Содержание к диссертации
Введение
1. Методы анализа и способы уменьшения нелиней ных искажений в широкополосных аналоговых устройствах. состояние вопроса. цель и задачи ис следования 12
1.1. Методы анализа нелинейно-инерционных свойств аналоговых устройств 12
1.2. Анализ нелинейных искажений в широкополосных аналоговых устройствах 17
1.3. Способы уменьшения нелинейных искажений в аналоговых устройствах 21
1.4. Использование цифровых средств для уменьшения нелинейных искажений в аналоговых устройствах 25
1.5. Состояние вопроса. Цель работы и задачи исследования 29
2 . Исследование устройств коррекции нелинейных ис кажений на основе функциональных рядов вольтера 32
2.1. Способы подключения корректирующих устройств.
Задача коррекции 32
2.2. Исследование предвключения корректирующего устройства 35
2.3. Исследование послевключения корректирующего устройства 40
2.4. Исследование включения корректирующего устройства в цепь обратной связи 45
2.5. Исследование параллельного подключения корректирующего устройства 49
2.6. Основные результаты исследований 50
3. Структурный и параметрический синтез программ но-аппаратных корректоров нелинейных искажений в широкополосных аналоговых устройствах 54
3.1. Формирование приведенной передаточной функции процессора 54
3.2. Реализация приведенной передаточной функции процессора в диапазоне частот и при воздействии мешающих факторов 62
3.3. Расчет временных характеристик программно-аппаратного корректора нелинейных искажений 69
3.4. Оценка точности работы программно-аппаратного корректора 75
3.5. Основные результаты исследований 85
4. Программно-аппаратные корректоры неігинейньіх искажений в устройствах приема и обработки аналоговых сигналов 89
4.1. Программно-аппаратная коррекция нелинейных искажений в тран зисторных широкополосных приемно-усилительных трактах 89
4.1.1. Минимизация нелинейных искажений с помощью автоматической регулировки глубины отрицательной обратной связи 89
4.1.2. Коррекция нелинейных искажений в усилительном каскаде с помощью предвключаемого программно-аппаратного корректора 92
4.2. Программно-аппаратная коррекция нелинейных искажений в пер вичных измерительных преобразователях 104
4.2.1 Коррекция искажений в первичных измерительных преобразователях с импульсным откликом 104
4.2.2 Коррекция искажений в первичных измерительных преобразователях с непрерывным откликом 110
4.3. Основные результаты исследований 113
Заключение 115
Список литературы 119
Приложения
- Анализ нелинейных искажений в широкополосных аналоговых устройствах
- Исследование предвключения корректирующего устройства
- Реализация приведенной передаточной функции процессора в диапазоне частот и при воздействии мешающих факторов
- Программно-аппаратная коррекция нелинейных искажений в пер вичных измерительных преобразователях
Введение к работе
Значительная часть радиотехнических устройств предназначена для извлечения, преобразования и передачи информации, содержащейся в аналоговых сигналах в широкой полосе частот. На практике характеристики таких устройств часто отличаются от линейных (идеальных), что приводит к нелинейным искажениям обрабатываемых сигналов и ухудшает их технические показатели. Электромагнитная совместимость радиоэлектронной аппаратуры, повышение точностных характеристик первичных преобразователей информации и измерительной техники, увеличение динамического диапазона приемно-усилительных трактов - эти и другие проблемы ставят перед разработчиками актуальную задачу снижения уровня нелинейных искажений обрабатываемых сигналов в широкой полосе рабочих частот. Об актуальности проблемы свидетельствует большое количество работ, посвященных анализу нелинейно-инерционных свойств широкополосных трактов в области несущественной [1] нелинейности и исследованию эффектов нелинейного взаимодействия сигналов [1-46], поиску эффективных методов уменьшения нелинейных искажений [44-85].
Выделяется две группы методов решения задачи уменьшения нелинейных искажений в аналоговых устройствах: с помощью аналоговых корректирующих устройств [44-58] и с помощью цифровых программируемых устройств (программно-аппаратных корректоров) [44, 59-85]. В последнее время, в связи со значительным прогрессом в развитии микропроцессорной техники и повышенными требованиями к точности обработки сигналов, наблюдается интерес к расширению сферы практического использования второй группы методов коррекции нелинейных искажений, о чем свидетельствует возросшее количество соответствующих публикаций [59-67] и заявок на изобретения [68-85].
