Високоточна швидкодіюча ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів на базі АЦП із ваговою надлишковістю

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.11.16 - Інформаційно-вимірювальні системи

ВИСОКОТОЧНА ШВИДКОДІЮЧА ІВС ОПРАЦЮВАННЯ СТРИБКОПОДІБНИХ СИГНАЛІВ НА БАЗІ АЦП ІЗ ВАГОВОЮ НАДЛИШКОВІСТЮ

СНІГУР АНАТОЛІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

Вінниця - 2007

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На точність та швидкодію інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) опрацювання стрибкоподібних сигналів значний вплив здійснює розробка та подальший розвиток методів коригування статичних та компенсації динамічних похибок їх вимірювальних каналів (ВК). За допомогою ІВС опрацювання зазначених сигналів здійснюється пошук корисних копалин у сейсморозвідці, оцінювання акустичної якості приміщення, аналіз параметрів звукових трактів та визначення стану здоров'я людини (за рівнями таких сигналів, отриманих з точок акупунктури).

На теперішній час методи підвищення точності та швидкодії існуючих систем для опрацювання стрибкоподібних сигналів є складними і пов'язані із введенням до структури ІВС додаткової прецизійної апаратури. При цьому у ВК таких систем як правило використовуються двійкові перетворювачі інформації (ПІ), в яких виникають динамічні похибки першого та другого роду при кодуванні сигналів. Щодо інших елементів каналу, окрім ПІ, то можна зазначити, що додатково мають місце похибки комутатора (К) каналів ІВС. Така ситуація може призводити до істотних похибок вимірювань.

Враховуючи наведене вище, а також те, що метрологічні характристики систем залежать від точносних параметрів їх “ядра” - аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), до таких перетворювачів висуваються досить високі вимоги. Водночас в АЦП порозрядного врівноваження із ваговою надлишковістю, зокрема, у формі надлишкових позиційних систем числення (НПСЧ), є можливість коригувати статичні і компенсувати динамічні похибки першого і другого роду. Ця обставина дозволяє також коригувати статичні і компенсувати динамічні похибки ВК ІВС за умови, що до структури системи введено вказаний ПІ. Слід зазначити, що у теперішній час такий підхід є недостатньо відпрацьованим і тому напрям, пов'язаний із використанням при розробці високоточної швидкодіючої ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати наукових розробок та експериментальних досліджень, які здійснювались протягом 2002-2007 років згідно з науковим напрямком кафедри обчислювальної техніки Вінницького національного технічного університету, а також виконання науково-дослідних програм,,Дослідження принципів використання інформаційної надлишковості для підвищення точності та швидкодії аналого-цифрового перетворення” №58-Д-201 (номер держ. реєстрації 0199U003435) та,,Розробка теорії високоефективних вимірювальних та обчислювальних засобів на базі надлишкових позиційних систем числення” №58-Д-247 (номер держ. реєстрації 0102U002265).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення точності і швидкодії вимірювального каналу ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів за рахунок коригування статичних і компенсації динамічних похибок першого та другого роду, що досягається введенням до його структури АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується.

Для досягнення вказаної мети необхідно здійснити розв'язання таких задач:

аналіз існуючих підходів щодо побудови ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів у сейсморозвідці, при акустичних вимірюваннях та в напрямку спостереження за точками акупунктури людини;

вдосконалення методу підвищення швидкодії вимірювального каналу ІВС, побудованого на аналогових вузлах середньої швидкодії, для опрацювання стрибкоподібних сигналів шляхом компенсації динамічних похибок другого та першого роду;

розробка методу підвищення точності комутатора вимірювального каналу ІВС шляхом коригування його статичних похибок; вдосконалення методу підвищення точності каналу ІВС, побудованого на низькоточній елементній базі, шляхом коригування його статичних похибок;

вдосконалення математичних моделей динамічних похибок другого роду, що виникають у вимірювальному каналі під час опрацювання стрибкоподібних сигналів;

розробка рекомендацій щодо структурно-алгоритмічної організації вимірювальних каналів ІВС на базі АЦП із ваговою надлишковістю з урахуванням моделей стрибкоподібних сигналів та параметрів перетворювача;

розробка рекомендацій щодо вибору аналогових вузлів вимірювального каналу, зокрема підсилювачів струму, у тому числі із гальванічною розв'язкою;

розробка ІВС, вимірювальні канали якої самокалібруються, для сейсморозвідки та акустичних вимірювань, а також блоку попереднього аналізу і вибору точок акупунктури.

