параметр метода ЦОС (8) и параметр /77 - порядок ФНЧ не менее 3.5 фр ~ - параметра, определяемого частотой дискретизации (8).

При измерении СКЗ в выражении (9) фигурируют амплитуды гармоник квадрированного напряжения. В работе решен вопрос о влияния параметров ФНЧ на спектральные составляющие квадрированного нап-рямшия Т/^ ■ Пэлученное ограничение на Ц^ описывается как

V™$ ¿* ¿2,.

где 17-СКЗ; Аззависимость, отличающаяся от АЧХ ФНЧ следующим оСпаэом. Частота среза /^"/^в два раза.больше частоты среза ЛЧХ ИЛ и скорость спадания в два раза Соль се' скорости спадания АЧХ

Погрешность дискретизации для СКЗ монет быть получена аналогично (9) с учетом того, что исходный сигнал обработан ФНЧ, частота среза которого в /7/2. раз больше частоты сигнала:

Например, при р -50, /-5,^.-19, Ъ -1, Л -5,/7 -6 8^ не превосходит 0. 03£.

На основании С9) разработана и исследована система расчета параметров ФНЧ устройства ЦОС на ЭВМ. Более точные методы расчета позволяют снизить требования к параметрам ФНЧ. Так, для приведенного примера порядок ФНЧ /77 может быть уменьшен до 4.

В третьей главе предлагаются и исследуются методы повыше-

ния быстродействия вольтметров СКЗ ИНЧ посредством измерения периода переменного напряжения.

Задача измерения периода методами ЦОС представляет собой восстановление сходных участков периодического сигнала по мгновенным значениям и определение временного интервала между восстановленными участками. Для сигнала сложной формы погрешность интерполяции зависит от параметров цифрового фильтра (Ц5), которым обрабатывается сигнал и от параметров ФНЧ на входе устройства ЦОС. Аналогично описанному вше, применение ЦФ и (ИИ может бить описано как обработка измеряемого сигнала аналоговым временным окном, а отличие его от идеального может быть описано как погрешность дискретизации при измерении периода.

Погрешность интерполяции входного сигнала полиномом порядка £ ограничена при применении окна порядка 2 . В целях повышения быстродействия необходимо использовать такие формы окон, которые при постоянной ширине обеспечивают минимальное значение производной сигнала порядка 2. Показано, что такие окна отвечают условию оптимальности, в соответствии с которым минимизируется максимальное значение производной окна порядка 2-, Б работе предложен временной метод оптимизации формы окна, доказана оптимальность по быстродействию прямоугольного и треугольного окон для интерполяции полиномаш нулевого и первого порядка. Разработано окно второго порядка, имешее следующий вид: ширина 2Тр, высота 1/ Тер , вторая производная окна описывается как

По сравнению с распространенными разновидностями окон Ханна предложенное окно обеспечивает погрешность интерполяции в 1.3 раза меньше. Также разработано оптимальное по быстродействию окно третьего порядка с минимальным значением третьей производной

Погрешность дискретизации при измерении периода наиболее точно опредеяется при помощи системы расчета параметров ФНЧ-ЦОС, упомянутой выше. Например, для прямоугольного окна с шириной но

(13)

24/ Тф.

»/«нее 10 интервалов дискретизации погрешность дискретизации при измерении периода не превосходит 0. 27.. Если использовать линейную интерполяцию и треугольное окно с шириной равной половине изме-реннного периода, причем коэффициент амплитуды прямоугольного входного сигнала не более 3 и отношение сигнал -шум не менее 50, то обиая погрешность измерения периода не превосходит 0.152.

Предложенный адаптивный метод измерения периода заключается в следующем. Погрешность измерения периода зависит от погрешности интерполяции и скорости измеряемого сигнала, обработанного окном. Процесс адаптации форму окна к форме измеряемого напряжения сводится к получении наименьшего значения погрешности измерения периода путем изменения порядка окна, ширины окна и применения получаемых ЦФ к запомненной последовательности отсчетов измеряемого сигнала.