В области исследования нелинейных искажений и методов их уменьшения с использованием микропроцессорной техники следует отметить работы научных коллективов под руководством Каганова В.И. [12, 13, 16, 47, 51, 53, 54, 62], Пушкарева В.П. [42-44, 59, 64-67] и другие. Тем не менее, как показывает анализ литературы, применение микропроцессорных средств в качестве корректоров нелинейных искажений аналоговых сигналов носит частный и разобщенный характер и используется, в основном, для работы в узкой полосе частот. Это связано с тем, что в известной литературе отсутствует методика программно-аппаратной коррекции нелинейных искажений сигналов в широкополосных аналоговых устройствах и ряд задач по анализу и синтезу программно-аппаратных корректоров остается нерешенным. В связи с вышеизложенным, актуальным является вопрос разработки методики программно-аппаратной коррекции нелинейных искажений в аналоговых устройствах в широкой полосе частот.
Целью диссертационной работы является разработка методики структурного и параметрического синтеза устройств программно-аппаратной коррекции нелинейных искажений в широкополосных аналоговых устройствах в режиме несущественной нелинейности. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.
Провести структурный анализ систем, образованных соединением нелинейно-инерционного и корректирующего устройств; вывести аналитические выражения для расчета корректирующей функциональной зависимости по известным характеристикам исходного нелинейно-инерционного устройства и требуемым критериям нелинейности.
Определить оптимальные по критерию быстродействия программно-аппаратной реализации способы представления передаточной функции корректора с заданной точностью; представить алгоритмы формирования информационных массивов корректора нелинейных искажений.
Разработать способ обеспечения заданных технических характеристик программно-аппаратных корректоров в широком частотном диапазоне и при воздействии внешних мешающих факторов.
Разработать методику расчета технических характеристик программно-аппаратных корректоров, удовлетворяющих требованиям работы в режиме реального времени с заданными метрологическими свойствами.
Выработать рекомендации по схемотехнической реализации и представить алгоритмы проектирования программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений.
Новыми научными результатами являются следующие основные результаты, полученные в процессе решения перечисленных выше задач.
Выявленные закономерности, связывающие передаточную функцию корректора нелинейных искажений с нелинейными передаточными функциями исходного нелинейно-инерционного устройства при различных способах связи между ними, позволяют сформировать требования к математической модели корректора нелинейных искажений в широкополосных аналоговых устройствах.
Приведенная передаточная функция процессора программно-аппаратного корректора нелинейных искажений однозначно выводится из комплексной передаточной функции исходного нелинейно-инерционного устройства и всегда описывается однозначной дифференцируемой функцией, что позволило сделать вывод о ее безусловной программной реализуемости и предложить единую методику ее расчета не зависящую от структуры корректора.
Математическое описание метода автоматической адаптации программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений к внешним мешающим факторам расширено для произвольного их количества, что позволило разработать алгоритмы обеспечения заданных технических характеристик программно-аппаратных корректоров в широком диапазоне частот и при любом числе входных воздействий.
Разработана методика расчета технических характеристик программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений, позволяющая осуществлять реализацию минимально возможной, для заданного способа подключения, погрешности работы, при одновременном обеспечении режима реального времени.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Разработано математическое обеспечение (алгоритмы и пакет программ), позволяющее проводить автоматизированное проектирование и расчет основных технических характеристик программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений в широкополосных аналоговых устройствах.
Предложены технические решения, позволяющие обеспечивать заданные технические характеристики программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений в широком частотном диапазоне при воздействии мешающих факторов.
Предложены новые практические схемные решения и алгоритмы работы программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений в широкополосных аналоговых усилительных, измерительных и преобразовательных цепях, а также универсального цифрового корректора нелинейных искажений.
Разработаны и внедрены устройства программно-аппаратной коррекции нелинейных искажений, обеспечившие улучшение метрологических характеристик широкополосных усилительных трактов и средств измерительной техники.
