Измерительные цифровые преобразователи параметров синусоидальных сигналов с применением вычислительных операций

Информационные технологии играют возрастающую роль практически во всех сферах деятельности современного общества. С их помощью решается огромный круг задач, связанных главным образом с автоматизированным сбором, обработкой, передачей, хранением, поиском и представлением информации. При этом особое место в этом ряду занимает процесс измерения, предназначенный для получения количественно определенной информации об объектах материального мира. Это определяет актуальность создания и совершенствования измерительных преобразователей (ИПр), предназначенных для измерения параметров сложных динамических объектов и быстротекущих процессов. Таким образом, создание современных ИПр — важная, перспективная и актуальная задача.

Постоянное повышение требований к точности, быстродействию, информативности и другим характеристикам процессов сбора, измерения и обработки информации обусловливает необходимость создания и развития современных средств измерения и преобразования информации. Широкое применение средств цифровой вычислительной техники при построении ИПр ориентировано на обеспечение высоких метрологических и эксплуатационных характеристик ИПр. Указанные задачи нашли отражение в работах ведущих отечественных и зарубежных ученых: Смолова В. Б., Гитиса Э. И., Новикова П. В., Цветкова Э. И., Дрейпера Ч., Макса Ж., Крауза М., Вошни О. и др.

В настоящее время широкое применение нашли цифровые преобразователи параметров гармонических сигналов, базирующихся на методах цифровой обработки сигналов с применением преобразования Фурье и интегральных выборок на основе теоремы Михотина. Следует отметить, что основными недостатками подобных структур ИПр являются большие временные задержки на получение выборок, что уменьшает частотный диапазон и увеличивает вычислительную сложность алгоритмов, предъявляющих высокие требования к быстродействию используемой элементной базы.

При этом одной из основных по важности и сложности проблем является создание современных преобразователей параметров гармонического сигнала, использующих новые эффективные алгоритмы и структуры, ориентированные на применение вычислительных процедур. Указанная проблема применительно к аналого-цифровым преобразователям широко представлена в работах Авдеева Б. Я., Гаранина Н. М., Переверткина О. М., Южакова А. А. и др. Однако, поиск адаптивных алгоритмов измерения параметров синусоидального сигнала и разработка соответствующих структур ИПр не нашли достаточного отражения в литературе. В диссертационной работе эту проблему предполагается решать за счет применения совместных и адаптивных методов преобразования в реальном масштабе времени.

В работе решается актуальная научно-техническая задача разработки и исследования устройств преобразования параметров синусоидального сигнала и, в частности, алгоритмов измерения и структур преобразователей. Однако в известной нам литературе отечественных и зарубежных исследователей вопросы теоретического и экспериментального исследования преобразователей параметров синусоидального сигнала не получили достаточной проработки.

Целью работы является разработка и исследование структур и алгоритмов цифровых преобразователей параметров синусоидальных сигналов с применением вычислительных операций.

Указанная цель предполагает решение следующих научных задач:

— проведение классификации и анализа способов измерительных преобразований, основанных на применении вычислительных операций;

— разработка способов преобразования амплитуды и частоты синусоидальных сигналов, ориентированных на использование вычислительных операций;

— выполнение исследований функциональных моделей преобразователей параметров синусоидального сигнала;

— разработка алгоритмов преобразования для различных способов реализации механизмов адаптации к частоте синусоидального сигнала;

— построение структур преобразователей параметров синусоидального сигнала.

Методы исследования. В работе использована методология структурного анализа и проектирования, математический аппарат теории вероятностей, алгебры логики, теории автоматов и математического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— выполнен анализ способов преобразования, основанных на применении вычислительных процедур, с учетом особенностей процесса преобразования параметров синусоидального сигнала;

— предложен способ развертывающего преобразования и исследована функциональная модель преобразователя амплитуды синусоидальных сигналов;

— предложен способ двойного развертывающегося преобразования, обеспечивающий совместное преобразование амплитуды и частоты синусоидального сигнала и исследована функциональная модель совместного преобразователя;

— получены новые алгоритмы широкодиапазонного адаптивного преобразования частоты синусоидальных сигналов, обеспечивающие повышение быстродействия преобразователя и сокращение информационной избыточности формируемого кода- - предложены способы формирования механизмов адаптации по отношению к изменяющейся частоте синусоидального сигнала и проведены исследования моделей широкодиапазонного адаптивного преобразователя частоты.

Корректность полученных результатов теоретически обусловлена приведенными доказательствами и утверждениями. Адекватность полученных расчетных значений доказана на основании экспериментальных данных.

Диссертация выполнена в рамках НИОКР «Разработка алгоритмов преобразования амплитуды сигналов в составе аппаратно-программного обеспечения системы автоматизации испытаний авиационных изделий» (договор № 55/6Д), осуществляемой ЗАО «ИВС-сети» в течение 2003;2005 г. г. с ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания». Разработанная система автоматизации испытаний внедрена в опытную эксплуатацию в ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания».

Основное содержание изложено в 9 печатных работах [5, 24−27, 47, 52−54] и докладывалось на ряде международных и региональных научно-технических конференциях.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

5.4. Выводы.

1. Разработана и внедрена в опытную эксплуатацию многоуровневая адаптивная система автоматизации испытаний, обеспечивающая адаптивное преобразование с заданной точностью, индикацию, регистрацию и хранение текущих параметров авиационных агрегатов в процессе регулирования, доводки и проверки функциональных характеристик. Опытная эксплуатация подтвердила практическую реализуемость, достоверность, корректность принятых структурных решений преобразователей и эффективность применения для рассматриваемого класса систем предложенных алгоритмов измерения амплитуды и частоты синусоидального сигнала и основных теоретических результатов, полученных в настоящей работе.