Об'єкт дослідження - процес впливу статичних і динамічних похибок вимірювального каналу ІВС, а також чинників навколишнього середовища на підсумкову похибку вимірювання інформативних параметрів стрибкоподібних сигналів, за умови, що до складу системи введено АЦП із ваговою надлишковістю, який самокалібрується, і дозволяє періодично відновлювати метрологічні характристики.

Предмет дослідження - високоточна швидкодіюча ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів на основі порозрядного АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується.

Методи дослідження - базуються на використанні: теорії інформації, аналого-цифрового перетворення, зокрема, на основі надлишкових позиційних систем числення для аналізу шляхів підвищення точності та швидкодії порозрядних АЦП; теорії похибок при аналізі статичних похибок для визначення можливостей підвищення достовірності опрацювання стрибкоподібних сигналів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше запропоновано метод коригування похибок комутатора вимірювального каналу ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів, що дозволяє зменшити загальну інструментальну похибку каналу та підвищити точність вимірювань.

2. Вдосконалено метод підвищення точності ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів, який відрізняється від існуючих тим, що базується на введенні до структури вимірювального каналу системи як “ядра” - порозрядного АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується, та включенням його у контур коригування похибок каналу.

3. Вдосконалено метод підвищення швидкодії ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів, який відрізняється від існуючих тим, що базується на компенсації динамічних похибок першого та другого роду у вимірювальному каналі шляхом уведення до його структури порозрядного АЦП із ваговою надлишковістю.

4. Дістали подальшого розвитку математичні моделі динамічних похибок другого роду, що виникають у вимірювальному каналі під час змінення вхідних сигналів, і які можна значно зменшити (на 1-2 порядки) за рахунок їх компенсації у порозрядному АЦП, що входить до складу ІВС.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що отримані нові наукові результати і теоретичні положення дозволили:

розробити рекомендації щодо структурно-алгоритмічної організації високоточних швидкодіючих вимірювальних каналів ІВС на базі АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується. Такий підхід дозволяє будувати не тільки АЦП, а і вимірювальний канал на низькоточній елементній базі і аналогових вузлах середньої швидкодії, що спрощує технологію і вартість їх виготовлення. Періодичне використання процедури самокалібрування до того ж дозволяє мінімізувати статичні похибки вимірювань, у тому числі похибки неідентичності каналів, не зважаючи на змінення умов навколишнього середовища, зокрема температури, вологості тощо;

за рахунок можливості компенсації динамічних похибок другого роду уникнути процедури фіксації рівня вхідного стрибкоподібного сигналу і таким чином спростити вимірювальний канал системи шляхом вилучення з його структури пристрою вибірки і зберігання, а у випадках використання даного пристрою, почати кодування сигналів ще до закінчення у ньому перехідного процесу;

розробити рекомендації для вибору аналогових вузлів вимірювального каналу, а саме підсилювачів струму, у тому числі із гальванічною розв'язкою, що зменшить можливість протікання у вхідні ланцюги електричного струму;

розробити ІВС, що самокалібруються, для сейсморозвідки з вибором параметрів аналого-цифрового перетворення з урахуванням швидкості змінення сигналів, акустичних вимірювань, блок попереднього аналізу і вибору точок акупунктури;

розробити програмне забезпечення для моделювання процесів компенсації динамічних похибок другого роду та оцінювання параметрів стрибкоподібних сигналів.