Даны рекомендации по схемотехническому проектированию и выбору элементной базы программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений в широкополосных аналоговых устройствах.
Методы исследования
Методологической базой исследования послужили работы Б. М. Богдановича [1, 4, 5, 7, 15, 48, 49], Л. В. Данилова [2, 8, 50], В. И. Каганова [12, 13, 16, 47, 51, 54, 62], В. Б. Смолова [87, 88], Г. Ван-Триса [10], А. Г. Жаркого [17, 40-43, 45], В. П. Пушкарева [42-44, 59, 64-67].
При решении поставленных задач в работе использованы основные положения теории линейных и нелинейных радиотехнических цепей и теории автоматического управления, аппарат функциональных рядов Вольтерра, матричного исчисления, аналитических функций многих переменных, теории аппроксимации функций, методы комбинаторной математики, машинного проектирования. Для подтверждения результатов теоретического анализа использованы методы экспериментального исследования и математического моделирования на ЭВМ.
В первой главе работы проведен аналитический обзор методов анализа нелинейно-инерционных свойств аналоговых устройств, рассмотрены вопросы расчета нелинейных искажений в широкополосных аналоговых устройствах и существующие способы их коррекции с помощью аналоговых и цифровых устройств, формулируется цель, и уточняются задачи исследования.
Во второй главе на основе функциональных рядов Вольтерра проведен структурный анализ систем третьего порядка, образованных соединенными различными способами исходными и корректирующими устройствами; выведены аналитические выражения для передаточных функций корректоров по заданным критериям нелинейности в диапазоне рабочих частот и сформирован ряд требований к корректирующим устройствам.
В третьей главе разработана методика структурного и параметрического синтеза программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений в широкополосных устройствах.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований синтезированных по предложенным методикам устройств программно-аппаратной коррекции нелинейных искажений в широкополосных приемно-усилительных трактах и первичных измерительных преобразователях.
В заключении изложены основные результаты работы.
В приложениях приведены: алгоритм автоматизированного расчета передаточной функции корректора нелинейных искажений для нелинейно-инерционных устройств произвольного порядка; перечень разработанных алгоритмов и соответствующего программного обеспечения, необходимого для проектирования программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений и расчета их технических характеристик; описание универсального программируемого цифрового корректора нелинейных искажений на базе микроконвертера семейства ADp.C812; акты внедрения и практического использования научных результатов.
На защиту выносится следующее. [.Использование функциональных рядов Вольтерра для математического моделирования широкополосных аналоговых устройств в режиме несущественной нелинейности позволяет создать единый алгоритм структурного и параметрического синтеза программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений.
2.В конечном базисе временных и вычислительных ресурсов всегда возможна программная реализация приведенной передаточной характеристики процессора программно-аппаратного корректора нелинейных искажений с относительной погрешностью не хуже 10-15%,
3.Использование предлагаемого расширенного метода автоматической адаптации программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений к внешним мешающим факторам позволяет проектировать программно-аппаратные корректоры нелинейных искажений с заданными техническими характеристиками, работающие при одновременном воздействии произвольного числа мешающих факторов.
4.Разрядность процессора программно-аппаратного корректора нелинейных искажений однозначно определяет диапазон рабочих частот корректора и практически не влияет на точность коррекции.
5.Оптимальным методом реализации алгоритма работы процессора программно-аппаратного корректора нелинейных искажений является статическое планирование, обеспечивающее наибольшие быстродействие и эффективность коррекции по сравнению с прочими методами. б.Новые схемные и программные решения микропроцессорных корректоров нелинейных искажений в усилителе с автоматической регулировкой линейной отрицательной обратной связи и в первичных преобразователях информации с импульсным и непрерывным откликами.
Реализация и внедрение результатов работы. Работа выполнена на кафедре радиоэлектроники и защиты информации Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Достижения практического характера, в которых используются полученные автором результаты, внедрены в разработки организаций ООО «Вектор» (г. Томск), НЛП АСКБ «Алатау» (г. Алматы). Результат исследований используются в лекционном и практическом курсе дисциплины «Автоматизированные системы контроля и управления радиоэлектронными средствами». Подтверждающие документы приведены в Приложении 4.
