Способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем

 

Способ относится к информационно-измерительной технике. Техническим результатом способа является принципиальная возможность определения частотных характеристик в неискаженном виде без проведения процедуры нормировки. Это достигается тем, что в известном способе, заключающемся в подаче на вход измерительного канала (ИК) испытательного сигнала (ИС) и определении его спектра (СП), один из ИК информационно-измерительной системы используют в качестве образцового и определяют его комплексную частотную характеристику (КЧХ) путем измерения амплитудного и фазового СП выходного сигнала. Значения КЧХ запоминают, затем на входы образцового и контролируемого ИК одновременно подают ИС и для определения степени различия КЧХ ИК из выходного сигнала контролируемого ИК вычитают выходной сигнал образцового ИК. Разностный сигнал усиливают и измеряют его амплитудный и фазовый СП. При этом ИС, воздействующий на входы ИК, формируют из гармонических колебаний частоты, превышающей в (N+1) раз частоту повторения ИС, в виде амплитудно-модулированного колебания с законом изменения огибающей, определяемым соотношением мгновенных значений синусоидальных колебаний с кратностью частот N, равной числу суммируемых для получения ИС гармонических колебаний кратных частот и равных амплитуд. 2 ил.

Способ относится к информационно-измерительной технике и может быть использован при определении частотных характеристик линейных четырехполюсников в широком диапазоне частот.

Известен способ получения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) четырехполюсников и каналов связи (Патент РФ на изобретение 2012140, МКИ 5 Н 04 В 3/46, БИ 8, 1994), заключающийся в том, что на вход четырехполюсника или канала связи подают сигнал с линейно изменяющейся частотой, а на выходе осуществляют последовательный анализ спектра в диапазоне частот входного сигнала.

Существенным недостатком этого способа является принципиальная невозможность получения АЧХ в неискаженном виде, так как ее форма зависит от скорости изменения частоты испытательного сигнала и лишь при скорости изменения частоты, равной нулю, АЧХ совпадает со статической, снятой по точкам, когда время воздействия испытательного сигнала в виде синусоидального входного напряжения неограничено (Харкевич А.А. Спектры и анализ. - М., Государственное издательство физико-математической литературы, 1962, с. 137-148).

Наличие этого недостатка делает невозможным разрешить противоречия между желанием получить информацию об АЧХ ускоренно и увеличением отклонений формы АЧХ от истинной, что вызывает неустранимую погрешность способа.

Известен (Патент РФ 2054684, МКИ G 01 R 23/16, БИ 5, 1996) способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, заключающийся в том, что на вход измерительного канала подают импульсный сигнал и определяют его спектр, а с целью повышения точности комплексную частотную характеристику образцового измерительного канала определяют на основе АЧХ и фазочастотной характеристики (ФЧХ) измерением последних с помощью синусоидального сигнала возбуждения с разверткой последнего по частоте, значения полученной характеристики запоминают, затем на входы контролируемого и образцового измерительных каналов одновременно подают импульсные сигналы, из разности выходных сигналов названных измерительных каналов определяют спектр, который делят на спектр входного сигнала для получения комплексной частотной характеристики, добавляемой к комплексной частотной характеристике образцового измерительного канала для получения АЧХ и ФЧХ контролируемого канала.

Недостатками этого способа, не позволяющими обеспечить высокую точность определения АЧХ и ФЧХ, являются: а) в выбранном способе определения АЧХ и ФЧХ образцового сигнала путем развертки по частоте синусоидального входного сигнала принципиально невозможно определить истинные АЧХ и ФЧХ; б) невозможность прямого определения АЧХ и ФЧХ контролируемого канала при воздействии на входах образцового и контролируемого каналов импульсных сигналов, так как для получения АЧХ и ФЧХ совершаются следующие процедуры: 1. определение АЧХ и ФЧХ образцового канала при воздействии развертываемого по частоте синусоидального входного сигнала; 2. определение разности комплексных частотных характеристик образцового и контролируемого измерительного каналов при одновременном воздействии на их входах импульсного сигнала; 3. суммирование (вычитание) комплексных частотных характеристик образцового канала и разностной комплексной частотной характеристики, определенной в п.2; 4. распределение АЧХ и ФЧХ контролируемого измерительного канала по определенной в п.3 суммарной комплексной частотной характеристике.