Основні положення, рекомендації та висновки впроваджено: в Національній радіокомпанії (Україна), на підприємстві “Cі Технолоджі Інструментс” (Росія), другій Вінницькій міській поліклініці, Центрі нетрадиційної медицини у м. Вінниці, у навчальний процес кафедри обчислювальної техніки у Вінницькому національному технічному університеті.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві і наведених у списку опублікованих праць за темою дисертації, здобувачу належать такі ідеї і розробки: [1] - запропоновано підхід підвищення швидкодії ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів, подальшого розвитку дістали математичні моделі динамічних похибок другого роду, розроблено моделюючу програму процесу компенсації даних похибок; [2] - запропоновано підхід підвищення точності комутатора та ІВС, розроблено системи для сейсморозвідки, акустичних вимірювань; [3,4] - розроблено математичні моделі стрибкоподібних сигналів; [5,6] - розроблено ІВС для опрацювання сигналів з точок акупунктури людини; [7] - розроблено рекомендації щодо структурної організації каналів ІВС; [8] - запропоновано спростити вимірювальний канал системи; [9] - розроблено програмне забезпечення для здійснення оцінювання параметрів стрибкоподібних сигналів, блок попереднього аналізу і вибору точок акупунктури; [10,11] - розроблено рекомендації для вибору аналогових вузлів вимірювального каналу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на 8 науково-технічних конференціях, а саме на: ІХ Міжнародній науково-технічній конференції,,Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький, 2002 р.); ІІІ Міжнародній конференції,,ФОТОНІКА - OДС-2005” (м. Вінниця, 2005 р.); науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки-2006” (м. Київ, 2006 р.); ІV Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених,,Шевченківська весна-2006” (м. Київ, 2006 р.); ІV Міжнародній науковій конференції студентів та молодих вчених “Політ-2006” (м. Київ, 2006 р.); V Всеукраїнській конференції молодих науковців ІТОНТ-2006 (м. Черкаси, 2006 р.); І науково-технічній конференції “ІММ-2006” (м. Суми, 2006 р.); І міжнародної науково-практичній конференції “Методи та засоби кодування, захисту й ущільнення інформації” (м. Вінниця, 2007 р.)

Публікації. За підсумками наукових досліджень опубліковано 18 праць, з яких 9 статей у науково-технічних журналах, що входять до переліку періодичних фахових видань, затверджених ВАК України, 1 патент на корисну модель, 8 статей у збірниках матеріалів і тезах доповідей науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та вісьми додатків. Повний обсяг дисертації складає 258 сторінок, основний зміст викладено на 147 сторінках друкованого тексту, містить 73 рисунки та 7 таблиць. Список використаних джерел складається з 179 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунто7вано актуальність теми дисертації, зазначено зв'язок з науковими програмами, планами та темами, сформульовано мету та задачі дослідження. Також охарактеризовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, наведено інформацію про впровадження результатів роботи, їх апробацію та публікації.

У першому розділі наведено класифікацію стрибкоподібних сигналів, проаналізовано сучасний стан, а також розглянуто класифікацію та структури ІВС для опрацювання зазначених сигналів. Тут Д - давач, П - підсилювач, ПВЗ - пристрій вибірки і зберігання, ЦК - цифровий комутатор, ЦОП - цифровий обчислювальний пристрій, БК - блок керування, у1, у2 - сигнали керування, ПК - персональний комп'ютер, цифрами І … k - позначені номера каналів.

Показано, що методи підвищення точності та швидкодії існуючих систем для опрацювання стрибкоподібних сигналів або занадто складні, пов'язані із введенням до структури ІВС додаткової апаратури, або базуються на використанні більш досконалої елементної бази. Так, наприклад, для підвищення швидкодії системи, до складу ВК можуть вводитися: блок контролю напруги, пристрій визначення полярності контрольної напруги, аналоговий суматор, блок керування та певна кількість схем порівняння.

Також показано, що у математичних моделях, які використовуються для подальшого оцінюваня параметрів стрибкоподібних сигналів, в деяких випадках не враховується ряд їх реальних особливостей, наприклад, наявність у них “піків”.

