close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование и разработка устройств для автоматической регулировки полосы пропускания измерительного канала

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Клопот Михаил Михайлович Шифр научной специальности: 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления Шифр диссертационного совета: Д 212.208.21 Название организации: Южный федеральный университет - ФГОУВПО
На правах рукописи
КЛОПОТ Михаил Михайлович
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ
ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА
Специальность: 05.13.05 – элементы и устройства вычислительной техники и
систем управления
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог – 2012
Работа выполнена на кафедре автоматизированных систем научных
исследований и экспериментов Технологического института ФГАОУ ВПО
«Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор,
Самойлов Леонтий Константинович
Официальные оппоненты:
Рогозов Юрий Иванович, доктор технических
наук, профессор, Технологический институт
ФГАОУ
ВПО
«Южный
федеральный
университет», кафедра САиТ, зав. кафедрой
Заковоротнов Евгений Анатольевич, кандидат
технических наук, старший научный сотрудник,
ООО «Аквазонд», исп. директор
Ведущая организация:
ФГУП «Научно-исследовательский институт
специальных
информационно-измерительных
систем»
Защита состоится «28» сентября 2012 года в 14 ч. 20 мин. на заседании
диссертационного совета Д212.208.21 ФГАОУ ВПО «Южный федеральный
университет»
по
адресу:
347928,
Ростовская
обл.,
г. Таганрог,
пер. Некрасовский 44, ауд. Д-406.
С диссертацией можно ознакомиться в зональной библиотеке Южного
федерального университета.
Автореферат разослан «___» июля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Н.И. Чернов
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Основным средством измерения в условиях
современного производства, промышленных и лабораторных испытаний
различных объектов являются информационно-измерительные системы (ИИС).
Ранее для таких систем, как правило, был характерен централизованный сбор и
обработка измерительной информации.
В последние годы наметилась тенденция построения ИИС по принципам
систем высокой готовности. Отличительной чертой таких систем является
достижение необходимого уровня бесперебойного функционирования за счет
построения решений на основе «конструктора». Такой подход к построению
ИИС требует полного перехода на унифицированные многоточечные каналы
связи (fieldbus – промышленные сети) и применение в каждом измерительном
канале законченных аппаратных решений в виде интеллектуальных датчиков
(ИД) или канальных процессоров (КП), обеспечивающих функциональную
самостоятельность каждого измерительного канала.
При этом можно выделить два направления развития ИИС: на основе
ИД и на основе КП. Согласно ГОСТ Р 8.673-2009 ГСИ интеллектуальный
датчик - это адаптивный датчик с функцией метрологического самоконтроля.
При этом, обладая вычислительными возможностями, интеллектуальный
датчик способен не только изменять свои параметры и/или алгоритм работы в
процессе эксплуатации датчика в зависимости от сигналов, содержащихся в
нем преобразователей, но и осуществлять дополнительную обработку сигнала.
Вторым направлением развития ИИС является построение систем на
основе канальных процессоров, которые производят предварительную
обработку измерительной информации.
Основное отличие канального
процессора от интеллектуального датчика заключается в отсутствии в
структуре первого самого датчика (сенсора). В результате чего применение
канальных процессоров позволяет получать интеллектуальные устройства на
базе существовавших принципах построения систем.
Оба направления развития ИИС достаточно широко освещены в
литературе, например, в работах Новоселова О.Н., Самойлова Л.К., Свиридова
В.Г., Ямасаки Х. и др. Однако широкое применение на практике они начали
получать только в последние годы. Основной причиной этому послужил
существующий уровень развития электронной элементной базы, на основе
которой стало возможным реализовывать сложные алгоритмы предварительной
обработки сигналов непосредственно в ИД и КП.
Одним из видов обработки измерительного сигнала в ИД и КП является
низкочастотная фильтрация с целью подавления высокочастотных помех и
устранения эффекта наложения спектров при оцифровке сигнала. Причем в
ряде технических приложений часто требуется применение фильтров с
перестраиваемой частотой среза. На сегодняшний день существует
значительное количество управляемых фильтров как аналоговых, так и
цифровых. Однако в большинстве случаев изменение параметров фильтров
2
происходит по команде пользователя. Автоматическое изменение полосы
пропускания фильтра, установленного в измерительном канале в соответствии
с текущей граничной частотой сигнала, позволило бы повысить качество
работы таких устройств, когда параметры входного сигнала не известны или
изменяются во времени.
