автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Цифровые устройства измерения частоты с весовым усреднением

V ' . >4*

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОМ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕНЗЕНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ПРОКОФЬЕВ Олег Владимирович

УДК 621.317.725

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ С ВЕСОВЫМ УСРЕДНЕНИЕМ

Специальность 05.11.05 — «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 1992

Работа выполнена на кафедре «Информационно-вычислительные системы» Пензенского политехнического института.

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и техники России, доктор технических наук, профессор Э. К. Шахов.

Официальные оппоненты:

действительный член Российской академии метрологии, доктор технических наук, профессор Е. П. Осадчкй;

кандидат технических наук А. А. Скорляков.

Ведущее предприятие указано в решении специализированного совета.

Защита диссертации состоится в /У часов, 1992 г.,

на заседании специализированного совета К.063.18.01 Пензенского политехнического института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

Автореферат разослан Е 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. и., доцент

Ю. М. Крысин

ниееииекдя

Г0СУДАГ,;ТЗЕННАЯ

библиотека

ОБЩАЯ

I (

| дяеатш?!

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Известные преимущества, достигаемые при использовании в измерительной аппаратуре частотного унифицированного сигнала, послужили основой для возникновения и развития широкого класса цифровых частотомеров (ЦЧ) и аналого-цифровых преобразователей частота (АЦПЧ), занимающих значительное место на мировом рннке приборостроительной продукции. Однако по мера возрастания роли динамических измерений, повышения

требований к метрологическим характеристикам, расширения системного применения устройств обозначился крут инженерных' задач, решение которых невозможно или практически затруднено'на основе известных методов построения устройств иямерейкя частоты.

Так, при разработка систем метрологической аттестации частотных датчиков, систем управления обрабатывающих центров, приборов биомедицинских исследований и другого оборудования требуется одновременно выполнить ряд условий: в фиксированный интервал измерения может укладываться несколько десятков периодов сигнала измеряемой частоты, погрешность измерения при этом не должна превышать десятые или сотые доли процента; -частотный сигнал может г подвергаться относительно -быстрой и глубокой модуляции; соотношение мевду периодом сигнала измеряемой частоты и периодом сигнала опорной частоты шкет Сыть невелико и составлять, ■например, несколько десятков; долкны быть соблюдены ограничения по аппаратурным затратам и обеспечены функциональные возможности для системного применения.

Выполнение части требований, касающихся задания динамических характеристик ЦЧ и АЕДЧ, а также связанных с простотой реализации, •возможно на основе использования метода весового усреднения, широко применяемого в задачах эффективной фильтрации аналоговых сигналов. Однако непосредственное, применение известных результатов в этой области не позволяет достигнуть требуемых условий обмена быстродействия и точности из-за неравномерно - дискрегазированного представления частотного сигнала последовательностью импульсов. Вследствие этого актуальной проблемой явились разработка и исследование способов введения- весового усреднения в процесс измерения частоты, реализация данных результатов в киде ЦЧ и АЦПЧ с совокупностью трудносочэтаэмых характеристик, огвэчапшс

условиям применения в современном научно- исследовательском и производственном оборудовании..

Цель работа и задачи исследования. Целью работы является раработка метов построения цифровых устройств измерения частоты с весовым усреднением и создание на их основе [14 и АЦПЧ с улучшенными метрологическими характеристикам-! и малыш аппаратурными затратами на реализацию. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

-оценка возможностей и перспектив применения Еесового уср чтения для задачи измерения частоты;

-синтез математической модели, отображащей фильтрацию частотного сигнала и сигнала- носителя частоты по методу Еесового усреднения;

-разработка и исследование способов введения Еесового усреднения в процесс измерения частота, определение структурно-алгоритмических вариантов их реализации;

-исследование условий обмена меаду быстродействием, точностью, свойствами подавления помех и аппаратурным™ затратами для предложенных структур устройств;

-разработка ЦЧ и АЦПЧ с весовым усреднением, оценка их точностных характеристик на основе аналитических, численных исследований и результатов экспериментов.

Методы исследований. 3 работе использовались методы теории сигналов, теории систем автоматического регулирования, теории цифровой фильтрации и обработки результатов измерений, численные методы математического анализа, .методы экспериментального исследования и имитационного моделирования на ЭВМ. данная новизна работы эаключа&гсл в глезувцем:

1. Теоретически обоснована ьозможноо-гъ воспроизведения заданных динамических характеристик so методу весового усреднения яри малом количестве периодов .сигнала измеряемой частоты за время измерения посредством замены реализуемых операций.

2. Разработана обобщённая математическая модель устройства измерения частоты с весовым усреднением, отображающая особенности передата частоты несущим импульсным . сигналом и позволяющая осуществить .аналитическую оценку точностных характеристик устройств.