Проведено аналіз роботи систем, зокрема, за польових умов. В результаті аналізу показано, що при функціонуванні ІВС у польових умовах спостерігається вплив на апаратуру факторів зовнішнього середовища, а саме температури, вологості тощо. Додатково як фактор впливу може виступати природній процес старіння елементів. При цьому недостатньо уваги приділяється питанню стабільності метрологічних характеристик ІВС, це може призвести до похибок у вимірюванні.

Розглянуто можливість підвищення точності та швидкодії систем шляхом побудови їх,,ядра” - ПІ на основі надлишкових позиційних систем числення (НПСЧ), включення його у контур коригування похибок, а також компенсації динамічних похибок першого та другого роду. Розглянуто існуючі моделі динамічних похибок другого роду. Також розглянуто можливості періодичного відновлення метрологічних характеристик ІВС, окрему увагу приділено методу із використанням вагової надлишковості. При цьому виявлено перспективність такого підходу. На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано основні задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі проаналізовано моделі стрибкоподібних сигналів, їх спектри та базуючись на цьому, сформовано вимоги до структурної організації ВК ІВС. Показано також доцільність використання вагової надлишковості в АЦП у складі каналу.

Проаналізовано механізми виникнення динамічних похибок першого та другого роду у ВК ІВС. Показано, що при врівноваженні вхідного сигналу компенсуючим в АЦП на основі вагової надлишковості у структурі каналу існує можливість компенсації динамічних похибок першого роду.

Показано, що значення динамічної похибки другого роду у ВК ІВС залежить від швидкості змінення вхідного сигналу та похибок інших елементів каналу, зокрема комутатора (К), а саме похибок прямого проходження сигналу через закриті ключі К. Також показано можливість компенсації динамічних похибок другого роду в АЦП на основі НПСЧ у структурі каналу. Для цього, виходячи з існуючих та запропонованих математичних моделей стрибкоподібних сигналів, виділено окремі їх фрагменти: лінійного змінення сигналу; експоненційного , де - амплітуда стрибка вхідного сигналу перед початком врівноваження; - постійна часу встановлення ; коливального характеру. При цьому загальне змінення вхідного сигналу описується у вигляді , де , t - час врівноваження; - змінення протягом одного такту; - значення наприкінці паузи, тобто перед початком врівноваження. Виходячи з описаних вище фрагментів, побудовано моделі, що описують появу похибок, пов'язаних із змінення вхідного сигналу, наприклад, для лінійного змінення вхідного сигналу при використанні НПСЧ (1,0) з основою = 1,7 для похибки врівноваження маємо

,

де n - кількість розрядів; - розряди ПІ; - приріст протягом першого такту; - похибка недовстановлення другого розряду.

Запропоновано здійснювати швидкісне врівноваження вхідних сигналів точок акупунктури у режимі реєстрування, коли потрібно визначати відхилення рівня вимірювального сигналу Hh від верхньої границі допустимого діапазону його значень . В даному випадку не здійснюється повний цикл врівноваження А_вх, а достатньо виконати “грубе” (швидкісне, прискорене) перетворення за допомогою старших розрядів АЦП. Суть його полягає у закінченні кодування А_вх, коли залишається включеним перший старший розряд (згідно класичного алгоритму порозрядного врівноваження), або група з p розрядів, ваги яких задовольняють нерівності

.

Це дає можливість підвищити швидкодію вимірювань за рахунок переривання основного перетворення і при цьому не отримувати точне значення рівня сигналу, а виявити тільки факт наявості Hh за верхньою межею . Це у свою чергу дозволяє зменшити кількість записаної інформації у пам'яті ІВС для недопущення її переповнення.

Запропоновано адаптивний алгоритм кодування “піків” у сигналах точок акупунктури, за наявністю яких визначається емоційний стан людини. Даний алгоритм передбачає початок процедури кодуваня піка, коли швидкість змінення вхідного сигналу лежить у межах

,

де та - відповідно обчислені за допомогою методів математичної статистики мінімальне та максимальне значення швидкості вхідного сигналу на початку кодування “піка”, - поточна швидкість. Закінчення процедури кодування “піка” здійснюється тоді, коли значення виходить (за модулем) за допустимі межі згідно наведеної нерівності; при цьому вважаєеться, що швидкості змінення сигналу на початку кодування “піка” та на прикінці співпадають.