Таким образом, задачу разработки устройств для автоматической
регулировки полосы пропускания управляемого фильтра в измерительном
канале в соответствии с текущими параметрами сигнала можно считать
своевременной, важной и актуальной.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка
оптимальных устройств для автоматической регулировки полосы пропускания
измерительного канала.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
− исследование вопросов повышения помехоустойчивости ИИС за
счет регулировки полосы пропускания фильтра в измерительном
канале;
− анализ структур измерительного канала с управляемыми фильтрами
нижних частот;
− исследование и разработка алгоритмов и структур устройств для
автоматической регулировки полосы пропускания измерительного
канала;
− анализ погрешностей работы устройств для автоматической
регулировки полосы пропускания измерительного канала;
− сравнение эффективности работы и сложности реализации
различных структур устройств для автоматической регулировки
полосы пропускания измерительного канала;
− исследование влияния помех на работу устройств для
автоматической регулировки полосы пропускания измерительного
канала.
Методы
исследований.
При
решении
поставленных
задач
использовались
методы
теории
сигналов,
теории
погрешностей,
аналитического, имитационного и натурного моделирования.
Научная новизна. В процессе работы над диссертацией получены
следующие результаты:
− показано, что автоматическая регулировка полосы пропускания
фильтра в измерительном канале в условиях реального времени
является реализуемым и эффективным способом повышения
значения отношения сигнал/шум в измерительном канале для случая,
когда фильтр подстраивает свои параметры к текущим
динамическим свойствам сигнала;
− разработаны структуры и алгоритмы устройств для автоматической
регулировки полосы пропускания измерительного канала,
позволяющие проектировать оптимальные устройства в конкретных
ситуациях;
3
− разработана программная модель устройств для автоматической
регулировки полосы пропускания измерительного канала, которая
дает возможность рассчитать оптимальные параметры для
конкретных условий и оценить эффективность работы устройств;
− исследовано влияние параметров разработанных устройств на
погрешность определения текущей граничной частоты полезного
сигнала, что позволило выработать рекомендации по повышению
эффективности работы разработанных устройств.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
Основными практическими результатами можно считать следующие:
− разработан и внедрен программно-аппаратный комплекс по
исследованию устройств для автоматической регулировки полосы
пропускания измерительного канала;
− разработаны и защищены патентом РФ структуры устройств для
автоматической регулировки полосы пропускания измерительного
канала;
− разработана и защищена патентом РФ структура канального
процессора с устройством для автоматической регулировки полосы
пропускания измерительного канала для ИИС со сжатием данных.
Результаты диссертационной работы использованы в НИР, выполненной
по заданию Министерства образования и науки РФ, а также внедрены в
учебный процесс подготовки студентов Технологического института ФГАОУ
ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и
выводов, приведенных в диссертационной работе, обеспечиваются корректным
использованием математического аппарата, аналитическим, имитационным и
натурным моделированием и достаточной апробацией материалов диссертации.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
− алгоритм работы и устройство для автоматической регулировки
полосы пропускания измерительного канала с переменным временем
усреднения;
− алгоритм работы и устройство для автоматической регулировки
полосы пропускания измерительного канала с постоянным временем
усреднения;
− результаты исследования параметров устройств для автоматической
регулировки полосы пропускания измерительного канала;
− реализация
канального
процессора
с
устройством
для
автоматической регулировки полосы пропускания измерительного
канала для ИИС со сжатием данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на 9 международных и 3 всероссийских
конференциях, а также на ежегодных конференциях профессорскопреподавательского состава ТТИ ЮФУ с 2010 по 2011 годы.
4
Публикации. По теме исследований опубликованы 20 печатных работ, в
том числе 6 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2
патента РФ на изобретения и 2 патента РФ на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 87
наименований, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 160
страницах машинописного текста, который поясняется 100 рисунками и 3
таблицами. Общий объем диссертации, включая приложения, составляет 176
страниц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во
введении
обоснована
актуальность
темы
диссертации,
сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения,
выносимые на защиту, определена научная новизна и практическая значимость
работы.
