Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ ПОМЕХ,ОБЗОР МЕТОДОВ ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 13
1.1. Виды помех и особенности их влияния на результат преобразования 13
1.2. Методы и средства времяимпульсного преобразования мгновенного значения исследуемого сигнала 26
1.3. Методы и средства времяимпульсного преобразования среднего значения исследуемого сигнала 34
Вы в оды 55
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУС ТОЙЧИВОСТИ УСТРОЙСТВ ВИП МГНОВЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ... 58
2.1. Устройства ВИП с цифровым усреднением результатов измерения отдельных мгновенных значений 58
2.2. Устройства ВИП с входными масштабирующими узлами с дифференциальным выходом 74
2.3. Устройства ВИП с входными узлами выборки и запоминания 94
Выводы 109
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХО УСТОЙЧИВОСТИ УСТРОЙСТВ ВИП СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ
3.1. Устройства ВИП со ступенчатым весовым интегрированием
3.2. Повышение помехоустойчивости устройств ВИП среднего значения методом оптимальной расстановки нулей спектральной характеристики весовой функции 130
3.3. Устройства ВИП среднего значения с дополнительным цифровым усреднением 139
3.4. Синтез ступенчатых весовых функций 150
Выв оды 158
4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВНУТРЕННИХ ПОМЕХ 161
4.1. Основные виды внутренних помех и методы борьбы с ними 161
4.2. Анализ влияния импульсных помех и разработка методов уменьшения их влияния на результат преобразования 165
4.3. Анализ влияния низкочастотных помех и разработка методов уменьшения их влияния на
результат преобразования 173
Выводы 183
5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ПРИБОРОВ ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНОГО ТИПА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА 186
5.1. Разработка и исследование цифровых приборов ВИП мгновенного значения 187
5.1.1. Цифровой вольтметр постоянного тока типа Ф4832 187
5.1.2. Цифровой вольтметр постоянного тока типа Ф4830 196
5.2. Разработка и исследование цифровых приборов ВИП среднего значения 202
5.2.1. Аналого-цифровой преобразователь постоянного тока типа Ф4833 202
5.2.2. Цифровой вольтметр постоянного тока типа Ф4834 '. 213
Выводы 221
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 222
ЛИТЕРАТУРА 224
ПРИЛОЖЕНИЯ 239
- Виды помех и особенности их влияния на результат преобразования
- Устройства ВИП с цифровым усреднением результатов измерения отдельных мгновенных значений
- Устройства ВИП со ступенчатым весовым интегрированием
- Основные виды внутренних помех и методы борьбы с ними
- Разработка и исследование цифровых приборов ВИП мгновенного значения
Виды помех и особенности их влияния на результат преобразования
Улучшение основных метрологических характеристик измерительных приборов ( точности, чувствительности и быстродействия) связано с преодолением целого ряда препятствий, одним из которых являются помехи. Помехи, проникая в измерительные цепи приборов, приводят к искажению результата измерения. В реальных условиях эксплуатации измерительных приборов на исследуемые сигналы накладываются помехи, которые могут во много раз превышать ступень квантования, а в некоторых случаях могут превышать и значения исследуемых сигналов. Следовательно, воздействие помех приводит к увеличению погрешности измерения, а в некоторых случаях - к полному искажению результата измерения.
Помехи проникают в измерительные цепи приборов в основном через паразитные гальванические связи между источниками помех и измерительными цепями, а также в результате электромагнитных, электростатических наводок на линии связи между источниками исследуемого сигнала и измерительными приборами и на отдельные узлы приборов. Кроме того, помехи возникают в результате неэквипо-тенциальности отдельных точек измерительной цепи и от прохождения токов нагрузок через контуры, которые имеют общие участки с измерительными цепями. При измерении сигналов низкого уровня также опасны термо-э.д.с. контактов соединений линий и контактов коммутирующих элементов [1,2] .
Проникновение помех в измерительные цепи в основном зависит от схемы соединения источника исследуемого сигнала, измерительного прибора, источников их питания и устройств приема и обработки информации. На рис. I.I, 1.2 приведены измерительные схемы и показано воздействие источников помех на элементы измерительной цепи.