Анализ нелинейных искажений в широкополосных аналоговых устройствах
На исследуемый с помощью функциональных рядов Вольтерра класс устройств накладывается следующий ряд ограничений [1, 2, 5, 8,41]: - реакция устройства на внешнее воздействие определяется однозначно; - устройство является стационарным;- устройство физически реализуемо, то есть является причинным;- устройство является устойчивым (если входное воздействие xfy при t - СОстремится к постоянному значению, то и реакция устройства y[t) такжестремится к постоянному значению);- устройство является (или может быть промоделировано) электрической цепью с сосредоточенными параметрами;- характеристики нелинейных объектов, отвечающих за нелинейные свойства устройства в целом, представляются в виде степенных полиномов;- входное воздействие и/или отклик устройства имеют электрическую природу;- нелинейность исследуемого устройства является несущественной [1];- устройство обладает ограниченной «памятью» (инерционностью) Т, то есть его отклик определяется входным воздействием х(т) на конечном временном интервале т Т;- доступ к внутренним точкам устройства отсутствует и поэтому изменить его свойства и структуру, в общем случае, невозможно.
Аналоговые устройства, отвечающие перечисленным выше требованиям, при нулевых начальных условиях математически моделируются функциональным рядом Вольтерра следующего вида.где \(T!,...,TS) - ядро Вольтерра порядка к.
Нелинейно-инерционное устройство (НИУ), описываемое выражением (1.1), может быть представлено в виде следующей структурной схемы (Рис. 1.1). 4. Комплексный коэффициент сжатия, отражающий зависимость амплитуды и фазы полезного сигнала на выходе от его амплитуды UmC на входемодуль которого представляет собой коэффициент сжатия Ксж, а аргумент -собственную амплитудно-фазовую конверсию Л(рс 8) 5. Комплексный коэффициент блокирования, отражающий зависимость амплитуды и фазы полезного (слабого) сигнала от амплитуды помехи ЕтП на входе (1.9)
Модуль выражения (1.9) называется коэффициентом блокирования 6„ а аргумент перекрестной амплитудно-фазовой конверсией А(рп- (1.11) б. Коэффициенты интермодуляции второго Кп и третьего K2i порядков, соответственно.
UmrUm2 \Н2[М+]т2}\где UrtlC, сос - амплитуда и частота колебаний полезного сигнала в отсутствиеинтермодуляции. При расчете нелинейных критериев предполагается симметричность НПФ относительно своих аргументов [1,7, 10, 28, 44,45]где знак « » обозначает комплексно-сопряженную функцию. Если НПФ несимметричны, то проводится операция симметризации:Таким образом, особенности метода ФРВ (однозначная связь отклика с воздействием, одновременный учет нелинейных и инерционных свойств и представление различных критериев нелинейности через ядра функционального ряда) позволяют, помимо проведения расчета нелинейных искажений, разработать алгоритмы синтеза устройств коррекции по заданным критериям нелинейности.
Существующие способы уменьшения нелинейных искажений в аналоговых устройствах по принципу действия делятся на две группы - схемотехнические и режимные [1, 2, 4-6, 8, 10, 13, 33-35, 38, 44-58, 62]. При этом принятые в разделе 1.2 ограничения на класс исследуемых устройств позволяют исключить из рассмотрения способы уменьшения нелинейных искажений, действие которых основано на изменении свойств элемента (или группы элементов), ответственного за нелинейные свойства рассматриваемого устройства в целом.
К группе схемотехнических способов относятся следующие. 1 .Выбор соответствующих величин импедансов источников сигнала и цепей нагрузки. 2.Использование схем, адаптирующихся к уровню входного сигнала.3.Использование линейной отрицательной обратной связи (ЛООС).4.Выбор типа активного элемента и способа его включения.5.Уменьшение амплитуды сигнала на входе устройства.6.Компенсация НИ нелинейными амплитудными и фазовыми корректорами.7.Использование схем типа «связь вперед». Первый способ основан на выборе величин импедансов нагрузки и (или) источника входных сигналов, обеспечивающих минимальный уровень нелинейных искажений полезного сигнала. Однако, оптимальная с точки зрения НИ, величина импеданса может не отвечать требованиям согласования и быть труднореализуемой практически. Кроме того, этот способ эффективен только в узкой полосе частот [44].
