Показать сообщение отдельно
Старый 18.08.2015, 11:54   #7
Администратор
 
Аватар для MatilDA!
 
Регистрация: 24.09.2009
Адрес: НиНо
Сообщений: 207
Сказал(а) спасибо: 14
Поблагодарили 7 раз(а) в 6 сообщениях
Вес репутации: 10 MatilDA! скоро придёт к известностиMatilDA! скоро придёт к известности


Отправить сообщение для MatilDA! с помощью ICQ Отправить сообщение для MatilDA! с помощью Skype™
Стрелка

В продолжение темы Преобразователей сигналов выкладываю статью, вышедшую в журнале ИСУП № 3 2013 года по теме: "Методы измерения и преобразования частотно-временных параметров сигналов".
Статья о том, как измерить и передать в систему измерения частотно-временные параметры переменных сигналов (частоту, период, длительность импульса) с помощью нормирующих преобразователей:
Этой статьей мы продолжаем цикл статей в журнале «ИСУП», посвященных нормирующим преобразователям (№3 за 2010 год, №№1 и 3 за 2012 год).
Напомним, что в системах с большим числом разнообразных сигналов и удаленными датчиками на нормирующие преобразователи возлагают решение следующих трех основных задач.

Во-первых, нормирующие преобразователи реализуют схему и метод измерения первичных сигналов и их параметров и осуществляют предварительную обработку результатов измерения, включая, в зависимости от измеряемых сигналов и параметров, линеаризацию характеристик, фильтрацию, компенсацию холодных спаев термопар и проч. Тем самым нормирующие преобразователи разгружают и упрощают второй уровень измерительной системы.

Во-вторых, нормирующие преобразователи, как правило, обеспечивают гальваническую развязку сигналов. Это позволяет подключать датчики, находящиеся под разными потенциалами, и сокращает уровень электромагнитных по-мех, проникающих в измерительный тракт.

В-третьих, нормирующие преобразователи унифицируют сигналы в системе, что опять же упрощает построение второго уровня многоканальных систем.

В указанных выше статьях мы обсуждали преобразователи, которые измеряли и преобразовывали в унифицированные сигналы термопар, термометров сопротивления, унифицированные постоянные сигналы тока и напряжения. Были также представлены преобразователи, которые измеряли не сами сигналы, а их параметры, а именно, действующие значения переменного тока и напряжения. В данной статье пойдет речь о нормирующих преобразователях, которые предназначены для измерения и преобразования частотно-временных параметров сигналов: частоты, периода, длительности импульсов.

Прежде чем описывать конкретные преобразователи, остановимся подробнее на методах измерения частотно-временных параметров сигналов и возникающих погрешностях измерения.

Измерение периода и частоты сигнала
По определению период T – это наименьший временной интервал, через который периодический сигнал повторяет свои значения. Частота f равна количеству периодов в единицу времени. Частота связана с периодов простым обратным соотношением f = 1/Т, поэтому измерив период, легко рассчитать и обратную величину – частоту, и наоборот.

Все достаточно просто, когда речь идет о синусоидальном (или гармоническом) сигнале. Он в принципе характеризуется только одной частотой fo (и соответствующим периодом To). Метод измерения периода заключается в следующем. Компаратором формируется временной строб, равный периоду To. Этот строб заполняется импульсами с фиксированной стабильной частотой F (и периодом =1/F), число импульсов N в стробе подсчитывается. Тогда измеряемый период будет равен To=N×(1/F) = N/F, а частота fo=F/N.

Рассмотрим погрешности, которые могут здесь возникать.
Во-первых, во временной строб в общем случае попадает не целое число периодов сигнала заполнения. Поэтому абсолютная погрешность измерения длительности временного строба (а следовательно, и измеряемого периода То) складывается из погрешностей н и к в начале и в конце строба и будет равна одному периоду сигнала заполнения , а относительная - То = / То = fo/F = 1/N.

Соотношение для расчета относительной погрешности измерения периода показывает, что при измерении по одному периоду сигнала нужно использовать сигнал заполнения, частота которого значительно превосходит частоту измеряемого сигнала. Например, если мы хотим измерять частоту сигнала до 10 кГц = 104 Гц с относительной погрешностью 0,01%, то частота заполнения должна быть не менее 100 МГц = 108 Гц.