Показано, що ефективність ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів залежить від основи надлишкової системи числення, яка використовується в АЦП у її складі. Критерій ефективності має вигляд

,

де - час перетворення АЦП на основі НПСЧ; - час перетворення еквівалентного двійкового ПІ.

При цьому максимальне значення із мінімальними додатковими витратами обладнання (подовженням розрядної сітки пертворювача) досягається для основи системи числення, що лежить в межах від 1,6 до 1,7.

У третьому розділі проаналізовано кориговані та некориговані похибки ВК ІВС та методи відновлення її метрологічних характеристик. Показано, що у каналі можливо коригувати: похибки нуля, масштабу, лінійності ПІ, прямого проходження сигналів через закриті ключі К. Тут Ді - давач; Пі - підсилювач;

АЦП із с/к - АЦП із самокалібруванням; ЦАП - калібрувальний; Кл - ключ; ПВЗ - пристрій вибірки і зберігання; БК - блок керування, Т - блок вимірювання температури (додатково вводиться до складу системи, він подає сигнал на здійснення самокалібрування при зміненні температури навколишнього середовища); R_ді - опір давача; R_мі - масштабний резистор; R_цап - опір ЦАП; СЦОП - спеціалізований цифровий обчислювальний пристрій; N_вих - вихідний код; у1, у2 - сигнали керування.

Відновлення метрологічних характеристик “ядра” ІВС - АЦП на основі НПСЧ та лінеаризація його передатної характеристики за польових умов шляхом самокалібрування здійснюється у такій послідовності:

1. Визначаються реальні ваги старших “неточних” розрядів перетворювача, напруга зміщення нуля . Самокалібрування ваги k - го розряду полягає у двократному врівноваженні додаткового сигналу: перший раз з використанням , а другий - без використання. Реальне значення обчислюється як

,

де , - відповідно двійкові біти кодів результатів першого та другого врівноваження; d - кількість умовно визначених “додаткових” розрядів.

2. Визначається напруга зміщення нуля . Для цього на вхід АЦП подається сигнал =0 і здійснюється його врівноваження

,

де - розрядні коефіцієнти коду; n - кількість розрядів перетворювача. Кінцевий результат перетворення (після самокалібрування) вхідного сигналу - напруги отримується як

. (3)

Після самокалібрування АЦП здійснюється коригування похибок нуля та масштабу каналу ІВС, а також похибок К. Щодо похибки нуля, то її коригування здійснюється шляхом підключення нульового потенціалу U_вх=0 до кожного з i-о входу системи. При цьому АЦП кодує напругу, на його виході формується відповідна кодова комбінація . На основі обчислюється напруга зміщення за формулою

,

яка враховується при врівноваження вхідного сигналу.

Коригування похибок масштабу каналів здійснюється шляхом подачі коду на вхід калібрувального цифроаналогового перетворювача (ЦАП) у структурі системи. При цьому для кожного i-о каналу ЦАП формує вхідну напругу, яка врівноважується у АЦП. Масштабний множник розраховується як

,

де - коди напруги ЦАП для кожного з каналів, отримані при кодуванні у АЦП; - коди напруги нуля кожного з каналів. Значення використовується при основному перетворенні.

Запропоновано метод коригування похибок (де i - номер каналу) від наскрізного проходження сигналів через закриті ключі комутатора. Метод передбачає подачу одразу на всі входи К однакової напруги (з урахуванням мінімальної та максимальної напруг діапазону), наприклад, від додаткового ЦАП. При цьому спочатку розімкненим є перший ключ К (інші замкнені), потім - розімкненим є другий ключ і т. д. до n-го входу. На основі виразу, що описує вихідну напругу комутатора , отримується система

де і - номер входу, з n рівнянь та n невідомих , розв'язуючи яку, отримується реальні значення вхідного сигналу без похибок

(4)