Второй способ основан на адаптации - изменении параметров устройства с целью достижения требуемого эффекта (уменьшения НИ) в результате приспособления к уровню входного сигнала (например, приемно-усипительные тракты с мгновенной АРУ). Недостатками данного способа являются возможность его применения в основном только для электрических цепей, сложность практической реализации и эффективность исключительно в узкополосных устройствах/ так как минимизация критериев НИ достигается только на фиксированных частотах [6, 12, 33, 58].
Третий способ неприменим практически для устройств входное воздействие (или отклик) которых имеет неэлектрическую природу, поэтому он используется для уменьшения уровня НИ в электрических цепях [1, 2, 5, 6, 56], где нашел широкое применение в связи с простотой физической реализации. Недостатком рассматриваемого способа является то, что значительное подавление нелинейных искажений требует применения ЛООС с большой глубиной, вследствие чего снижаются энергетические показатели устройств и возникает проблема обеспечения устойчивости в СВЧ и УВЧ диапазонах [5, 6, 48].
Исследование предвключения корректирующего устройства
Определения комплексной нелинейной передаточной функции корректора необходимо решить систему уравнений (2.1) относительно НПФ корректора kk(jai,...,jo)lc), полагая НПФ исходной системы Wk{jcQ ,..,jo)k)известными. Подстановка (2.10) - (2.12) в (2.1) дает в результате следующую систему уравнений.
Из первого уравнения системы (2.13) очевидно, что корректор не должен оказывать влияния на линейную (полезную) составляющую проходящего сигнала и комплексная НПФ первого порядка корректора должна определяться выражением
Так как исходное нелинейное устройство является широкополосным, то (2.14) справедливо для любой частоты рабочего диапазона и преобразуется к виду
Таким образом, решаемая система уравнений сводится к виду
Вид передаточной функции корректора зависит от способа его связи с нелинейно-инерционным устройством. В литературе [3, 44] используется понятие «жесткой» и «гибкой» связи: под «жесткой» связью понимается наличие постоянной составляющей в сигнале (управление объектом регулирования по постоянному току); под «гибкой» - отсутствие в спектре сигнала постоянно составляющей (управление по переменному току). С учетом (2.18) решение первого уравнения системы (2.16) при «жесткой» связи корректирующего и исходного устройств примет вид Поскольку в большинстве случаев более существенным является уменьшение нелинейных искажений на частоте полезного сигнала, то для разрешения системы (2.16) можно принять К2 [/ ,,/(] = 0 для любых а \, (. В таком случае решение уравнений системы (2.16) определяется выражениями
Анализ полученных выражений позволяет сделать следующие выводы относительно требований, которым должен удовлетворять предвключаемый корректор нелинейных искажений в широкополосных аналоговых устройствах.1. Корректор должен являться нелинейно-инерционным устройством и описываться функциональным рядом Вольтерра.2. Комплексная передаточная функция первого порядка корректора должнаібыть единичной функцией во всем диапазоне рабочих частот. В противном случае ее необходимо учитывать при расчете НПФ корректора высших порядков.3. Уровень нелинейных продуктов с частотой полезного сигнала на выходе системы, образованной последовательным соединением корректора и исходного устройства, зависит как от четных, так и от нечетных НПФ корректора.4. Нелинейная передаточная функция третьего порядка корректора зависит от выбранного типа связи («мягкая» или «жесткая») между корректором и исходным устройством. В случае «жесткой» связи между устройствами величина НПФ третьего порядка корректора зависит от коэффициента передачи корректора на нулевой частоте и от НПФ второго порядка корректора. По этой причине при практической реализации корректора лучше использовать «мягкую» связь между корректором и исходным устройством, так как в этом случае эффективность коррекции менее зависима от изменений соотношений между НПФ корреісгора. Если же четные НПФ корректора равны нулю, то его нечетные НПФ не зависят от выбранного типа связи между корректором и исходным устройством.5. Каскадное предвключение корректора не обеспечивает в общем случае одновременной минимизации нелинейных искажений, зависящих от амплитуды полезного сигнала (величины коэффициента сжатия и уровня собственной АФК), и искажений, зависящих от амплитуды мешающего воздействия (коэффициента блокирования и перекрестной АФК), что следует из неравенств правых частей выражений (2.21) и (2.23), (2.22) и (2,24), (2.25) и (2.26).6. Для коррекции нелинейных искажений на частоте полезного сигнала с помощью предвключаемого корректора достаточно, чтобы его передаточная функция содержала только нечетные НПФ.