Повышение точности измерения по сравнения с известными пря-мепяемыми методами, например в вольтметре В7-43, для прямоугольного и треугольного окон и линейной интерполяции отсчетов ЦФ описывается следующими выражениями:

Для приведенных выше условий прямоугольного сигнала, доверительной вероятности 0.9 погрешность измерения периода на превышает 0.2Z при отношении сигнал-шум не более 10. Применение треугольной ИХ наиболее эфффективно при ширине ИХ равной 7-9 интервалам дискретизации, длительности фронта измеряемого сигнала 3-4 интервала дискретизации и приводит к уменьшению погрешности измерения периода до 0.15Х при гаэффиционте амплитуды до 5.

Таким образом, применение предложенных адаптивных методов измерения периода позволяет повысить точность измерения периода путем более полного использования информации о форме измеренного сигнала и, следовательно, повысить точность измерения СКВ в ЕПН диапазона ИНЧ.

В четвертой гладе исследуются особенности практической реализации ВИН диапазона ИНЧ, использующего методы ЦОС.

Структурная схема ВПН ИНЧ включает масштабный преобразователь, ФНЧ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) мгновенных значений, микроЭВМ.

При разработке методов ЦОС необходимо учитывать ограничения используемых технических средств. Вывод о достаточности накопленной информации делается на основании предварительной оценки периода, проводимой в течении интервала дискретизации. Точные значения периода, СЗ, СКЗ определяют, обрабатывая накопленный массив информации.

Для формирования треугольных В® при постоянных параметрах ФНЧ предложено запоминать взвешенные суммы Sj мгновенных значений CJ¿: ^

Sj (16)

где L - количество мгновенных значений. L изменяется в зависимости от крличества запомненных . Описанная в работе организация памяти ВПН позволяет хранить одновременно 384 значения Sj с 4 значениями Z . Это позволяет проводить измерения напряжений ИНЧ за время не более двух периодов.

При намерениях низких уровней СКЗ (менее 100 мкВ) важное вначение имеет возможность проводить измерения в условиях низкого отношения сигнал-шум (до 2-3). С этой целый используется алгоритм мод/лей, в котором предложено изменять значения /У и /У: М

aíA0=Z ¡UL-Ü¿J. (17)

¿>о

Разработан метод анализа частных минимумов выражения (17), на основании которого делается вывод о периоде сигнала. Предложенный метод позволяет в 10-20 раз уменьшить требуемое отношение сигнал-шум. Например, при тестовом сигнале из восемнадцатой и девятнадцатой гармоник равной амплитуды, отношении сигнал-шум равном 2 и времени измерения от 2 до 4 периодов измеряемого сигнала погрешность измерения периода не превышала 1-21.

Проанализированы метрологические характеристики ЕПН, раз-

рр.Зстанкого при участии катера. Для ВПН обычно нормируются погрешности измерения СКЗ ВШ1 длч гармонической и сложной формы лапряяания. Так распространенный случай измерения прямоугольного :;апряле:п!я является наихудшим в смысле максимального влияния погрешности АШ на погрешность измерения СКЗ. Получены выражения лгя предельного значения систематической погрешости А'^зи пРа" дела СКО случайной составляющей ¿^[й^К ГОСТ 8.009-64):

ас/сз ЛАЬ.г ^АЦЛ ;

¿*>Ц 7- <JL fa С1В)

<5 ^ У 5 7 яи* Г2Ц1 ШУ^ / '

гдэ Д/цпП ~ погрешность, обусловленная неидеалыюстью АШ для ¡мгновенного значения напряжения, обработанного адаптивным окном; ¡dil- погрешность дискретизации для мгновенного значения налряже-

Г" Р

нмя, обработанного адаптивным окном; 0,4 - погрешность измерения CIS, обусловленная дискретизацией (12); погрешность намере-

ния СКЗ, обусловленная АЧХ прибора; А^цп ' погрешность измерения СКЗ, обусловленная неидеальностью АЦП.