3. Предложены я исследованы структурно- алгоритмические

способы введения -^собс-о усреднения з неявном виде, оценены получаемые возмсхкооти сов?дакпюз^кя точностных характеристик.

Подучено оСосноваЕИ* возмсжнсстг реализации весового усреднения при сгувесг-гленкл свёртки функштй б осласти дискретного фазового гргумекте, огрелелена условия урмкрочаняя совокупности точностных характеристик.

5. йсследоь^чг возможности функционального приадекенЕЯ устройств ньмер-ккя чгстотк с весовым усреднением.

Практическая ценность. В "результате теоретических исследований ь диссертационной работе:

Предложена методика использования фильтрующих свойств, •■ соотьетгтвушлл воспроизводимой весовой функции (ВФ), для задания динамических характеристик устройств' измерения' частоты и обеспечения подзвленпл аддитивных помех при малых соотношениях между длительностью В?< и периодом сигнала измеряемой частота.

I. Разработаны структуры ЦЧ и АдПЧ с реализацией весового усреднения в области временного и фазового аргумента, отличающиеся выгодной совскутд-юстьв метрологических характеристик и простотой реализации.

3. Разработаны программные имитационные модели,измерительного эксперимента с предложенными устройстьаш и нй их основе получены численные опенки точностных характеристик с учётом особенностей . схемотехнических решений и различных видов воздействия аддитивных помех.

4. Выработаны рекомендации по выбору адекватной структуры устройства с весовым усреднением для различных условий задач в области измерения частоты.

г.. Выявлены и исследованы способы обмена между точностными 'характеристиками.предложенных устройств и аппаратурными затратами на реализацию, а также способы совершенствования данных характеристик при неизменных аппаратурных затратах.

Реализация работы. В -результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны и знедрены:

-ряд АЦПЧ в составе систем метрологической аттестации частотных датчиков на предприятии 1ШИФИ (г. Пенза);

-АШ1Ч в составе комплексного прибора измерения £:эз;слсгкческих параметров в НПО "Рубин" (г. Пенза);

? составе системы ЧПУ Елкфозального станка в институте

г>

ВНИИПТХШШ (Г. Пензе).

Последние два из перечисленных конечных изделгЛ предназначен! для серийного производства я оаияаьмьй годовой экономически» эф$ект от примвкеаия ра<::гсоток аз гора ио оценке. ¡трозедёкной ! 1991 году, составляет 170 тысяч рублей.

Апробация работе ■ Основные результаты диссертационной работ! были доложены л обсуждены на Всесоюзном симпозиуме "Проблем: создания преобразователей формы информации* «'г.Киев, 1563), а; ЗОйСОйоННХ наутяо- Т?Х?7ЧеСКИХ. ХСН^рвКЖЯХ "ЧёТСГЫ ' микр- эдектроазае средства цифрового -гсяоссазовтсн и сбработк: сигналов* (Рига, 1936) я "Методы а средства измерения мехакически яаракетроз в системах контроля а управления" (Пенза, 1989), н зональных научно- те.02£«*ских ?»минэрах "'Лнтэгр-лрутдкэ частотные зремя-т,г.гульсн^е дресбразозчт&ли к ;д"£рсзнэ оре детва издерпния н тсс основе" (Пенза, 1587) и "Метода и средства измерена механических параметров. з систомах контроля и управления" (Пенза на научно - тгхзпееких конференциях прсфессорскс дйзподгяатзльсксто состава Пензенского политехнического институт 1985 - 19ЙЗ).

Гл^лиуггии. По результатам исследований я разработок ~кпол?лнных в процессе работы над диссертзци&й, опубликовано ; ггэчзтных работ, з тем '-тисле 6 авторских свидетельств.

Структура и осъвм диссертации. Диссертационная работа состо; И'о сведения. 4 глав, заключения, списка литературы, 2 приложений содержит 169 страниц основного текста, иллюстрируемого рисунками гнолицами на 55 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Эо зЕвденик обоснована актуальность исследовани ^■формулированы цель а задачи работы, изложены основные заложена булосимыэ на защиту.

3. гаузо* главе представлен обзор методологии у:*ороБо оьч-р^чи:-: частоты и ее реализаций в прийорос-грсмяка. за основан .•\0v.p0f0 известные Сч л с наиболее зыгсде

с:- т-кзваек грслсгичесиид характеристик с точки зрения ресеь ^кдулярезянвей дхо-Злэза.

Значительное разнообразие разработок б данной области дэлг-

«обходимым систематизировать дафрззык устройства измерения 4астотк пс признаку принадлежности к подразумеваемому определении ;астота г заклрчЬкному е к&м методу измерения. Существование разнообразия а^делет-пгй объективно обусловлено спвцкфгкзй частоты -:ак измеряемой величины.