Реализация приведенной передаточной функции процессора в диапазоне частот и при воздействии мешающих факторов
Реализация и функционирование программно-аппаратного корректора нелинейных искажений требует определенного объема информации, которая условно делится на априорную и рабочую. Последняя, в свою очередь, разделяется на основную и дополнительную. Априорная информация, представляющая собой исходные характеристики нелинейно-инерционного устройства и желаемые характеристики системы в целом, используется для выбора структурной и принципиальной схем корректора и для расчета приведенной передаточной функции процессора. Программная реализация процессором полученной приведенной передаточной функции обеспечивает коррекцию нелинейных искажений полезного сигнала. При этом уровень входного воздействия (Unp на Рис. 3.6) является основной рабочей информацией для программно-аппаратного корректора. Для сохранения эффективности коррекции нелинейных искажении при изменении частоты сигнала в широкой полосе и/или при влиянии дополнительных мешающих воздействий необходимо, чтобы программно-аппаратный корректор обеспечивал обработку и учет дополнительной рабочей информации (частоты входного сигнала и/или уровня мешающего воздействия [102]). Структурная схема корректора нелинейных искажений в таком случае представляется в виде (Рис. 3.8), где Yd!...Ydn -сигналы, несущие дополнительную рабочую информацию.
Рис. 3.8. Обобщенная структурная схема программно-аппаратного корректора Как правило, физические свойства и параметры сигналов YdI...Ydn не позволяют вводить их в цифровую систему непосредственно, поэтому применяются первичные измерительные преобразователи (ИПь ШІ2 ... ИДО преобразующие входное воздействие в параметр электрического сигнала. В большинстве случаев входное воздействие на первичный измерительный преобразователь конвертируется в напряжение аналогового сигнала или в частоту следования электрических импульсов [90, 103-106].
В том случае, когда откликом первичного измерительного преобразователя является напряжение сигнала, для его преобразования в цифровую форму используется аналого-цифровой преобразователь (Рис. 3.9). Характеристика преобразования АЦП обычно линейная [60, 93] и, поскольку на этом этапе синтеза не учитываются погрешности дискретизации и квантования, она не влияет на передаточную функцию процессора.
Большое количество первичных измерительных преобразователей обеспечивают преобразование входного воздействия в частоту следования электрических импульсов [99, 103-106]. Существует два основных способа автоматического измерения частоты сигнала:1) с помощью преобразователей частоты в напряжение; 2) методом дискретного счета. При этом первый способ характеризуется большим быстродействием, а второй -простотой реализации.
Способ измерения частоты сигнала с помощью преобразователей частоты в напряжение основан на определении продессором уровня напряжения преобразованного в цифровой код с помощью АЦП и пропорционального частоте воздействия (Рис. 3.10).две возможных реализации метода дискретного счета [103]:1) подсчет числа периодов эталонной частоты за один или несколько периодов измеряемого сигнала (Рис. 3.11, а);подсчет числа периодов измеряемого сигнала за фиксированный интервал времени (Рис. 3. J1, б).Рис. 3.11. Временные диаграммы измерения частоты Реализация данных способов возможна с использованием встроенных средств архитектуры процессора и соответствующих подпрограмм [99, 104, 105].
Программно-аппаратная коррекция нелинейных искажений в пер вичных измерительных преобразователях
В современных автоматизированных системах контроля и управления техническими процессами, а также и в измерительной технике имеется широкая область использования программно-аппаратных корректоров нелинейных искажений для коррекции (линеаризации) нелинейных характеристик первичных измерительных преобразователей (датчиков), что повышает метрологические характеристики посдедних и расширяет динамический диапазон входных воздействий [90, 100-102, 104, 105]. При этом входные воздействия часто имеют неэлектрическую природу, поэтому единственно возможным способом подключения программно-аппаратного корректора является послевключение (Рис. 2.1, б). Следует также отметить, что большая часть первичных измерительных преобразователей имеет импульсный отклик [90, 104, 105] и информация о величине входного воздействия содержится в частоте (периоде) следования последовательности электрических импульсов.