В работе показано, что предложенные методы ЦОС позволяют при проектировании ВПН выбрать значения алгоритмических погрешностей рапными или меньшими погрешностей АШ и АЧХ Так, при пог-рэпюстях АШ и АЧХ не более Ю3(7 , предел допускаемой относи-те^ьпоЛ погрешности ВПН для напряжения сложной формы, может быть шрэтровал из (18),(19) следующим образом:

= 0.3+0.2(^-1), L%1 сад

о

<3 [ 8М1= 0.05 %г «и

где -конечное значение диапазона измерений СКЗ. Для напряжения сгшусоидальной формы погрешность измерения СКЗ описывается как:

'¿'¿(ш^аог-ао/ф''). с (23)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Результаты работы заключаются в следующем:

1. Развита теория методов ЦОС, позволяющих измерять период и использовать информацию о периоде для измерения среднего значения (СЗ), среднеквадратического значения (СКЗ), периода переменных напряжений инфранизкой частоты (ИНЧ). Получены выражения, описы-ваххше методические составляющие погрешности измерения СЗ, СКЗ, периода в зависимости от параметров Формы сигнала.

2. Предложен и исследовал метод проектирования весовых функций в соответствии с требуемым видом зависимости погрешности измерения интегрального значения от погрешности измерения периода.

3. Разработаны и исследованы адаптивные к форме сигнала методы цифрового измерения периода Методы позволяют уменьшить погрешность измерения периода и основаны на интерполяции измеряемого напряжения.

4. Разработаны и исследованы цифровые фильтры для интерполяционных методов измерения периода с помощью ЦОС, которые позволяют при наибольшем быстродействии (наименьшей длине импульсной характеристики) получить наименьшее значение погрешности аппроксимации и измерения периода.

5. разработана и исследована методика уменьшения погрешности ЦОС с помощью аналоговых фильтров. Получены выражения, позволяющие проводить совместную разработку фильтров и методов ЦОС для измерения СЗ.СКЗ, периода сигнала. На этой основе разработаны программные средства проектирования аналоговых фильтров. С помощью разработанных средств возможно проектировать фильтры для измерения СКЗ с наименьшей погрешностью при заданной частоте дискретизации.

6. Разработаны методы ЦОС, позволяющие повысить точность измерения периода в условиях, когда отношение сигнал - щум уменьшается до 1.

?. Основные результаты, выводы и рекомендации работы были использованы при создании совместно с ШИШ г. ¡Ai не к икфранизко-частотного микровольтметра, основанного на методах ЦОС, предназначенного для серийного выпуска на ПО "Вибратор" г. Таганрог.

- 17 -

Применение методики уменьшения погрешности ыетодоз ЦОС с помощью аналоговых фильтров позволило в 2.5 раза снизить необходимый порядок аналогового Фильтра Разработанные методы НОС для определения интегральных параметров обусловили возможность повышения чувствительности микровольтметра по сравнению с существующими приборми в 10 и более раз (до 10 мкВ).

Экономический эффект от внедрения микровольтметра составит 120 тыс. руб. в год.

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах.

1. ЗГй л баков И. Е, Янков А. В. Погрешность усреднения периодических напряжений посредством цифровой обработки сигналов // Электронные вольтметры и измерительные преобразователи (Аналоговые и цифровые): Тез.-чдокл. 1 секции респ. конф. "Теория и проектирование элэстронных вольтметров и средств их поверки". Таллинн, 22-23 мая 1930 г. , - Таллинн. - 1990. - с. 12-13.

2. Янков А. В. Измерение периода посредством цифровой обработки ■ сигнала в вольтметре переменного напряжения // Электронные вольтметры и измерительные преобразователи (Аналоговые и цифровые): Тез. докл. 1 секции респ. конф. "Теория и проектирование электронных вольтметров и средств их поверки", Таллинн, 22-23 мая 1990 г., - Таллинн. -.1990. - с. 16-17.

3. Недбаков И. II, Янков А. В. Методы цифровой обработки сигналов для измерения интегральных параметров периодических напряте-ний // Тез. докл. респ. конф. "Перспективы развития и применения ав-томатизированнной радиоизмерительной аппаратуры", Минск, 17-18 октября 1990 г., - Минск. - 1990. - с. 47.