Проведён анализ точностных характеристик, сфер щшменешй групп устройств, реализующих применяемые на практике определения частоты как количества идентичных событий в егкнпцу времени, сгрокзводно?, фазы по времени, отношения конечных пгжряззягй <т.?к к времени, г.х'-ылетог. интенсивности уч^ул см г ьсссде^-ты иу^-ггие тяжеста. спе"тг>бльн~И дло1Н.,с?и мхяостк прсг.звогязиго сигнала г др..

сдпгг далеко, что покгашо гаьэетрза: и предложенных в ходе ввзсл5*н?л дачное рьС-отк 1Г-' г яЕП частота с глсов^* усреднением, для взголнеЕИл' комплекса стогнулире; «-гны д трьбовануЦ, ссзсстмйь'ой совокупность» технических' характеристик обладает ряд устройств измерения частота как отношения конечных приращений фаьк и времени.. Группу аналогов с наиболее высокими условиями обмена быстродействия и точ^осте в близком к статическому рекиме работы образуют устройстве, определяющие отношения "фиксированное приращение фазы / оцениваемое пркргщензе временя" I: "'.-^»нкваемое приращение фазы / сцевдааомое приглашение вр^е-ни". дроме того, для варианта с фиксированным приращением фазы возможно совершенствование тсчносгнкх характеристик кг основе Еведения статистической весовой обработки. Каимекхзук чувствительность к паразитной модуляции частоты прояьлкг: перечислекные устройства с осуществлением ешкеи максимально возможного по условиям прим^некад прира&ягия времени и устройства, определяющие отношение "оцекиъ&екое отногенкв'фагы / фиксированное приращение времени". Последние обладает независима: ст входного сигнала филътрупщпта свойствами по отношен«® к сигналу модуляпки частоты и могут быть исг-дьзоввнк в качестве аналога при сопоставлении свойства подавления периода ских помех и точности кш'ренкя мгновенных значений частоты.

Сопоставимые оценки точностных характеристик аналогов с учётом флуктуаиий фаз» производящего сигнала мопн:- ы~,учуть посредством имктатжонного моделирования работы устройств ну сВМ.

1а>::аЕЬоречка, вззвЕхвюздо при попытке обеспечить зрес.чгмук сс-еокупкость характеристик, 2 зэннак случае обусловлены црпи~ЕЯ»ш<1

методом измерения. Это предопределяет необходимость исследования возможности решэния поставленной задачи с помощью качественно отличающейся конценптуа^ноЯ основа.

Вторая глава посЕздека исследованию свойств метода весового усреднения при использовании его для измерения частоты, а также разработке различию. способов введения зессзого усреднения и реалязущих их структур устройств.

При реализации данного метода в измерительных устройствах отсчёт устсойстза N определяется как

N = К X Ugjit) 3(t) dt, (11

О

где К - коэффициент пропорциональности. - ахолнсй сигнал

устройства, T.J- время измерения, g(t) - весовая функция, которая финитна з интервале [О, Ти], g(t) = g(T0- t) з площадь, ограничиваемая g(t), постоянна.

Измерение частоты как параметра интенсивности импульсов может быть осуществлено выполнением операций согласно (1), если gît) выбрана для выделения постоянной составляющей импульсного несуне го сигнала U__ ( t ), гпюпоеционэльной изменяемой частотеОднако, как показали исследования, для измерения частотного сигнала предписываема« методом операции могут быть заменены несколькими просто реализуемыми операциями суммирования.

При замене последовательности импульсов конечной длительности

U^(t) последовательностью 5-импульсов, выработанных в моменты

поступления импульсов конечной длительности, равныегзс (1 > -мояно

стедставить в виде * fb

N = K 1 S/V' <2)

k=i

где il - количество импУльсое в интервале Ти. >.с-мект

поступления к - го импульса, g,(t) - расовая функция, шеяхизводкмая . в альтернативном устройстве, воспринимающем сикхрснлс. ирунлив фронты ■ импульсов.

Алгоритм работы здесь сводится к суммирсванию значений воспроизводимой £,,(*) (рис.1,а), взятых в моменты поступления д -импульсов (импульсов входного сигнала на рис.1,6). Накопленная суша (рис.',5) предстэвллст ссбой отсчёт И .

Одновременно g,('t) определяв г динамачеохаэ характеристют

р

Рис. i

6)J_L

! i I I í

Puc.3

a).

b)

d)

o) J_L

o»!

? i У

Puc.2

PuC. k

тракта преобразования частотного или преобразуемого в частоту сигнала. В работе показано, что отсчёт значения частоте определяется выражением

'и

N = / х.т в <г) (з:

о

где х(1;) - преобразуемый в частоту сигнал, К - коэффициент Соотношение (3) может быть использовано для реализации ЦЧ и АЦПЧ нечувствительных к воздействию аддитивных помех.