Для исследования возможности коррекции в реальном масштабе времени нелинейных свойств первичных измерительных преобразователей физических величин, информация об измеренном значении у которых содержится в частоте следования выходных электрических импульсов, и апробации методик проектирования программно-аппаратных корректоров, в данной работе использован датчик расхода газа [99, 117] с откликом в виде последовательности прямоугольных импульсов уровня транзисторно-транзисторной логики (TTL). При исследовании применены выражения, полученные во второй и третьей главах дайной работы, а также математическое обеспечение для ЭВМ, описанное в Приложении 2.
Структурная схема стандартного подключения датчика расхода показана на рисунке 4.23. Принцип работы схемы заключается в следующем. Проходящий через трубопровод (1) поток газа (2) воздействует на чувствительный элемент установленного датчика (3), вызывая тем самым пропорциональное изменение частоты следования электрических импульсов на выходе датчика в зависимости от величины расхода газа Q. Частота следования электрических импульсов уменьшается с помощью делителя частоты (4) и информация отображается на индикаторе расхода (5). Включение исследуемого датчика по схеме (Рис. 4.23) обеспечивает минимальную погрешность измерения расхода, обусловленную нелинейностью преобразовательной характеристики (Рис. 4.24), при коэффициенте деления делителя частоты равном Кде=252. При этом динамический диапазон измеряемых величин не превышает 18,67 (25,4 дБ) при максимальной относительной погрешности измерения а = ±10%. График зависимости относительной погрешности измерения расхода от частоты следования импульсов на выходе датчика приведен на рисунке 4.25.Рис. 4.27. Функциональная схема микроконтроллерного корректора
Программно-аппаратный корректор (Рис. 4.27) работает следующим образом [113]. Входной сигнал в виде последовательности импульсов, частота следования которых пропорциональна измеряемой величине (расходу газа, в данном случае), подается на линию порта микроконтроллера, являющуюся линией запроса на внешнее аппаратное прерывание. Управляющая программа микроконтроллера производит измерение периода следования Т входных импульсов, после чего производит программную коррекцию преобразовательной характеристики датчика расхода. Для этого на основе данных, предварительно занесенных в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в виде рассчитанных коэффициентов кусочно-линейной аппроксимации {щ и Ьг) корректирующей функциональной зависимости производится вычисление требуемого управляющего воздействия 7, которое изменяет коэффициент деления программно реализованного регулируемого делителя частоты следования импульсов таким образом, чтобы обеспечить постоянство соотношения между фактическим значением физической величины на входе первичного измерительного преобразователя и периодом следования импульсов на выходе делителя. Сигналы с выхода регулируемого делителя частоты поступают на вход двоичного счетчика, размерность которого соответствует значению младшего разряда внешнего индикатора. При переполнении счетчика выдается импульс на формирователь выходного сигнала, генерирующего на линии порта микроконтроллера импульс заданной длительности. Работа корректора синхронизируется системным таймером микроконтроллера.
Нелинейная функциональная зависимость коэффициента деления регулируемого делителя частоты следования импульсов, которую реализует микроконтроллер, показана на рисунке 4.28. При этом зависимость (Рис. 4.28) предварительно пронормирована относительно уровня 255, чтобы реализовать программный делитель частоты на основе встроенного таймера/счетчика микроконтроллера разрядностью 8 бит.
Рис. 4.28. Корректирующая функциональная зависимость (зависимость коэффициента деления от частоты следования импульсов)
Ограниченная разрядность таймера/счетчика микроконтроллера приводит ктому, что коэффициент деления изменяется дискретно. Это иллюстрируетсяувеличенным изображением (Рис. 4.29) участка 1 корректирующей зависимости(Рис. 4.28). Зависимость от частоты относительной погрешности установкикоэффициента деления (при округлении результата программного вычислениякоэффициента деления) показана на рисунке 4.30.