Наиболее помехозащищенной является схема, приведенная на рис. I.I. В этой схеме источник сигнала и измерительный прибор не заземлены и соединены только между собой, а питание измерительного прибора осуществляется от автономного источника питания. Помехи возникают только в результате электромагнитных и электростатических наводок и за счет входных параметров ( , RK ) измерительного прибора.
Эквивалентное значение помехи, возникающей за счет входных параметров ( 4, Rfix ) измерительного прибора, определяется выражением
При использовании измерительных приборов со стабильными значениями входных параметров влияние помех, возникающих за счет входных параметров, может быть скомпенсировано калибровкой измерительного прибора [3].
На рис. 1.2. приведена схема, в которой источник сигнала и измерительный прибор заземлены, а питание осуществляется от промышленной сети 220 V. В этих схемах в измерительную цепь помехи проникают из сети, а также возникают за счет неэквипотенциальности точек заземления между отдельными устройствами.
Устройства ВИП с цифровым усреднением результатов измерения отдельных мгновенных значений
Время-импульсные цифровые измерительные преобразователя напряжения постоянного тока, построенные на методе сравнения преобразуемого напряжения с развертывающим (линейно-изменяющимся) напряжением, являются преобразователями мгновенного значения.Следовательно, результат Ir&J преобразования М(с можно представить в следующем виде значение преобразуемого напряжения в момент равенства с развертывающим напряжением. При действии помех на преобразуемое напряжение происходит искажение результата преобразования, который при действии адаптивной помехи равен.
При действии на измеряемый сигнал помехи промышленной сети Un()=Un/n&n(u)t + y), абсолютное значение погрешности находится в пределах -Unm 6UUnm
Основным методом борьбы с помехами является фильтрация помех с помощью операции усреднения отдельных результатов преобразования.
Результаты отдельных преобразований при цифровом усреднении можно представить, как ряд случайных дискретных величин каждое значение которых состоит из истинного значения измеряемого напряжения и случайной составляющей погрешности AUn.
В математической статистике доказано, что для равноточных измерений значением математического ожидания измеряемого напряжения является среднее арифметическое отдельных результатов, которое и принимается равным результату измерения [80].
Принимая результат каждого преобразования равным UxLzUx AUnl » получим
В среднем арифметическом отдельные составляющие погрешности от влияния случайных помех частично взаимно компенсируются, так как имеют различные знаки. Следовательно, при увеличении количества усредняемых результатов отдельных преобразований погрешность от влияния помех уменьшается и стремится к нулю.
Увеличение количества усредняемых результатов отдельных измерений приводит к уменьшению быстродействия преобразования, а также приводит к повышению динамической погрешности измерения, вызванной изменением значения исследуемого входного сигнала за время преобразования.
Кроме того, как показано в [8l], значительное увеличение объема усредняемых результатов может приводить к увеличению систематической составляющей погрешности. Поэтому на практике, даже при сравнительно высоких требованиях к достоверности результата, ограничиваются 30-50 отсчетами. Конкретные рекомендации относительно объема усредняемых отдельных результатов обычно основываются на анализе требуемой достоверности результата, точности измерительных устройств и условий измерения.
Устройства ВИП со ступенчатым весовым интегрированием
Наиболее перспективным и эффективным методом преобразования по критерию помехоустойчивости является метод весового интегрирования, который основан на интегрировании исследуемого сигнала, предварительно умноженного на определенную весовую функцию входной исследуемый сигнал; - весовая функция; / - время интегрирования. Из выражения (3.1) следует, что для сохранения среднего значения входного сигнала необходимо условие равенства интеграла весовой функции единице, т.е.
Наиболее известными весовыми функциями, которые используют при весовом интегрировании, являются: ступенчатые (кусочно-постоянные) , кусочно-полиномиальные и тригонометрические 98]. Также известны решетчатые весовые функции, которые используют при дискретном интегрировании [99,I00J.
Эффективность весовых функций определяется ее спектральной характеристикой. Высокоэффективными весовыми функциями являются сложные кусочно-полиномиальные и тригонометрические. Реализация таких весовых функций в интегрирующих приборах является сложной задачей. Это связано с тем, что реализация операции умножения исследуемого сигнала на кусочно-полиномиальные и тригонометрические весовые функции вызывает значительные технические трудности. Кроме этого, введение большого количества активных элементов для формирования сложных функций увеличивает погрешность преобразования и в результате полученная высокая помехоустойчивость неоправдана.