Разнообразив разработанных на основе данных выводов способо] введения весового усреднения обусловлено не только возможность]

п

определения £ й/^ь^ различными структурно- алгоритмическим к=1 '

решениями, но и возможность» реализации описанных процессов области фазового аргумента с учётом дискретизации данног аргумента при использовании импульсного сигнала.

Способ непосредственной реализации операций в соответствии (2) и рис.1 предполагает выбор с достаточно высоки

подавлением высокочастотных компонент спектра 5-импульсног сигнала. Относительная погрешность измерения мокет быть оценен как

5 =

1/2

,2

(4

2 I |НишА)|2/ |Н(0)

где |Н(ЗшА)|, |Н(0) | - значения-АЧХ устройства, соответственно при частотах к - а и 0 - й гармоник 5-кмпульсного сигнала.

Например, при воспроизведении треугольной ВФ, наличии 1 периодов несущего сигнала за время измерения и точном выполнена операций 5 < 1 %. Одновременно могут быть использованы фильтрущг свойства воспроизводимой ВЗ в соответствии с выражением (3) Д7 обеспечения нечувствительности отсчёта по отношению к паразитке частотно- импульсной 'модуляции (ЧИМ).

Совершенствование точностных характеристик возможно на осног предложенного способа введения весоЕого усреднения в неявном вид и реализующей его структуры. Алгоритм работы устройст! заключается 5 том, что в момент поступления каждого из импулъсс входного сигнала (рис.2,а) начинается формирование импуль; заданной формы (ряс.2,б - г) в виде цифрового кода, сум?

выработанных импульсов (рис.2,д) усредняется за фиксированное время и полученное среднее представляет собой результирующий отсчёт (рио.2,в). Длительность выработанных импульсов Тимп моке'т превышать период входного сигнала и поэтому для реализации устройства используется несколько- поочерёдно срабатывающих формирователей-

Б работе показано, что в данном случае неявно воспроизводится БФ, финитная па относительно большом интервале времени; её форма определяется свёрткой функции, описывающей импульс, и прямоугольной БФ, .соответствующей усредняющему устройству. Предложенный алгоритм работы мозет быть математически эквивалентно представлен как усреднение отсчётов скользящего среднего значения частоты, определяемого по ансамблю реализаций, 'формируемого несущего сигнала (импульсов на рис.'2,б-г).

Например, при выработке треугольных равнобедренных импульсов е «0.13/ (Т^Ту ф. ■ (5)

где Ту— время усреднения, ±х~ измеряемая частота.

Выбором фортлк вырабатываемых • импульсов определяются соответствующие весовой функции динамические характеристики тракта преобразования частотного и преобразуемого в частоту сигналов.

Другим способом введения весового - усреднения " является определение скользящего среднего значения частоты и дополнительное усреднение отсчётов скользящего среднего за фиксированное время. Неявно воспроизводимая ВФ

в/*) = ели) * (б)

где В?^1*) ~ ЗФ» реализуемая в АЦПЧ с непрерывно формируемым отсчётом, - ВФ, воспроизводимая устройством усреднения за

фиксированное время. Предложены устройства, включающие АЛПЧ с реализацией скользящей прямоугольной, треугольной (рис.3,а) и других ВФ в^СЬ).' Сумма значений £(1;), взятых в моменты поступления импульсов сигнала измеряемой частоты (рис.3,6), непрерывно определяется в виде отсчёта АЩШ (рис.3,в). За фиксированное время Ту (рис.3,г) определяется усреднённое значение N (рис.З.д) отсчёта скользящего среднего значения частоты. При высокой частоте выработки результирующих отсчётов N за счёт увеличения длительности неявнг воспроизводимой БФ может быть увеличена точность измерения, расширен диапазон подавляемых аддитивных помех е сторону 'низких частот. Условия обмена меэду

точностными характеристика?® сопоставимы с выявленными пля представленного выше способа Еведения весового усреднения.

Предложен способ введения весового усреднения с реализацией операций в области фазового аргумента, основанный ка определении взвешенной суммы приращений Бремени - величины, рассматриваемой г качестве функции фазы.

Суть используемою при этом алгоритма работа заключается е тем, что в момент поступления первого импульса сигнала изадчр«^«:» частоты Г (рис.4,а) начинается формирование интервала измерение фиксированной длительности -Т (рис.4,3;, з течение которого определяется взвешенная сумма (рис.л.а) длительностей (п - 1: целых периодов сигнала измеряемой частоты и части г.-го периода, поместившейся в интервале Ти. "Баса" периодов изменяются, 1 зависимости от порядкового номера периода 1, по закону прсгрестдз (рис.4,г). Формируемый при этом отсчёт

11 - Г1**^«' :т

1=1

где Т 4- 1-й период сигнала измеряемой частоты, £г(1) - функцп веса. При выполнении перечисленных операций зеоисимость величины от измеряемой частоты описывается линейной иди друго* степенно полиномиальной зависимость». Формирование £„•:!) дл рассматриваемого алгоритма ра<Зоты осуществляется в соответствии приращением' фазы за фиксированное время измерения.