4. Янков А. а Адаптивные методы цифровой обработки сигналов для измерения периода переменного напряжения сложной формы// Метрологическое обеспечение информационно-измерительных сиситем и гибких производственных процессов: Тез. докл. н.-т. школы-советиия г. Нальчик, 16-22 декабря 1990. - Ы., 1990. - с. 31.

5. йелбаков И. Н., Яшсов А. В. Измерение периода сигнала сложной формы цифровыми методами. - Леп. в ВИНИТИ. 26.04.91,, N 1751-В91. - 37 С.

6. Об алгоритмическом обеспечении измерения напряжений аифраниакочастотного диапазона / Ковалев Л. С., Федчун Д. а ,

Черняев П. А., Янков А. Е // Штододогия измерений (измерительные процессы, их подготовка, планирование, организация, проведение, обработка к представление результатов): Тез. докл. Веесоез. конф. , Ленинград, 11-13 июня 1991 г. - Л. , 1991. - с. 152.

7. Вольтметр переменного напряжения инфранизкой частоты / Евла-нов Е Е , Желбаков И. а , Янков А. Е и др. // Штодология измерений (измерительные процессы, их подготовка, планирование, организация, проведение, обработка и представление результатов): Тез. докл. Бсесоюз. конф., Ленинград, 11-13 июня 1991 г. - Л., 1991. -с. 151.

8. Янков А..Е О цифровых методах измерения периода переменного напряжения // Штрология. - 1991. - N 7. - с. 13-19.

9. Желбаков И. Е, Янков А. Е Измерение среднего значения периодических напряжений посредством цифровой обработки сигналов // Измерительная техника.- 1991. - N 10. - с.43-45.

10. Желбаков И.Е, Янков А. В. Погрешность, обусловленная дискретизацией при измеренши периодического напряжения сложной формы // Изв. вузов. Приборостроение. - 1991. - N 11.

11. Желбаков И. Е, Янков А.Е Измерение периода напряжений сложной формы с помощью цифровой обработки сигналов // В сб. Применение микропроцессоров в энергетике, радиоэлектронике, измерительной технике и управлениям. - Моск. энерг. ин-т - Деп. в ВИНИТИ. 13.12.91., К 07073-1584/21. - 231 С.

12. МКИ5 5 01 й 23/00. Устройство измерения периода сигнала сложной формы / Иелбаков НЕ, Янков А.Е(СССЗ).~ 4914406/21-17052; Заявл. 26.02.91. Шл. реш. 04.01.92

13. МКИ5 й 01 Я 19/00 Способ измерения среднего значения периодических сигналов // Желбаков И. Е , Янков А. Е , Черняев П. А., Федчуи Л. Е (СССР) - 4867448/21- 95823; Заявл. 07.09.90.; Прхреш. 23.01.92.

Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в С1. 3, 9. 133 исследованы погрешности измерения СЗ к СКЗ с измерением периода сигнала и предложены алгоритмические методы повышения точности, в С5, ИЗ проведен обзор средств измере-

ний периода, в С6 -83 проведен анализ метрологических характеристик и особенностей практической реализации ВПН Ш!Ч, а НО] предложен метол расчета ФНЧ в устройствах ЦОС, в П23 предложены устройства измерения периода, основанные на свойствах периодичности ряда интегральных значений сигнала

Соискатель /^Ц^^ А. Е Янков

П<1ЛПН<'аи.> К (Н'ЧйТК

______

Д.* ЮО______

ф,п| Ч'-»И. Кра»чи>к 13.

Введение.б

1.ктура и алгоритмы работы вольтметров, основанных на цифровой обработке сигнала.

1.1 Анализ современных методов цифровой обработки сигналов в вольтметрах переменного напряжения.

1.2 Анализ структуры устройств цифровой обработки сигналов (ЦОС).

1.2.1 Эквивалентное математическое представление устройства ЦОС.