В первой главе сформулированы условия исследования, рассмотрены
проблемы, возникающие при проектировании измерительного тракта ИИС. В
работе показано, что в условиях индустриальной среды с целью уменьшения
влияния помех на результат измерения и обеспечения заданной точности в
измерительных каналах используют фильтры нижних частот (ФНЧ). При
выборе частоты среза фильтра нижних частот ориентируются на максимальную
величину граничной частоты сигнала ω грmax , рассматривая случай, когда
активность сигнала является максимальной. Однако, на отдельных
промежутках времени активность сигнала может сильно отличаться от
максимальной, что свидетельствует об изменении производной сигнала, а,
следовательно, и его спектральных составляющих. Если значение производной
полезного сигнала уменьшается, то, следовательно, и сужается спектр сигнала
(уменьшается значение текущей граничной частоты). Таким образом, в
отдельные моменты времени ширина спектра сигнала может значительно
отличаться от максимального значения.
В диссертационной работе было проведено исследование возможности
повышения помехоустойчивости ИИС за счет регулировки полосы пропускания
фильтра в измерительном канале. В результате автором показано, что значение
отношения сигнал/шум на выходе фильтра с регулируемой полосой
пропускания больше значения отношения сигнал/шум на выходе фильтра с
постоянной полосой пропускания.
В работе произведено моделирование в среде LabVIEW, позволяющее
количественно оценить эффективность регулировки полосы пропускания
(частоты среза) ФНЧ в измерительном канале. Для примера был выбран фильтр
Баттерворта 2-го порядка, а в качестве критерия эффективности – отношение
сигнала к шуму и искажениям. Величина отношения сигнал/шум на выходе
5
ФНЧ с регулируемой частотой среза оказалась примерно в полтора раза выше
при уменьшении текущей граничной частоты сигнала, чем на выходе ФНЧ с
постоянной частотой среза.
На основании проведенных исследований сделан вывод о том, что
регулировка полосы пропускания фильтра в измерительном канале позволяет
увеличить эффективность выделения полезного сигнала для случая, когда
фильтр будет подстраивать свои параметры к текущим динамическим
свойствам сигнала.
В работе рассмотрена структура измерительного канала с управляемым
фильтром нижних частот, представленная на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структура измерительного канала с управляемым ФНЧ
На рисунке 1 входной измерительный сигнал от источника сигнала (ИС)
одновременно поступает на управляемый ФНЧ и устройство для
автоматической регулировки полосы пропускания (УАРП) управляемого ФНЧ.
При этом изначально частота среза ФНЧ установлена равной максимально
возможной частоте в спектре полезного сигнала. УАРП производит оценку
текущей граничной частоты спектра сигнала и выдает управляющее
воздействие на изменение частоты среза ФНЧ согласно текущей активности
сигнала. В общем случае, в качестве управляемого ФНЧ можно использовать
любой тип фильтра: аналоговый, цифровой (ЦФ), дискретно-аналоговый.
Рассмотрены структуры измерительного канала для каждого типа
фильтра, их преимущества и недостатки. Даны рекомендации по устранению
недостатков каждой структуры. Показано, что наиболее целесообразно в
качестве управляемого ФНЧ использовать дискретно-аналоговый фильтр (SCфильтр – фильтр на переключаемых конденсаторах) или ЦФ. Определенны
ограничения для диапазона [ f cpmin , f cpmax ], в котором может изменять частота среза
SC-фильтра:
min 2 ⋅ f cpa
;
f cp =
(1)
k
max
f cp = f cpa ,
где k=(25…200) – коэффициент, определяющий во сколько раз частота среза
фильтра меньше тактовой частоты ( fT = k ⋅ f cp );
f cpa – частота среза
антиалиасингового RC-фильтра.