Разработан метод синтеза функций веса §^.(1), ообссечиваши требуемый вид степенной полиномиальной функции и определязшш условия обмена быстродействия и точности. Показано, что, например для реализации линейной. функции преобразования может быт использована -функция веса в виде ряда натуральных чисел и их пренебрежимо'малой погрешности оцэнки длительностей Т

■з = т / [4. (тигя)2]. 3 (£

Разработаны структуры устройств, восггрсизг-дяпих различнь •"геоии веса и позволявших обеспечить различные сочеташ характеристик погрешности, значения времени и диапазона измерзни* ссуэгствлять дискретное иле непрерывное сормировэкие отсчёта.

Результатом, перечисленных разработок стало ?еоретическ< .-бсснсзание возможности построения устройств изменения частота .гэсовым усреднением, отвечающих заданному чс:вгазксу хзрактеристж

* ннвод« относительно стр.-ктурко-алгоритмических вариантов реализации устройств.

3 третьей глава обоснована необходимость гшучегая численны:-: оценок точностных характеристик устройств, учятывдажих особенное:'/: схемотехнической реализации и воздействие аддитивных " помех на различных участках тракта преобразования измерительного сигнала, определены структура и алгоритм работы программной имитационной модели измерительного эксперимента, разработаны структурные блоки устройств я составные элементы модели.

Ка примере математического описания сигнала с ЧИМ показано, что из— за его мнимой периодичности при произвольном соотнок^-лгя между периодами модулирующего я несущею сигналов возникают препятствия з получении аналитическими методами оценок тсчкосткн." хэрэктеристик Цч и А1ШЧ. Для математического списания з частотной области это выражается в необходимости выполнения алгебрзичеохжс .'преобразований не элементарных .функций, описуззйьих спектральные характеристики сигнала измеряемой частота, з во временной области это проявляется з необходимости получения численных, реш-кий трансцендентных уравнений, опредэляггдих жзмеяты -кработг:-. импульсов формирователем. Зтя и другие особенности, суаестзуши-? при описании дискрвтязированно-кв.'знтсзэнаого воспроизведения требуемых зависимостей 'рис.1 - 4) цифровыми блоками устройств, предопределили зсуяестзленяв этзпга свограчмного имитационного моделирования.

3 разработанной модели предусмотрено адекватное зоспрс-изведение реализуемых в устройствах операций в соответствии о таблицами истинности дирско распространённых цифровых интегральных схем л типовых функциональных блоков на их основе. Воздействие аддитивных помех на работу Зсрмирозат&ля амп/льсоз отобракенс для вариантов суммирования о преобразуемым ¿

частоту сигналом и с псоизодяеим сигналом на ¿¡ходе формирователя. 2 • случае очередной м<-мэнт срабатывания •$ормипозатедя

:пр-:-де.ляегоя согласно ••.•шгезнному зшэ численному расчёту, з зс згорем определяется о учетом случайного смешения относительно истинной позиции согласно закону распределения с эраметрами. соотзетструпаими принятым характеристикам яссизводяаагс сигнала,

лсмеxii л ¡опмигозаг^.

5 ,:сстзз ж.челн зхедят елок зсспрсизведения устройств;,

измерения частоты, а также инвариантные по отношению к выбранному устройству. • блоки реализации входного• сигнала, управления экспериментом и хранения его результатов. Построение модели эксперимента соответствует сарукгурно- модульной организации моделирующих программ.

Выявлены факторное пространство, ограничения параметров и другие условия, на основании которых определён план эксперимента. Для получения оценки характеристик погрешности устройств и свойств помехоподавления предлокен порядок проведения' эксперимента, предусматривающий выбор случайного фазового смещения последовательности импульсов относительно границ интервала измерения, выбор.случайных (в заданных пределах) или фиксированных значений несущей частоты и параметров модулирующего сигнала, варьирование параметров устройства, формирование выборки отсчётов, статистическую, обработку, протоколирование результатов эксперимента.

Разработанная имитационная модель измерительного -эксперимента реализована в программах, синтезированных в исходных кодах языка Турбо - Паскаль."

В четвертой главе представлено исследование точностных характеристик устройств, способов их совершенствования, обмене между ними и аппаратурными затратами, рассмотрена схемотехническая реализация ЦЧ и А1Д1Ч.