Простыми в реализации являются ступенчатые весовые функции, которые реализиуются масштабированием входного сигнала [ 101] или изменением постоянной времени интегратора (j 02-105] .
Основные виды внутренних помех и методы борьбы с ними
Внутренние помехи измерительных приборов времяимпульсного преобразования в зависимости от частотного спектра разделяются на высокочастотные и низкочастотные.
Высокочастотные помехи возникают в результате воздействия дискретных узлов и отдельных их элементов на измерительные цепи и аналоговые узлы.
К низкочастотным внутренним помехам относятся временные и температурные дрейфы основных параметров аналоговых узлов. Следовательно, основными низкочастотными помехами измерительных приборов времяимпульсного преобразования являются:
- временной и температурный дрейф нулевого уровня входных усилителей, усилителя интегратора и сравнивающих устройств;
- временная и температурная нестабильность источника опорного напряжения;
- временная и температурная нестабильность коэффициентов передачи входных делителей напряжения, входных усилителей и других аналоговых узлов.
Успешное решение вопросов уменьшения влияния внутренних низкочастотных помех на точность преобразования устройств ВИП возможно за счет улучшения основных метрологических характеристик отдельных узлов или за счет применения структурно-алгоритмических методов.
Улучшение технических и метрологических характеристик отдельных узлов приводит к их усложнению и, следовательно, к усложнению и удорожанию самих приборов, особенно для приборов высокой точности. Поэтому для улучшения характеристик приборов целесообразно применять структурно-алгоритмические методы подавления внутренних низкочастотных помех.
К структурно-алгоритмическим методам подавления внутренних помех в приборе ВИЛ относятся различные приемы усовершенствования структур путем применения дополнительных узлов и изменения алгоритмов работы.
Структурно-алгоритмические методы уменьшения влияния низкочастотных помех разделяются на две группы. К первой группе относятся методы с формированием корректирующего воздействия. Ко второй группе относятся методы с математической обработкой результатов преобразования.
Структурно-алгоритмические методы с формированием корректирующего воздействия заключаются в проведении автоматической коррекции отдельных составляющих погрешности, возникающих от влияния внутренних низкочастотных помех.
Методы математической обработки результатов измерений заключаются в корректировке результата измерения с учетом изменения характеристики преобразования в результате воздействия низкочастотных помех.
Интенсивное развитие интегральной технологии и появление микропроцессоров открывает большие возможности применения методов математической обработки результатов измерений, с целью повьппения точности преобразования, чувствительности и помехоустойчивости [П6-П9]. Кроме этого микропроцессоры открывают большие возможности для функциональных преобразований.
Метод формирования корректирующего воздействия применяют в основном для коррекций смещения нулевого уровня прибора и коэффициента преобразования.
Разработка и исследование цифровых приборов ВИП мгновенного значения
Цифровой вольтметр постоянного тока 4832, разработанный в 1971 году, является одним из первых малогабаритных цифровых приборов с цифровым усреднением, разработанных в СССР [28J. В его основу положен метод времяимпульсного преобразования с генератором линейно-изменяющегося напряжения и двумя сравнивающими устройствами.
Структурная схема цифрового вольтметра приведена на рис.5.1 и состоит из масштабного преобразователя МП, двух сравнивающих устройств УСІ и УС2, генератора линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН, схемы управления ключом УК, двух делителей импульсов ДНІ и ДИ2, генератора опорной частоты ГОЧ, ключа К, счетчика импульсов СИ, дешифратора Д, отчетного устройства ОУ, определителя полярности ОП и устройства управления УУ. В приборе предусмотрены два режима измерения: одиночных измерений и усреднения результатов восьми измерений.
В режиме одиночных измерений на выходе схемы управления ключом УК формируется прямоугольный импульс, длительность которого пропорциональна измеряемому напряжению. Этим импульсом открывается ключ К, и импульсы генератора опорной частоты ГОЧ поступают на счетчик импульсов СИ.