1.2.2 Классификация методов дискретизации.

• 1. 2.3 Структура устройства ЦОС и методы дискретизации для измерения переменных напряжений инфранизкой частоты.

1.3 Алгоритмические методы повьниения точности и быстродействия вольтметров ИНЧ.

1.4 Повышение быстродействия вольтметров ИНЧ с помощью измерения периода.

1.4.1 Использование аналоговых методов измерения периода.

1. 4. 2 Использование цифровых методов измерения перио

1.5 Выводы.

2. Повышение точности измерения среднеквадратического значения, основанного на методах цифровой обработки сигнала.

2.1 Анализ в частотной и временной области методической погрешности измерения СКЗ, основанного на методах ЦОС с

- з измерением периода.

2.1.1 Анализ общей погрешности измерения среднего значения и СКЗ.

2.1.2 Анализ составляющей погрешности, обусловленной погрешностью измерения периода и дискретизацией.

2.2 Разработка и анализ алгоритмических методов уменьшения составляющих погрешности, обусловленных дискретизацией и погрешностью измерения периода.

2.2.1 Разработка весовых функций, уменьшающих составляющую погрешности, обусловленную погрешностью измерения периода.

2. 2. 2 Разработка весовых функций, уменьшающих составляющую погрешности, обусловленную дискретизацией.

2. 3 Анализ и разработка методов уменьшения составляю-• щей погрешности, обусловленной дискретизацией, с помощью аналоговых фильтров.

2. 3.1 Анализ и разработка метода проектирования аналогового фильтра при ЦОС с измерением периода.

2. 3. 2 Особенности разработки аналоговых фильтров при измерении СКЗ.

2. 3. 3 Методика расчета аналоговых фильтров, применяемых при измерении СКЗ.

2. 4 Выводы.

3. Повышение быстродействия вольтметров ИНЧ посредством измерения периода переменного напряжения.

3.1 Анализ погрешности измерения периода.

3. 2 Разработка и исследование адаптивных методов цифровой обработки сигнала для уменьшения погрешности измерения периода.

3.3 Повышение быстродействия и точности измерения периода при помощи проектирования оптимального по быстродейст-* вию цифрового фильтра.

3.3.1 Разработка и анализ оптимального по быстродействию цифрового фильтра для детерминированного сигнала.

3.3.2 Разработка цифрового фильтра для повышения быстродействия и точности измерения периода в условиях шума.

3. 4 Выводы.

4. Особенности практической реализации вольтметра ИНЧ, использующего методы цифровой обработки сигнала.

4.1 Алгоритмы работы вольтметра ИНЧ.

4.1.1 Алгоритм работы в реальном времени.

4 4.1.2 Алгоритмы ДОС, представленного в памяти вольтметра.

4. 2 Особенности определения погрешностей вольтметра

ИНЧ, использующего методы цифровой обработки.

4.3 Выводы.

Задача повышения точности и быстродействия измерений в различных областях науки и промышленности является актуаль-. ш ной в настоящее время. Развитие измерительной и вычислительной техники позволяет удовлетворить требования повышения точности и быстродействия Так при исследовании акустических и гидроакустических сигналов, при исследовании вибраций и давлений, присущих наземным, морским, воздушным и космическим средствам передвижения, при автоматизации технологических процессов находит широкое применение цифровая измерительная аппаратура для измерения сигналов с частотами ниже 200-500 Гц или в диапазоне низких и инфранизких частот С13-С53.

Значительное место в измерениях занимают вольтметры * напряжения переменного тока (вольтметры переменного напряжения - ЕПН), позволяющие измерять среднеквадратическое значение (СКЗ). В области инфранизких частот (ИНЧ) (менее 10-60 Гц) ВПН широко применяются для анализа искажений напряжения в энергетических сетях, при виброиспытаниях крупногабаритных объектов. При этом в целях поверки и настройки измерительного оборудования необходима точность измерений не хуже 0.1-0. 5 %. В тоже время для области инфранизких частот (ИНЧ) особенно важно повышение быстродействия (до 1-2 перио-^ дов измеряемого сигнала). Для приведенных областей измерения