Результатами имитационного моделирования показано, что при рассматриваемых в работе условиях в статическом режиме точностные характеристики частотомеров- периодомеров с фиксированным или выбираемым количеством периодов, со статистической обработкой сопоставимы с характеристиками устройств, воспроизводящих весовое усреднение в явном виде, и в единицы раз ниже характеристик устройств с неявным использованием данного метода. В последнем случае при наличии в интервале Ту тысячи периодов сигнала опорной частоты и ТуГ^ 5 + 55 погрешность измерения не превышает.. сотых долей процента.

Моделирование режима измерения постоянной составляющей частоты при .воздействии помех, находящихся в аддитивной смеси с сигналом - носителем частоты, показало, что при различных существующих в эксплуатационных условиях законах распределения моментов срабатывания формирователя (нормальном, арксгаусокдальном

и др.) возрастание размаха распределения отражается в увеличении преимуществ устройств с весовым усреднением.

Применение ЦЧ и АДПЧ с весовым усреднением для обеспечения инвариантности по отношению к паразитной гармонической ЧИМ позволяет в широком диапазоне отклонений от номинальной частоты модулирующего сигнала --снизить погрешность измерения постоянной составляющей частоты или преобразуемой в частоту величины до уровня статической погрешности. Например, при явном воспроизведении во временной области БФ в виде ядер сплайна 10-разрядным двоичным кодом погрешность измерения стабильна при отклонении частоты модуляции на ♦ 20 % от номинального значения, соответствующего наибольшему подавлению помех при точной реализации БФ . (девиация частоты импульсного сигнала может достигать 30 % от постоянной составляющей). В условиях проявления паразитной гармонической ЧИМ, при которой частота модулирующего 'сигнала является случайной величиной, находящейся в широком диапазоне (по условиям эксперимента, от 1 до 10 периодов модуляции за Бремя измерения), методическая погрешность устройств с зессвым усреднением на 1 - 2 порядка меньше погрешности аналогов, причём даннэе соотношение увеличивается по мере роста частоты и девиации модулирующего сигнала.

С помощью имитационного моделирования оценены характеристики устройств с весовым усреднением, используемых для функционального преобразования частоты, измерения её мгновенных значений и в других реки/,ах работы, исследованы зависимости между точностными характеристиками и ступенью квантования, шагом дискретизации при воспроизведении ВФ, скоростью убывания огибающей АЧХ, параметрами её лепестков. Полученные выводы использованы для выработки рекомендаций по выбору структурных и схемотехнических резений, обеспечивающих реализацию комплексов конфликтующих характеристик.

На основании проведённых исследований разработан ряд АППЧ и ЦЧ, ■ результата испытаний которых подтверждают проведённые аналитические и численные расчёты. Метод весового усреднения в явном виде во временной области использован в АППЧ, воспроизводящем треугольную ВФ. Устройство реализовано на основе интегральных схем КМОП-логики. Пси Т = 1 мс и частоте опорного

а

генератора 1 МГц в диапазоне измерения 14- кГц 23 кГц приведенная погрешность измерения в статическом режиме не превышает 0,3'%.

Начало интервала измерения не ск'аронизнроьано с последовательностью импульсов входного сигнала t может быть задано управляющей командой системы аттестации летчиков с частотны* выходом.

Весовое усреднение в области' фазового аргумекта использовано ь разработанных АППЧ и ПЧ, для которых взвешенная суммь- Г"4, длительностей периодов определяется на основе накапливающего сумматора. Линейность функции преобразовать об«спечена применением синтезированной функции £^(1) в видь арифметической прогрессии. Например, один из вариантов данных устройств -АППЧ, реализованный на основе КМОП-логики для системы аттестации струнных датчиков - имеет следующие характеристики: значение опорной частоты 1 МГц, диапазон измерения 13 кГц-* 23 кГц, при времени измерения 1 мс в статическом режиме работы приведённая погрешность измерения составляет 0,3 %, при значениях Тк, выбираемых из ряда 2, 8, 16, 32 мс, погрешность не превышает С,15 «. Выбор времени измерения, осуществление режима автоконтроля обеспечиваются управляющей командой системы. Расширение диапазона измерения возможно на основе введения функции g^.(t) с помощью управляемого делителя частоты. Примером использования такого решения может служить ПЧ, реализованный на основе интегральных схеу ТТЛ--логики, который при диапазоне измерения от 1С Гц до 800 Гц, 1ь0 мс в статическом режиме имеет приведённую погрешность не более 0,1 5Г.

Е разработанных устройствах формируемый интервал времени измерения не зависит от значения измеряемой величины; отсутствуют используемые в частотомерах- перкодомерах встроенные вычислительные блоки. В ряде АЦПЧ аппаратурные затраты ка реализации выполнены с учётом возможности изготовления в виде гибридных интегральных схемы КПЮП-логики.