6
В работе рассмотрены особенности выбора частоты среза управляемого
фильтра. Показано, что при уменьшении текущей граничной частоты спектра
полезного сигнала погрешность, возникающая из-за смены частоты среза,
полностью зависит от длительности переходных процессов фильтра. В случае
же увеличения текущей граничной частоты спектра полезного сигнала
возникает дополнительная погрешность, обусловленная тем, что для
определения текущей граничной частоты спектра полезного сигнала и
формирования управляющего воздействия для управляемого фильтра
необходимо время τAC. Чтобы избежать появления этой дополнительной
погрешности частота среза управляемого ФНЧ должна определяться
следующим образом:
ωcp = ωгpтек + ∆ω гр ,
(2)
где ∆ω гр – апертура граничной частоты, ωгтек
– текущая граничная частота
p
спектра полезного сигнала. При этом получено условие для выбора величины
апертуры граничной частоты:
∆ω гр
dω (t ) (3)
≥ α max = max ,
τ AC
dt
где τ AC – время определения текущей граничной частоты спектра полезного
сигнала и формирования управляющего воздействия для управляемого ФНЧ,
α max – максимум скорости изменения частоты полезного сигнала.
Во второй главе проведен анализ процессов при определении
практической ширины спектра сигнала и сравнение существующих способов
определения практической ширины спектра полезного сигнала. В программе
Mathcad с помощью аналитического моделирования оценена эффективность
рассмотренных способов определения текущей граничной частоты полезного
сигнала. Критерием оценки эффективности того или иного способа выступали
вычислительные затраты и уровень сложности реализации УАРП. В результате
выявлено, что наиболее подходящим для реализации в УАРП является способ
оценки текущей граничной частоты по динамическим характеристикам сигнала.
На основании этого предложена модификация данного способа, исключающая
необходимость осуществления с сигналом сложных математических операций:
ω гр =
π
,
(4)
∆t acp ⋅ K
где ∆tacp – средний такт измерения при адаптивной временной дискретизации
(АВД), K – поправочный коэффициент.
Данный способ основан на известном апертурном алгоритме адаптивной
дискретизации нулевого порядка (НП). Устройства, реализующие этот
алгоритм, называются адаптивными дискретизаторами (АД) и являются
основой адаптивных телеметрических систем. АД НП фактически производят
7
оценку мгновенного спектра: величина мгновенного спектра обратно
пропорциональна временному интервалу адаптивной дискретизации ∆t a .
Предложена структурная схема
устройства для автоматической
регулировки полосы пропускания (УАРП) управляемого ФНЧ, представленная
на рисунке 2. Реакция фильтра на изменения спектра сигнала не должна быть
мгновенной, так как это может привести к существенному искажению сигнала.
Поэтому УАРП должно иметь блок интегрирования (БИ) с определенной
постоянной времени. Адаптивный интервал ∆t a можно определить, что
позволяет получить усредненное за конечное время значение текущего
интервала ∆tacp как среднее значение q соседних интервалов. Используя
информацию, заключенную в величине временного отрезка квантования ∆t a ,
можно управлять ФНЧ.
ωгртек
Рисунок 2 – Структурная схема УАРП
Следует отметить, что величина апертуры адаптивного дискретизатора
max
∆e должна быть больше максимального уровня помех s пом
:
max
∆e ≥ s пом .
(5)
Тогда сигналы управления ФНЧ будут идти в основном в соответствии со
значением полезного сигнала. При этом апертура устройства ∆e определяется
помеховой обстановкой и может как устанавливаться дискретно по
определенным правилам, так и задаваться автоматически с помощью
устройства, оценивающего уровень помех.
В работе произведена оптимизация структуры устройства для
автоматической регулировки полосы пропускания. Для этого рассмотрены
реализации каждого блока входящего в состав УАРП.
Предложены два варианта практической реализации адаптивного
дискретизатора нулевого порядка: на аналоговой и на цифровой элементной
базе. Второй вариант устройства является оригинальной разработкой. Основой
АД НП служит АЦП. Данный АД НП не содержит аналоговых компонентов, и
его полоса пропускания определяется только динамическими свойствами АЦП.
8
На основании выбранного способа оценки текущей граничной частоты
измерительного сигнала (4), синтезированы два варианта алгоритма работы и
функциональные схемы БИ УАРП: с переменным и постоянным временем
усреднения. Проведено аналитическое моделирование разработанных БИ УАРП
в программе Mathcad, показавшее, что выбор параметров блока интегрирования
УАРП является сложным и трудоемким. С целью упрощения данной
процедуры, а также для более детального исследования работы УАРП в
диссертации разработано специализированное программное обеспечение.