Так как все названные в п.1-4 процедуры сопровождаются соответствующими погрешностями, то реализация рассматриваемого способа не обеспечивает высокую точность.

Известен способ измерения амплитудно-частотных характеристик (Авторское свидетельство РФ 1712898, МКИ 5 G 01 R 27/28, БИ 6, 1992), включающий воздействие на испытуемый объект М колебаниями заданных частот и аналого-цифровое преобразование от отклика на входные воздействия в М последовательных моментах времени, результаты которого подвергают операции точечного быстрого преобразования Фурье (БПФ), при этом обработку откликов тестируемого блока сопровождают измерением модулей амплитуд тест-воздействий по эталонному каналу приема, не обладающему частотной избирательностью, сигналы на вход которого подают минуя тестируемый объект, причем оценивание амплитуд сигналов по отсчетам эталонного канала производят операцией точечного БПФ, а полученные по эталонному каналу результаты используют для нормировки оценок амплитуд откликов испытуемого объекта.

Существенными недостатками этого способа являются следующие: 1. Использование для измерения АЧХ М колебаний заданных частот, амплитуды и частоты которых соотносятся произвольно, имеет следствием необходимость проведения нормировки, так как изменение амплитуд и частот названных М колебаний вследствие воздействия дестабилизирующих факторов на источники этих колебаний приводят к изменениям результата их суммирования - тест-воздействия. Необходимость проведения нормировки требует эталонного канала приема и увеличения требуемого для реализации БПФ оборудования в 2 раза (обработка откликов на тесто-воздействие испытуемого объекта и эталонного канала), так как обработка откликов должна проводиться параллельно.

2. Введение эталонного канала для нормировки, не обладающего частотной избирательностью, имеет следствие появление дополнительной частотно-зависимой погрешности. Действительно, в эталонном канале нестабильность амплитуды и частоты каждого из М суммируемых колебаний сопровождается изменением формы тест-сигнала, что приводит к соответствующим изменениям вычисляемых с помощью БПФ значений амплитуд каждого из М суммируемых колебаний (используемых для нормировки при определении АЧХ), но в измерительном канале кроме изменения амплитуд каждого из М суммируемых колебаний в соответствии с характером АЧХ устройства происходит изменение фазы каждого из М выходных колебаний в соответствии с законом ϕ = arctg(B(ω)/A(ω)), где А и В соответственно действительная и мнимая составляющие комплексной частотной характеристики испытуемого объекта для конкретного значения частоты каждого из М воздействующих на его входе колебаний. Это приводит к дополнительным изменениям формы выходного сигнала, так как для сохранения формы сигнала при прохождении через четырехполюсник фазочастотная характеристика последнего должна быть линейной ϕ = kω.
Это приводит к дополнительным изменениям формы выходного сигнала, а значит и к изменениям оценок амплитуд каждого из М частотных компонентов, полученных с помощью БПФ. Этот способ выбран в качестве прототипа.

Техническим результатом заявляемого способа является принципиальная возможность определения АЧХ в неискаженном виде без проведения процедуры нормировки.