Результаты проведённых исследований позволили оценить условия обмена между характеристиками, определить адекватный условиям решаемой задач?: струксурво- алгоритмический вариант реализации весового усреднения,, а тайке выявить возможности рэспзлэевил сфер применения ДО и АППЧ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведено исследование возможностей применения метода зеоового усреднения в устройствах измирения частоты, в результате которого синтезирована математическая .модель преобразователей частота з код с, весовым усреднением, адекватно отсбоааашая в частотной и временной областях реализуемые з рамках данного метода эперации как фильтрацию импульсного сигнала - носителя частоты а соответствии с воспроизводимой весовой функцией. Разработанная ад даль использована для аналитической оценки точностных характеристик устройств с весовым усреднением ч. выделения структурно - алгоритмических вариантов реализации метода вессвсгс усреднения для измерения частоты.

2. Показано, что динамические 'характер/.1стихи устройства измерения частоты с весовым усреднением, соотввтстзушие воспроизводимой весовой ' функции, определяют -фильтрацию преобразуемого з частоту сигнала и это может быть использовано для обеспечения подавления помех, находящихся в аддитивной смеси с данным сигналом.

3. Разработана структура преобразователей частоты в код, реализующих в явном виде метод весового усреднения и отличающихся ст известных устройств измерения частоты . улучшенными условиями обмена быстродействия и точности, повышенной помехоустойчивостью при малых затратах на аппаратурную реализацию.

4-. Предложены структуры устройств с реализацией метода весового усреднения з веяном виде, основанной на непрерывной выработке отсчётов скользящего среднего значения частота и усреднении таких отсчётов за фиксированное время, л г?.кже с реализацией, предполагающей цифровое преобразование формы импульсов несущего сигнала. йсследованк возможности совершенствования точностных характеристик, расширения диапазона подавляемых аддитивных псмех.

5. Синтезирована структура устройств с реализацией весового усреднения в области фазозого апгумента. Показано, что ~и наименьщнх аппаратурных затратах на реализацию обеспечиваются зспсгстазише с лучшими аналогами условия семена макду точностными характеристиками, 'что сочетается : возможностей -зыбсга степени и '•:оз'£фициентсв полиномиальной функции преобразования практически

Сэе усложнения схемной реализации.

5. Разработаны программные имитационные модели измерительного эксперимента с предложенными в процессе выполнения данной работы устройствами к их аналогами, учитывающие особенности иг4рож>2 реализации и ' воспроизводящие воздействие аддитивных помех, суммируемых с преобразуемым б частоту сигналом и несущим сигналом. Получены численные оценки точностных характеристик, выявлены способы обмена между как к аппаратурными затратами на реализацию, способу совершенствований данных характеристик при неизменных аппаратурных затратах, . выработаны рекомендации по выбору адекватной структуры устройства для различных условий задач ь области измерения частоты.

7. На основе результатов исследований, полученных аналктичес!:имк и численными методами, разработаны ПЧ к АЛПЧ, которые нашли применение е научно - исследовательской аппаратуре и производственном оборудовании.

Основные положения диссертации отражены с следующих публикациях:

1. Прокофьев 0. В. Точное к помехоустойчивое преобразование частотной форш информации б цифровую // Тез. докл. VI Всесоюзного симпозиума "Проблемы создания преобразователей формы информации", 25 нояб'. - 2 дек. 1988 г. - Киеь, 193с. - С. 143-144.

2. Кирик Ю. П., Прокофьев С. В. Цифровое- преобразование частоты с весовым усреднением // Тез. докл. Всесоюзе. науч.-тех.конф. "Методы и микровлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов", "1-13 нояб. 1985г. - Рига, 1935.-Т.1. - С.55-57.

3. Мкхотик В.Д., Прокофьев 0. В. Частотный АЛП для струнных датчиков в КМОП - исполнении // Тез. докл. Бсесоизк. науч.-тех.конф. "Метопы н средства измерения механикескхг-пб-аметров в системах контроля и управления", 25-27 янв. 1989 г. -Пенза, ШЕГП, 1989.- Т.1. - С.121.

4. Мехотен В.Д., Прокофьев О.В. Систематизация методов построения цифровых . частотомеров с весовым усреднением //■ Тез. дою;. Бсесоюзн. науч.-тех. конф. "Методология измерений", 11-12 ишя 1991 Г. - Л., 1991.- С.142.

5. Мйхотие В.- Л., Прокофьев 0. Б. Применение методе наименьших квадратов ь измерительных устройствах для датчиков с

1Р-

частотным выходом // Тез. докл. зснальн. семин. "Методы и средства измерения механических, параметров з системах контроля :<! управления**. 22-23 ляв. 1990 г. - Пенза. 1990, - С.72-73.