Для того, чтобы смягчить требования к высокой частоте сигнала заполнения, можно воспользоваться принципом, хорошо известным специалистам, который гласит: «Точно мерить - долго мерить». Применительно к нашей задаче этот принцип дает следующее решение. Строб должен формироваться не в течение одного измеряемого периода, а в течение нескольких периодов M. В этом случае относительная погрешность будет рассчитываться по формуле о = / (M×То) = fo/(M×F) = 1/(M×N), из которой видно, что точность повышается в M раз.

Этот результат можно интерпретировать и по иному: при том же требуемом уровне по-грешности, измерение по M периодам сигнала позволяет снизить необходимую частоту заполнения в M раз. «Расплатой» за это в соответствии указанным прин-ципом является замедление процесса измерения так же в M раз.

Во-вторых, на погрешность измерения о периода To (соответственно, частоты fo) будет влиять нестабильность (и/или погрешность установки) частоты сигнала заполнения F, при этом о = F. Понятия стабильности и погрешности частоты сигнала заполнения, вообще говоря, следует различать. Под погрешностью следует понимать отклонение частоты от той, которую мы принимаем в расчетах. Такое отклонение может быть вызвано, например, не точной настрой-кой генератора сигнала заполнения. В то же время нестабильность частоты принципиально всегда существует в генераторах с конечной добротностью, и следовательно, с конечной шириной спектра сигнала. Более того, как нестабильность, так и погрешность могут меняться как во времени, так и под воздействием различных факторов, главными из которых являются изменения температуры и напряжения питания генератора. Таким образом, выбирая источник сигнала заполнения, всегда следует оценивать нестабильность (и погрешность установки) его частоты.

Третьей причиной погрешности измерения может быть наличие помехи, которая искажает синусоидальный сигнал (см. рис.2). Влияние помехи проявляется в том, что начало и конец строба начинают флуктуировать, причем несинхронно. Это приводит к флуктуациям длительности строба, и следовательно, к погрешности измерения периода (частоты). Детальный анализ погрешности, связанной с помехой, достаточно сложен и выходит за рамки данной статьи. Здесь мы только обращаем внимание на возможный источник погрешности.

Следует заметить, что наличие даже сильной помехи вовсе не означает что измерение периода (частоты) становится невозможным. Становится неприменим метод стробирования. Дело в том, что метод стробирования жестко привязан к порогу (а значит и к моменту) срабатывания компаратора, который собственно и формирует строб. Это значит, что метод стробирования определяется поведением сигнала в области порогов, и совсем не учитывает поведение всего сигнала в целом. Наоборот, методы, основанные на анализе сигнала и помехи в целом, в ряде случаев позволяют исключить влияние помехи. В частности, спек-тральный анализ сигнала позволяет рассчитать частоту сигнала, при условии, если спектр помехи сосредоточен в области, удаленной от частоты сигнала.

Аналогичная проблема возникает при измерении периода (частоты) сильно несинусоидального сигнала. Он хоть остается периодическим, но в его спектре могут присутствовать достаточно сильные высшие гармоники, которые при-водят к такому искажению формы сигнала, что применение метода стробирования может привести к ошибочным результатам. Однако, метод стробирования для второго сигнала не будет работать, так как будет формироваться «ложные» стробы (причем в нашем случае их два на периоде), не соответствующие периоду сигнала.

Сказанное означает, что прежде чем применять метод стробирования, следует проанализировать возможную форму исследуемого сигнала.

Измерение длительности импульсов
В данной статье под длительностью импульса будем понимать интервал времени между двумя следующими друг за другом фронтами разной направленности. При этом здесь мы рассматриваем только периодические положительные сигналы. Импульс между нарастающим и спадающим фронтами считается положительным, а между спадающим и нарастающим – отрицательным. Конечно, сумма длительностей положительного и отрицательного импульсов равна периоду.

Очевидно, измерение длительности импульсов производится методом стробирования, причем в качестве строба выступают сами импульсы. Для повышения точности измерения при ограниченной частоте сигнала заполнения применяют усреднение измеренных длительностей по большому числу импульсов.

__________________
менеджер сайта www.contravt.ru
теперь старший менеджер сайта
MatilDA! вне форума   Ответить с цитированием