Запропоновано метод підвищення точності ВК системи, що узагальнює виконані окремі процедури корекції та враховує температурне змінення параметрів аналогових елементів каналу. Метод передбачає виконання процедури коригування похибок елементів ВК шляхом їх послідовного включення у коло калібрування АЦП за сигналом блока вимірювання температури, що вводиться до складу ІВС, у такій послідовності:

1. Здійснюється самокалібрування для АЦП. Після даної процедури АЦП на основі НПСЧ врівноважує вхідний сигнал (напругу) згідно (3) у вигляді

, (5)

де - розрядні коефіцієнти коду (0 або 1); - реальна вага розряду у [В]; - напруга зміщення нуля, дана напруга є фактично вихідною напругою комутатора К .

2. У коло коригування підключається К. При цьому у СЦОП, що входить до структури каналу можливо обчислити кінцевий результат вимірювання для кожного з входів комутатора, з урахуванням (4) та (5) у вигляді (6).

(6)

3. Здійснюється калібрування підсилювача. При цьому, якщо вираз для вихідних напруг підсилювача записати як

, (7)

де - зсув нульового рівня на i-й лінійній ділянці характеристики, визначений при окремій процедурі калібруванні підсилювача; - коефіцієнт передачі - крутизна на i-й лінійній ділянці характеристики, розрахована при калібруванні, який враховує описану вище похибку масштабу; - вхідна напруга підсилювача (якщо не враховувати похибку фільтру, то напруги на виході підсилювачів … у каналі є відповідно вхідними напругами комутатора згідно (6)), та підставити його замість у (6), потім виразити з цього , то отримаємо відповідно напругу на вході підсилювачів, яка є вихідною напругою давачів (8).

4. Періодичне повторення процедури калібрування у ВК при зміні температури навколишнього середовища. При цьому блок вимірювання температури подає відповідний керуючий сигнал на АЦП.

Враховуючи описане вище, необхідно відмітити, що коригування передатної характеристики давача можливо здійснювати подібно до характеристики підсилювача.

(8)

У четвертому розділі сформовано вимоги до ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів та обгрунтовано її структурно-алгоритмічну організацію, наведено рекомендації щодо побудови. Тут А - множина вхідних сигналів; Д1, … Дn - давачі; П1, … Пn - підсилювачі із гальванічною розв'язкою за допомогою магнітного для через трансформатор для унеможливлення протікання електричного струму на давачі; Ф1, … Фn - фільтри нижніх частот для фільтрації сигналів від завад мережі (пристрою) живлення; САЦП - АЦП на основі НПСЧ із самокалібруванням; КЦАП - калібрувальний ЦАП; Акл_і - калібрувальні сигнали; БК - блок керування роботою системи; N_вх - коди мікрокоманд БК для вибору каналу К; у₁ - сигнал керування; Т - блок вимірювання температури, подає сигнал на АЦП для здійснення процедури самокалібрування СЦОП - здійснює перетворення надлишкового коду в двійковий з метою подальшого передавання даних через ІФ (інтерфейс) для гнучкого їх обробляння за певними алгоритмами, математичними моделями у персональному комп'ютері - ПК.

Робота системи, наприклад, при вимірюванні сейсмосигналів, здійснюється у двох режимах: “основному” - режимі визначення рівня сигналу Hh; додатковому (“допоміжному”) - режимі самокалібрування ВК.

Тут j - номер каналу К; d - число кроків дискретизації по кожному каналу; А - амплітуда вхідного сигналу; АК - перетворення А у двійковий код К; П_о:=К - запис у пам'ять ОЗП (П_о) коду К; К(А) - код А; К_b(А_b) - кодовий еквівалент А, отриманий при b-ому у багатократному врівноваженні; П_а - пам'ять АЦЗ. При у₁=1 здійснюється (у₁=0 - не здійснюється) врівноваження вхідного сигналу А.

Запропоновано спростити вимірювальний канал системи шляхом вилучення з його структури пристрою вибірки і зберігання. Також запропоновано використовувати у вхідних ланцюгах розроблені підсилювачі струму із мінімальною похибкою нуля, зокрема, двотактні, із гальванічною розв'язкою.