6. Кярин Ю. П., Прокофьев 0. 3. Функциональные АЦП с промежуточным частотным преобразованием // Тез. докл. зональн. сем. "*,!нтегриг-у1Ше частотные время-импульсные преобразователи и цифровые средства измерения на их основе", 18-19 мая 1987г. -Пенза. !987. - С.32-94.

7. '¿логин В. Д., Прокофьев 0. В., Халиков Р. Р. Оценка методических погрешностей цифровых частотомеров с весовым усреднением // цифровая информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн- тр. / Пенз. политехи. ин-т. - Пенза, :?85.-зып. 15. - С.¿3-19.

3. Прокофьев 0. В., ~увыкин 3. 2. Исследование методических погрешностей преобразования частотных АЛЛ с весовым усреднением с 'немощью имитационного моделирования на ЗВМ // Цифровая информационно-измерительная техника: Мэзвуз. сб. научн. тр. / Пенз. политехи, ин-т. - Пенза, 1986. - вып. 16. - С.55-57.

9. Михстин 3. д., Кирин С. П.. Прокофьев 0.3. Цифровой частотомер // Приборы я техника эксперимента. - 1986. - Л 5. - С.222.

10. Кирян Ю.П.. Прокофьев 0.3. Бкстродэйстзуташй частотомер с весовым усреднением // Цифровая информационно- измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. /' Пенз. политехи, ин-т. - Пенза, 199С.- вып. 19. - С.4.9-51.

11. Михотин В. Д., Кирия 0. П., Прокофьев 0. В. Помехоустойчивый ссоссС измерения частоты следования импульсов // Цифровая информационно-измерительная техника: Межзуз. сб. научн. тр. / Пенз. политеха, ин-т. - Пенза. 1939. - зып.'З. - С.1с-2С.

12. Михотин 3. Д.. лиран !0. П.. Проксфьез С.З. Усоверзенстзо-занный •"эстетомер Зру£мана // Цифровая информационно-измерительная гехнзка: Чежзуз. сб. научн. тр. / Пенз. пс.тятехз. ин-т. - Пенза. 1983.- - ВЫП.!'7. - 3.39-93.

"3. «ихзтин 3. П., Прокофьев 0. 3. "Точное я помехоустойчивое измерение частоты следования импульсов методом наименьших

.-задБэтсз '/ ',555ор?<ационно-измеритвльаая техника: Межзуз. сб. л-г-з. Пенз. лздатезн. ин-т. - Пенза, 1991. - вып.20. -

Чяхстпя З.Д.. Прокофьев О.В. Цифровые устройства

измерений частоты о весовым усреднением // Измерения, контроль, автоматизации. - 1592. - * 1 (находится в печати).

15. А. с. 1302208 СССР, Ш 4 С 01 Н 23/02. Цифровой частотомер / Б. Л. Михотин, Ю. П. Кирин, 0. Б. Прокофьев, Е. №. Шллндин (СССР) - * 3892242/24 -.21; Заявлено 07.05.85; Опубл. 07.04.87; Бюл. * 13. - С.177 - 178.

16. А. с. 1620954 СССР, МКК5 й 01 Н 23/02. ПреоОразовате.ш частоты в код" / Ю. П. Кирин, Б. Д. Михотин, 0. В. Прокофьев, Л.К, Фирстов (СССР) - № 4643276/21; Заявлено 27.01.89; Опубл. 15.01.91; Бюл. * 2.- С.139.

17. А. с. 1684711 СССР, МКИ5 С 01 Н.23/02, К 03 К 1/5: Цифровой преобразователь сигналов частотных датчиков /Б. Д Михотин, Ю. П. Кирш, О.В. Прокофьев (СССР) - Д ¿726028/21 Заявлено 27.07.89; Опубл. 15.10.91; Бюл.* 33. - С.185.

18. А. с. 1546912 СССР, МКК5 С 01 И 23/02. Цифрово частотомер / В. Д. Михотин, Ю. П. Кирик, 0. В. Прок £ьев (СССР) * 4375676/24 - 21; Заявлено 04.02.88; Опубл. 28.02.90; Емл. * £. С.216 - 217. •

19. А.с. 1594483 СССР, МЕИ5 С 04 Р 10/04. Способ измерен!: частоты следования импульсов" / Ы. Ф. Кандиров, Б.Д. Ыихотин, 0.1 Прокофьев, .1. Н. Фирстов (СССР) - * 4399729/24 - 21; Заявле! 05.01.88; Опубл. 23.09.93; Бел. Л 35.- С.202.

20. А. с. 1698317 СССР, ШСИ5 С 01 И 23/00 "Цифровой част о том-: непрерывного действия" / В. Д. Михотин, 10. П. Еириз О.В.Прокофьев, 3. К. Шахов (СССР) - М751991/21; Заявлю 23.10.89; Опубл. 15.12.91; Бюл. * 46. - С.186 - 187.

' ///'¿у-/