Разработка и исследование цифровых методов повышения быстродействия и точности вольтметров переменного напряжения инфранизкого диапазона частот тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.05, кандидат технических наук Янков, Алексей Викторович

• Янков, Алексей Викторович
• кандидат технических наук
• 1992

Оглавление диссертации кандидат технических наук Янков, Алексей Викторович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование цифровых методов повышения быстродействия и точности вольтметров переменного напряжения инфранизкого диапазона частот»

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.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин», Янков, Алексей Викторович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Янков, Алексей Викторович, 1992 год

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