Розроблено системи для сейсморозвідки та акустичних вимірювань. Основні характеристики системи для сейсморозвідки є такими: динамічний діапазон вхідного сигналу 120 Дб; кількість основних каналів - 128; кількість допоміжних каналів - 10; розрядність АЦП - 24 біта; підсилювач - із перемиканням піддіапазонів; неідентичність підсиленя каналів 0,05%; час вимірювання за одним каналом - 0,5 мс; смуга пропускання 3-750 Гц.

Основні характеристики системи для акустичних вимірювань є такими: динамічний діапазон вхідного сигналу 140 Дб; смуга пропускання 20 Гц - 20 КГц; розрядність АЦП - 20 біт (16 біт за допомогою самокаліброваного АЦП та 4 біта за допомогою підсилювача); підсилювач - із перемиканням піддіапазонів; наявність порту для підключення принтера; наявність послідовного порту для підключення до комп'ютера; наявність рідиннокристалічного дисплею; наявність блоку пам'яті з можливістю перезапису.

Розроблено та реалізувано блок попереднього аналізу і вибору точок акупунктури (контрольних точок на тілі людини, що використовуються для визначення стану її здоров'я), який дозволяє вибирати з всієї множини можливих точок саме ті, параметри яких є найбільш інформативними.

Розроблено програмне забезпечення для комп'ютерного моделювання процесу оцінювання параметрів стрибкоподібних сигналів. Програма формує таблицю даних вимірювання та здіснює попередні обчислювальні дії над цими даними.

ВИСНОВКИ

інформаційний вимірювальний сигнал комутатор

У дисертаційній роботі виконано дослідження, присвячені підвищенню точності та швидкодії ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів. Результати дослідження є внеском у розвиток теорії ІВС, зокрема, у випадку їх застосування для опрацювання стрибкоподібних сигналів, оскільки доводять, що використання АЦП на основі вагової надлишковості як “ядра” вимірювального каналу та включення його у контур калібрування дозволяє підвищувати точність при отриманні відповідних вимірювальних даних шляхом коригування статичних, компенсації динамічних похибок, а також будувати зазначені ПІ на неточній елементній базі.

Основні результати досліджень є такими:

1. Здійснено аналіз існуючих підходів до побудови високоточних швидкодіючих ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів. Показано, що актуальним для досягнення потрібних метрологічних характеристик доцільно використовувати процедуру самокалібрування статичних похибок аналогових вузлів вимірювального каналу і компенсації динамічних похибок першого і другого роду. Це можливо здійснити шляхом включення до структури ІВС АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується.

2. Вперше запропоновано метод коригування похибок комутатора вимірювального каналу ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів, що дозволяє зменшити її удвічі, а також загальну інструментальну похибку каналу та підвищити точність вимірювань.

3. Вдосконалено метод підвищення точності ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів, який відрізняється від існуючих тим, що базується на введенні до структури вимірювального каналу системи як “ядра” - порозрядного АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується, та включенням його у контур коригування статичних похибок каналу.

4. Вдосконалено метод підвищення швидкодії ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів, який відрізняється від існуючих тим, що базується на компенсації динамічних похибок першого та другого роду у вимірювальному каналі шляхом уведення до його структури порозрядного АЦП із ваговою надлишковістю.

5. Дістали подальшого розвитку математичні моделі динамічних похибок другого роду, що виникають у вимірювальному каналі під час змінення вхідних сигналів, і які можна значно зменшити (на 1-2 порядки) за рахунок їх компенсації у порозрядному АЦП, що входить до складу ІВС.

6. Розроблено рекомендації щодо структурно-алгоритмічної організації високоточних швидкодіючих вимірювальних каналів ІВС на базі АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується. Періодичне використання процедури самокалібрування дозволяє значно зменшити статичні похибки вимірювань, у тому числі під час змінення умов навколишнього середовища. Показано також, що можливість компенсації динамічних похибок другого роду дозволяє спростити вимірювальний канал шляхом вилучення з його структури пристрою вибірки і зберігання.