Задача, на решение которой направлено техническое решение, достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что на вход измерительного канала подают испытательный сигнал и определяют его спектр, один из каналов информационно-измерительной системы используют в качестве образцового и определяют его комплексную частотную характеристику путем измерения амплитудного и фазового спектров выходного сигнала этого канала, значения полученной характеристики запоминают, затем на входы образцового и контролируемого измерительных каналов одновременно подают испытательный сигнал, выходной сигнал контролируемого измерительного канала путем измерения его амплитудного и фазового спектров используют для определения комплексной частотной характеристики этого канала, а для определения степени различия комплексных частотных характеристик образцового и контролируемого измерительных каналов информационно-измерительной системы из выходного сигнала контролируемого измерительного канала вычитают выходной сигнал образцового измерительного канала, разностный сигнал усиливают и измеряют его амплитудный и фазовый спектры, при этом испытательной сигнал, воздействующий на входы измерительных каналов и представляющий собой сумму из N гармонических колебаний кратных частот и равных амплитуд, формируют из гармонических колебаний несущей частоты
f_н = ω_н/2π = (N+1)ω₀/4π
в виде амплитудно-модулированного колебания с законом изменения огибающей

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для формирования периодически повторяемого испытательного сигнала, на фиг.2 приведены временные диаграммы.

На фиг.1 обозначено: 1 - генератор гармонических колебаний несущей частоты

2 - формирователь, преобразующий колебания несущей частоты в последовательности прямоугольных импульсов той же частоты; 3 - масштабный преобразователь на основе операционного усилителя, переключением резисторов в цепи обратной связи которого обеспечивается изменение коэффициента передачи; 4 - электронный коммутатор, управляемый выходными импульсами формирователя 2 и обеспечивающий переключение резисторов масштабного преобразователя 3.

Выходные напряжения генератора 1, формирователя 2 и масштабного преобразователя 3 в виде временных диаграмм для контрольных точек а, б и в структурной схемы приведены в на фиг.2 (а, б и в соответственно).

Способ осуществляется следующим образом: необходимость в проведении нормировки отпадает только в одном случае, - когда амплитуды всех частотных компонентов входного воздействия равны между собой, а потому при проведении нормировки амплитуды частотных компонентов выходного сигнала нужно будет делить на одну и ту же величину, чего можно не делать вообще.

Действительно, если имеется возможность синтезировать испытательный сигнал, представляющий сумму N гармонических колебаний равных амплитуд с частотами, кратными основной частоте
f₀ = ω₀/2π = 1/T₀

то ему соответствует спектр

При воздействии этого сигнала на входе исследуемого четырехполосника выходной сигнал последнего на основании интеграла Дюамеля

где комплексная частотная характеристика четырехполюсника при ω = кω₀, a g(τ) - его импульсная реакция. Этому сигналу соответствует спектр

Динамический коэффициент передачи четырехполюсника (то есть при воздействии на входе испытательного сигнала)

то есть в контролируемых точках частотной оси (ω₀;2ω₀;...Nω₀) динамический коэффициент передачи совпадает с комплексной частотной характеристикой, определяемой в статическом режиме (путем задания фиксированных значений частоты генератора гармонических колебаний при неизменном уровне их амплитуды), а потому определение частотных характеристик четырехполюсников путем воздействия на входе испытательного сигнала

не вызывает, как в случае воздействия с линейно-изменяющейся частотой, отклонения формы АЧХ от определенной в статическом режиме, то есть предлагаемый способ позволяет обеспечить высокую точность.

Процедура нормировки при использовании испытательного сигнала

не является обязательной, так как при определении АЧХ деление амплитуд выходного сигнала четырехполюсника производят на одну и ту же величину, равную амплитуде каждого из частотных компонентов входного воздействия, то есть спектр выходного напряжения подвергают лишь масштабному преобразованию.

Для достижения высокой точности определения идентичности образцового и контролируемого измерительных каналов при одновременном воздействии на их входе испытательного сигнала

используется оценка в виде отношения спектра разности выходных сигналов названных каналов к спектру входного испытательного сигнала

Так как амплитуды гармоник испытательного сигнала равны между собой U_m1 = U_m2 ... = U_mN, а их фазы нарастают пропорционально номеру гармоники "К", то для определения δK_изм(jkω₀) достаточно знать δU_mвых(jkω₀) (определение |δK_изм(jkω₀)| сводится к делению амплитуды каждой гармоники разности выходных напряжений каналов на одно и то же число |U_mвх(jkω₀)|, а для определения разности фазочастотных характеристик из фазы каждой гармоники разности выходных напряжений необходимо и достаточно вычесть уже известную фазу соответствующей гармоники входного испытательного сигнала).