СКЗ напряжения ИНЧ часто свойственна сложная форма измеряемого сигнала. В этих условиях целесообразно использовать преимущества цифровой обработки сигналов: универсальность, возможность точного преобразования величин, представленных в цифровой форме. Наличие в вольтметре широких возможностей цифрового анализа [3], [6]-[10] может сближать эти приборы с системами сбора данных типа цифровой осциллограф - персональный компьютер С1]J11]-С 17]. Причем, ВПН обеспечивает измерение СКЗ с нормируемой точностью, являете» менее дорогостоящим и более простым в обращении прибором.

Однако, как показывает анализ современных выпускаемых вольтметров [103,[183-[223 возможности развития цифровых методов измерения в ВПН используются недостаточно. Это является одной из причин некоторого снижения темпов роста сбыта ВПН в 1989-1990 гг. С23],С24].

Таким образом представляется весьма перспективным получить высокие характеристики ВПН, основанного на методах цифровой обработки сигналов (ЦОС) и позволяющего измерять СКЗ напряжений напряжений ИНЧ сложной формы с высокой точностью (до 0.05-0.1%) и быстродействием (время измерения до 1-2 периодов измеряемого сигнала).

Под методами ЦОС понимают методы обработки дискретных значений измеряемого сигнала, представленных в цифровой форме. Кроме того классическое определение ЦОС включает необходимость представления сигнала во временной или частотной области при равномерной дискретизации С17], Г253-С313.

Дискретные отсчеты могут быть как мгновенными значениями сигнала, так и интегральными, т.е. полученными с помощью интегрирующего аналого - цифрового преобразования (АЦП)- Использование методов ЦОС возможно только в случае равномерной дискретизации. Анализ других методов дискретизации приводит к следующим выводам:

1). Стохастический метод со средней частотой Найквиета, превышающей верхнюю частоту спектра сигнала сводится к случаю равномерной дискретизации. При этом оценивается эквивалентный шум АЦП С323-L353.

2). Стохастический метод со средней частотой Найквиста, меньшей верхней частоты спектра сигнала, не позволяет провр-дить анализ частотно-временных характеристик сигнала и может быть использован для измерения среднего значения (СЗ) и СКЗ.

3). Стробоскопический метод С153, С363-[383 сводится к случаю равномерной дискретизации.

4). Метод детерминированной неравномерной дискретизации имеет ограниченное применение (например, для подавления сигналов на заданных частотах, восстановление сигналов с известной формой и с частотой, превышающей частоту дискретизации и т. д. ) и не обладает достаточной универсальностью.

Таким образом, вне зависимости от метода АЦП исследование и разработка методов ЦОС может проводится ДЛЯ €ЛР-Ш равномерной дискретизации. фи помощи ЦОС измеряют интегральные параметры переменных сигналов, например: среднее значение (СЗ), СКЗ, Обработка дискретных значений вносит методическую погрешность ЦОС -погрешность дискретизации. Весьма актуальной является проблема оценки погрешностей ЦОС и разработки методов и устройств для ее уменьшения C393-U73. Наиболее эффективным методом является применение аналоговых устройств - фильтров [423,[463,[473.

При измерении периодических сигналов предполагается, что измерителю известна некоторая информация о периоде сигнала. По степени точности используемой информации о периоде методы измерений периодических сигналов можно разделить на методы с измерением периода и методы без измерения периода. В первом случае получение интегральных характеристик сигнала, проведение спектрального анализа и др. измерения проводится за один или несколько периодов измеряемого сигнала, а значение периода непосредственно входит в выражение, определящее измеряемую характеристику сигнала С 2] ,[18] ,[48] -[53]. Во втором случае информация о периоде служит для выбора временного интервала измерения а также учитывается при расчете дополнительных погрешностей измерения С193 -С 22],[54]-С56], При этом значение интегральной характеристики измеряется на основании следующего свойства оценки интегральной характеристики: оценка стремится к истинному значению при увеличении времени измерения. Отсюда следует, что, применяя измерение периода можно добиваться большего быстродействия измерения, что наиболее существенно при измерении в области ИНЧ Ь сигналов. Точность и быстродействие измерения СКЗ напряжения ИНЧ зависисят от точности и быстродействия измерения периода.