7. Розроблено рекомендації для вибору аналогових вузлів вимірювального каналу ІВС, зокрема, АЦП, комутатора, а також масштабних підсилювачів на базі підсилювачів струму із гальванічною розв'язкою, що зменшує можливість протікання у вхіді колі ІВС електричних струмів витікання.

8. Розроблено ІВС, що самокалібруються, для сейсморозвідки з вибором параметрів аналого-цифрового перетворення з урахуванням швидкості змінення сигналів, акустичних вимірювань, блок попереднього аналізу і вибору точок акупунктури. Розроблено також програмне забезпечення для моделювання процесів компенсації динамічних похибок другого роду та оцінювання параметрів стрибкоподібних сигналів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Матеріали досліджень викладено у 18 працях, основними з яких є:

Азаров О. Д., Снігур А. В. Лукащук О. О. Компенсація динамічних похибок вимірювального каналу системи опрацювання стрибкоподібних сигналів // Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. праць. - Київ, 2007. - №1. - С. 5 - 8.

Азаров О. Д., Крупельницький Л. В., Снігур А. В., Решетнік О. О., Гарнага В. А. Коригування статичних похибок вимірювального каналу івс, який містить ацп із ваговою надлишковістю // Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. праць. - Київ, 2007. - №2. - С. 5 - 9.

Азаров О. Д., Галаган О. Я., Звенигородський Е. Л., Снігур А. В. Система вимірювання та реєстрування сигналів біологічно-активних точок для акупунктурної терапії // Вісник Вінницького політехнічного інституту - 2005. - №2. - С. 16 - 19.

Азаров О. Д., Галаган О. Я., Снігур А. В., Кручай І. С. Математична модель активності акупунктури людини на основі інформативних параметрів біологічно-активних точок // Вісник Вінницького політехнічного інституту - 2005. - №6. - С. 14 - 19.

Азаров О. Д., Галаган О. Я., Звенигородський Е. Л., Снігур А. В. Оцінювання активності акупунктури людини на основі вимірювальної інформації // Вісник Вінницького політехнічного інституту - 2005. - №4. - С. 5 - 8.

Азаров О. Д., Снігур А. В. Вимірювальна система для оцінювання активності точок акупунктури людини у стаціонарних та нестаціонарних умовах // Вісник Вінницького політехнічного інституту - 2006. - №1. - С. 62 - 77.

Азаров О. Д., Галаган О. Я., Максимчук О. Ю., Снігур А. В. Ефективність оцінювання активності акупунктури людини на основі вимірювальної інформації // Вісник Вінницького політехнічного інституту - 2006. - №2. - С. 55 - 68.

Азаров О. Д., Снігур А. В., Розман Г. В., Кручай І. С. Особливості функціонування вимірювальної системи для оцінювання параметрів низькорівневих сигналів контрольних точок електричної схеми // Інформаційні технології та комп'ютерна інженерія - 2006. - №2. - С 49 - 53.

Снігур А. В., Розман Г. В., Галаган О. Я., Франчук В. С. Особливості етапів оцінювання параметрів сигналів контрольних точок збору даних // Інформаційні технології та комп'ютерна інженерія - 2006. - №3. - С 142 - 145.

Пат. 17239 України, МКИ G 05 В 1/00. Двотактний симетричний підсилювач струму: Пат. 17239 України, МКИ G 05 В 1/00 О. Д. Азаров., О. О. Лукащук, В. А. Гарнага, О. О. Решетнік, А. В. Снігур. (Україна); Вінницький національний технічний університет. - № 200603280; Заявл. 27.03.2006; Опубл. 15.09.2006; Бюл. № 9 - 6 c.

Азаров О. Д., Снігур А. В. Самокалібровані аналого - цифрові перетворювачі на основі надлишкових позиційних систем числення // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: ІХ Міжнар. Науково-технічна конф. Хмельницький, 30 травня - 2 червня 2002 р. - Т. 2. - Хмельницький. - 2002. - С.18-21.

Размещено на Allbest.ru