Таким образом, использование испытательного сигнала

измерением амплитуд и фаз входного испытательного сигнала, а также амплитуд и фаз выходных сигналов образцового и измерительного каналов и разности их выходных напряжений позволяет определять частотные характеристики названных каналов, а также степень их отличия.

Сокращение объема измерительных процедур при определении АЧХ образцового и измеряемого канала, а также при определении степени неидентичности АЧХ названных каналов создает основу для повышения точности определения АЧХ измерительных каналов информационно-измерительных систем. Однако реализация требуемых измерительных процедур требует воздействия на входе испытательного сигнала

т. е. суммирования гармонических колебаний равных амплитуд, вырабатываемых N генераторами, с определенным начальным углом фазового сдвига. Стабилизация амплитуд и начальных фаз N генераторов гармонических колебаний требует 2N систем автоматического регулирования и технически труднореализуема.

Однако известное соотношение (Двайт Г.В. Таблицы интегралов и других математические формулы. - М.: Наука, 1966, с. 82)

применительно к анализируемому испытательному сигналу f₁(t) позволяет изменить характер преобразований при формировании последнего.

Действительно, представление испытательного сигнала

в виде

позволяет трактовать его как амплитудно-модулированное (АМ) колебание, т. к. формально АМ колебание представляет произведение огибающей U_m(t) и гармонического заполнения.

В испытательном сигнале f₁(t) функцию гармонического заполнения (т.е. колебание несущей частоты) выполняет колебание sin где - частота повторения испытательного сигнала f₁(t). Функцию огибающей U_m(t) выполняет периодическое колебание представляющее отношение мгновенных значений синусоидальных колебаний с кратностью частот N, равной числу суммируемых для получения испытательного сигнала гармонических колебаний кратных частот и равных амплитуд. Такое представление испытательного сигнала позволяет для его формирования использовать не N генераторов колебаний кратных частот, а всего лишь один с частотой колебаний ω_н = (N+1)ω₀/2, стабильность параметров колебаний которого можно обеспечить известными методами.

Для обеспечения закона изменения огибающей АМ-колебаний

колебания несущей частоты f_н = ω_н/2π = (N+1)f₀/2 = (N+1)ω₀/4π и неизменной амплитуды U_m подают на вход масштабного преобразователя на операционном усилителе (ОУ), коэффициент передачи которого, определяемый отношением сопротивлений k_u=R_ос/R₁ (где R_ос - сопротивление резистора, включенного между инвертирующим входом и выходом ОУ, а R₁ - сопротивление резистора, включенного между инвертирующим входом и выходом источника сигнала), изменяют переключением резисторов R_ос в моменты прохождения колебаниями несущей частоты через нулевые мгновенные значения, что обеспечивает постоянство k_u внутри интервала, равного половине периода колебаний несущей частоты.

Изложенное в связи с поставленной задачей, а также в связи с предлагаемыми функциями конкретных измерительно-преобразовательных устройств структурной схемы позволяет сделать вывод о том, что сокращение измерительно-преобразовательных процедур для достижения цели имеет основание для утверждения о повышении точности.

Формула изобретения

Способ определения частотных характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем, заключающийся в том, что на вход контролируемого измерительного канала подают испытательный сигнал и определяют частотную характеристику путем измерения амплитудного и фазового спектров входного и выходного сигналов этого канала, отличающийся тем, что испытательный сигнал подают одновременно и на вход образцового измерительного канала и определяют его частотную характеристику, а для определения степени различия комплексных частотных характеристик образцового и контролируемого измерительных каналов из выходного сигнала контролируемого измерительного канала вычитают выходной сигнал образцового измерительного канала, разностный сигнал усиливают и измеряют его амплитудный и фазовый спектры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2