2. Предложена аппаратурно-программная реализация преобразователя амплитуды синусоидального сигнала.

3. Апробация разработанных алгоритмов и архитектур в составе САИ в процессе эксплуатации:

— подтвердила полученные теоретические результаты о возможности создания преобразователя амплитуды синусоидального сигнала, обеспечивающего погрешность измерения не хуже 0,1%;

— показала возможность применения для целей преобразования синусоидальных сигналов мультиплицированного алгоритма преобразования, что повысило пропускную способность в 3 раза по сравнению с многоканальными преобразователями;

— продемонстрировала практическую целесообразность построения адаптивных преобразователей частоты синусоидального сигнала в частотном диапазоне 50−3000 Гц при заданной погрешности преобразователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенный в работе анализ и классификация методов преобразования, основанных на использовании вычислительных операций позволил сформулировать специфику функционирования современных преобразователей амплитуды и частоты синусоидальных сигналов в составе систем автоматизации испытаний. Показано, что для реализации сформулированных требований к преобразователям амплитуды и частоты необходимо использовать сложные вычислительные процедуры, реализуемые в реальном масштабе времени. Поэтому значительную актуальность приобретают теоретические и прикладные исследования, связанные с разработкой алгоритмов преобразователей амплитуды и частоты синусоидальных сигналов, позволяющих обеспечить достижение высокого быстродействия и точности.

Анализ показал, что для построения преобразователей амплитуды адаптивных по частоте синусоидального сигнала целесообразно использовать метод временного преобразования, т.к. процесс адаптации совмещен с основным процессом преобразования, что позволило обеспечить рост и улучшение характеристик преобразователя амплитуды, а также возможность адаптации его структуры к решаемым задачам и состоянию измеряемого процесса.

Показано, что особое место в создании преобразователей амплитуды синусоидального сигнала представляет реализация преобразователей на основе методов развертывающего преобразования.

Исследование моделей рассматриваемого класса преобразователей амплитуды и частоты синусоидального сигнала показало, что проблема реализации алгоритмов преобразования в режиме реального времени имеет принципиальное значение, а ее решение определяет дальнейший прогресс в теоретических исследованиях и практической реализации.

Проведен анализ и разработка вычислительных процедур преобразователя совместного преобразования амплитуды и частоты, использующих метод Ньютона, модифицированный метод Ньютона, градиентный метод полиномиального разложения функции синуса в ряд. Для указанных вычислительных процедур определены их практические характеристики, определяющие область рационального использованияисследованы ограничения на применение и разработана программная реализация.

Предложены и исследованы структуры преобразователей амплитуды и частоты синусоидального сигнала. Осуществлена их аппаратурно-программная реализация в составе системы автоматизации испытаний. В качестве практического использования результатов приведена реализация структуры системы автоматизации испытаний на современной программно-технической базе, использующей для измерения амплитуды и частоты синусоидальных сигналов разработанные автором преобразователи.

Учитывая вышеизложенное, в диссертационной работе получены следующие результаты:

1. На основе проведенного анализа и классификации способов измерительных преобразований параметров синусоидальных сигналов установлено, что известные преобразователи основываются на использовании вычислительных процедур, базирующихся на применении преобразований Фурье и теоремы Михотина, характеризующихся высокой вычислительной сложностью, значительным временем выполнения, что создает ограничения на их применение для осуществления преобразований в реальном времени.

2. Предложен и разработан способ развертывающего преобразования, на основе которого создана модель преобразователя амплитуды синусоидального сигнала. Особенностью предложенного преобразователя является возможность выполнения измерительных преобразований в течение полупериода синусоидального сигнала, а также относительная простота вычислительных операций в сочетании с невысокими аппаратурными затратами на реализацию. Проведенные на модели исследования позволили определить основные характеристики предложенного преобразователя и оценить рациональные трансформации функции преобразования, направленные на упрощение и ускорение вычислительных процедур.

3. Предложен и разработан способ двойного развертывающего преобразования, на основе которого создана модель совместного преобразователя амплитуды и частоты синусоидального сигнала, обеспечивающего преобразование на время менее полупериода. На моделях исследованы возможности использования различных методов численного решения системы исходных зависимостей и определены рекомендации по их рациональному применению. Разработаны алгоритмы преобразования и структура измерительного преобразователя совместного преобразования амплитуды и частоты синусоидального сигнала. Определены основные характеристики преобразователя.

4. Предложен и разработан способ адаптивного по отношению к изменяющемуся периоду преобразуемого сигнала преобразования «частота-код», обеспечивающий возможность преобразований частоты синусоидального сигналов, меняющей в широком диапазоне. Исследованы и реализованы различные механизмы адаптации эталонной частоты к меняющемуся значению периода синусоидального сигнала. Получены алгоритмы и структурные решения преобразователя. Исследования на моделях позволили установить отсутствие избыточности кода при изменении частоты в широком диапазоне и возможности выполнения преобразований за время, не превышающее половину периода синусоидального сигнала.

5. Разработанные способы измерительных преобразований, алгоритмы и структуры преобразователей параметров синусоидальных сигналов были положены в основу проектирования и реализации модулей измерительных каналов в составе системы автоматизации испытаний сложных объектов. В процессе практической реализации на основе теоретических разработок были реализованы оригинальные решения по созданию мультиплицированных преобразователей амплитуд синусоидальных сигналов от датчиков угловых и линейных перемещений. На основе алгоритмов совместного преобразования реализованы преобразователи параметров сигналов от датчиков вибраций. В целом экспериментальные исследования и опытная эксплуатация САИ подтвердили реальность и эффективность предложенных в работе теоретических положений.