Измерение периода при помощи цифровой обработки сигнала позволяет исключить специальные устройства для измерения периода из измерительных приборов, имеющих встроенную микроэвм [18],[49]. Для повышения точности и быстродействия следует разработать методы ЦОС для измерения периода, которые позво-#. ляют измерять период с погрешностью, наименьшей в условиях заданных ограничений. Такими ограничениями могут быть: частота дискретизации, вычислительная мощность микропроцессорной системы, ограниченное время измерения, соотношение сигнал-шум, а также форма сигнала.

Научная новизна работы заключается в разработке, обосновании, теоретическом и экспериментальном исследовании комплекса новых алгоритмических способов повышения точности и быстродействия ВПН, используювдх методы ДОС. В частности:

- исследованы новые методы оценки погрешностей быстродействующих алгоритмов цифрового измерения СЗ и СКЗ;

• - разработаны алгоритмы цифрового измерения СЗ и СКЗ, минимизирущие погрешности ЦОС согласно полученым методам;

- разработаны и исследованы методы совместного проектирования алгоритма ЦОС и аналоговых фильтров, минимизирующих погрешность дискретизации;

- разработаны новые адаптивные методы, обеспечивающие максимальное быстродействие и точность измерения периода в БПН;

- исследованы методические погрешности ВПН, реализующих разработанные алгоритмы измерения периода.

Результаты работы заключаются в следующм:

1. Развита теория методов ЦОС.позволяющкх измерять период и использовать инфоршцию о зериоде: для измерениясреднего значения: ПОЛ ЛWД1ТТТП1АПатгпштягТДntpntin ITtnTTPVWiri- -f nPQ^ . nQWTfnir^ ТТЛТЧГЧ»iOTTTTT TТГ ш V uoy , jei^suifiJj. u опачспйя i uluD;, исрциДа. исрсдяслпстл напряжений инфраыизкойчастоты (ИйЧ). Получены выражения, описиt3qwmr*n »1лт1лттттлр»т?»1л ппллппттрттптигл . тгл^плттутптт» t»miftfifittttft hq. htfq . gciftmyig кХсгхидехчсиляЬЬ ь иилш^шш^ас аш ^стиихд ЛШлсрсляш., ихиЛ, периода:, в зависимости от: параштровгформы: сигнала.

2. Предложен и иеследованметодпроектировакия весовых функтттгА та ftnnmTiАтпшптт п*гят^зпп«гн»|тптга; ттлттлтетпптт*. - jirnt ■■ хдом в liuuidciuinmi v. xpcujcmbufi хиг-ццит оситигшиым uuj. рсшпи^хи но. меренияинтегральногозначения от погрешности измеренияпериода.

3. Разработаны, и исследованыадаптивные:кформе сигнала, методы цифрового измерения, периода, ^тодыпозволяют уменьшит! погрешность измерения периода и основаны на интерполяции измеряемого t напряжения. а

Разработави исследованы цифровые ,фильтры для. интерпотггттттяг^ттттгтчг iirtmmtnn' т«пгллллттт«|т rrrvriTfntm г\ тттттталп ТТАП Tj»r*mnmw nrtn-%.

•uai^iujujmuaia, шсau/j,\jjo iic^jmiu^c^ w ихлюиш^ии i^uxjf hug. воляют при: наибольшем быстродействии (наименьшей длинеимпульптзпй. vnnnwm«T\TinmTn#wV rrrs ТТ*Т"Т ттятх тгптлаеячяпА - тт/чягчлтптггшт»^ иаиш Jfxn^v iiwAjf . пешмсошис^ оlia^vc;Jh*ic uajl jjtb; uinwux jri snrmnwitfwntnm тг тет^^плтуп1: пл*\*яттп оииуипьшацш n шшсрспшд исгрухиДа».

5. Разработана и исследована методика уменьшения погрешности ДОС с помощьх) аналоговых фильтров. Получены выраааения., позволяющие проводить; совместную: разработку фильтров и методов ЦОС для измерения: СЗ, СЙЗ, периода сигнала. Ш этой основе разработаны программноесредства проектирования:, аналоговш: фильтров^ С помощью разработанных средств возможно; проектировать фильтры для тг«1г1Лплт*тт П1ГО n TT^TmrnTtmirNA ттпт^плпятлшя» ш • Trrstf: ' п 5 ттчттипЛ ттпптптл помсрсплл uxfau w догшсдшшл alui. рс iufiuui xmuixjj-ti. оодскпаи*^ чхай хихс. л rfa j. ! u дискретизации.

6. Разработаны методы ДОС, позвожяадш:: повысить точность из^-мерения периода в условиях, когда отношение сигнал - шумумекыпалтлп ттл л 71UA Ди i. г^ппит.® выводы и рекомендации работы: были i. wuhucnoc . yoojfJxuxcixDX, использованы: при созданж совшскю с; МНйПМ:я.Шшж инфраниака™ ттпптптилт1п te*i*nr\Tinirt(iii*if\innn- ппгггтптгттлтш- tm TTf~\0 птммтттп'п-а. чаихиапш и i«xui^umu.ui>.xjvic;xjjca, иишшашл и. па. шс.1 идаии фИ: ххрсДгюо ттчттппттлп irnrr пАпмйтептт" питт»*! ttn -TTf\ 'ЧЭтяЛпгчвпт*!' п Тп-пппппт! na.--icnnui и дЛд uc jyuiuiui и. оШ1 j una ricL xxw x . i ш aapui .

Применение методики уменьшения погрешности методов ЦОС п гтг*ч\лг\ять от nnn irnnrvnirtr rfrri| тгь mr>r\n ттппtj awn n O R nnnn ntTTintirmti . отллЛь. u Xiu/wL/HMlfu гьпгын а идд! фШиххрсла jiuoAu^iuLuu. л й-* О усъоск uru-ioii.LJJ дсии ходимый порядок аналогового фильтра. Разработанные методы ДОС для определения: интегральных параметров: обусжзвили; возмояаюсть nnnrimnHlw* тптппттппл "irs. ттг-чпттж ишлтмп'пп тге тмпштнг > np mitmnmim- л ntr— iiu nniiiirr дух/i. -iji дч» x Bjai c-ilunuu x la шифиаишхмсх^а» uu и^аспсшш u uy п$гствувпрми пркборми:b:10 и более:раз СдоЮ мкВ).

0/4v\rtr\\mnjnnr**w& nfMe'""* ' nm fiirnimnmrnr члятпчп wiтндшпз nen^ ипипишхчсиДшх. оцЦязгьх их хэпсДрспхгхл. дхухп^цдиJiо х дхс х уа. uuu mnnnm ^П mm тчттЛ n пп тг xaJLJrxx xtu x cuu. pyu. д i иД.

1. АООТ тпдттпм тмгппилттпы л nor.hi i i 1u1v 1141 uimvu-ti iuiv. 15uu.55.. USER'S HANDBOOK FOR THE DATRON AUTOCAL 1081 DIGITAL1V1UL-.

2. ДЛ METER. DATRON INSTRUMENTS LTD. - 1984. - 58 P.56.. ABDUL-KARIM M. A. M. , TAHA S. M. R. , OMRAN S. S. MICROPROCESSOR- 18 -2

3. Лачси i. .do, oacni j^uoncf/i • • ЛапД. j.ели. rid.^п., uu. и. ии.

4. E. В. Щумаров, Ю. Е Евланов и др. (СССР). 3970329/24-21; Заявл. 30.10. 85; Опубл. 15.03.87, Бюл. 10. - 5 с.

5. Л рол Л /ПТ ДЛССТТрр ГТПЭ лМЪПГЫПТ ШПНГЫ / сут \ТШ Т \1АТ ррс о