Предложены реализации БУ УАРП для трех типов фильтра: аналогового,
дискретно-аналогового и цифрового. Сделан вывод, что наиболее
предпочтительными являются варианты реализации УАРП для управления
дискретно-аналоговыми и цифровыми фильтрами. Такие устройства проще
реализуемы и имеют меньшие массогабаритные параметры, также позволяют
плавно перестраивать частоту среза фильтров.
В третьей главе рассмотрены вопросы разработки моделирующего
комплекса по исследованию устройства автоматической регулировки полосы
пропускания измерительного канала.
Произведена оптимизация структуры и состава моделирующего
комплекса. В результате решено использовать для создания комплекса
программно-аппаратные средства фирмы National Instruments и синтезирована
структура комплекса, позволяющая решать следующие задачи:
− упрощать процесс выбора оптимальных параметров устройства;
− исследовать работу устройства в статическом режиме, когда
граничная частота входного сигнала не изменяется, и динамическом
– во время изменения граничной частоты;
− позволять рассчитывать значение коэффициента К для различных
частотных диапазонов;
− исследовать влияние величины апертуры на результат работы УАРП;
− исследовать влияние помех на результат работы УАРП.
Достижение целей, поставленных перед моделирующим комплексом,
возможно лишь при наличии входных сигналов. Поэтому было проведено
исследование по оценке источников сигналов и помех для моделирующего
комплекса. В результате выявлено, что наиболее подходящей моделью
входного сигнала является сигнал, описываемый следующей формулой:
α (t ) ⋅ t
s (t ) = A ⋅ cos(ϕ 0 + ω0 t +
),
(6)
2
где t – время, А – амплитуда, φ0 – начальная фаза, ω0 – начальная частота,
dω (t )
α (t ) =
– скорость изменения частоты полезного сигнала. Анализ
dt
основных источников помех показал, что в большинстве практических случаях
помеха носит аддитивный характер, не коррелирована с полезным сигналом и
может быть описана стационарным случайным процессом.
Главной задачей комплекса является упрощение процесса выбора
оптимальных параметров УАРП для заданных условий работы устройства.
9
Разработанные структуры УАРП обладают рядом параметров, которые влияют
на точность работы устройств. Теоретически обосновать оптимальность
конкретных значений этих параметров для определенных условий работы
сложно. Причем изменение условий работы устройства будет приводить к
изменению оптимальных значений параметров. Другими словами для
определенных
условий
работы
необходимо
производить
многопараметрическую оптимизацию УАРП по определенному критерию.
Учитывая выше сказанное, было решено использовать в качестве метода
оптимизации метод «черного ящика», а параметры УАРП как факторы
оптимизации или входы «черного ящика». Во второй главе было рассмотрено
два варианта УАРП, работающие согласно алгоритмам с переменным и
постоянным временем усреднения. Здесь также решено исследовать параметры
каждого УАРП. Параметрами УАРП с переменным временем усреднения
являются количество разрядов счетчика СТ10 k max , количество разрядов
1
счетчика СТ14 q max , частота тактового генератора G8 f G = , апертура ∆e ,
∆t
коэффициент К. Параметрами УАРП с постоянным временем усреднения
являются количество разрядов счетчика СТ10 k max , количество разрядов
счетчика СТ23 bmax , частота тактового генератора G8 f G , апертура ∆e ,
коэффициент К. В совокупности все эти параметры (кроме коэффициента К)
определяют величину времени усреднения БИ УАРП.
В качестве критерия оптимизации наиболее целесообразно использовать
минимизацию относительной погрешности вычисления УАРП текущей
граничной частоты сигнала:
опт
δ var
= min{δ var (kmax , qmax , f G , ∆e, K )},
(7)
опт
δ const
= min{δ const (k max , bmax , f G , ∆e, K )} .
(8)
Выражения (7) и (8) определяют критерии оптимизации для УАРП с
переменным и постоянным временем усреднения соответственно.
Программное обеспечение комплекса разработано в среде графического
программирования LabVIEW. В качестве примера рассмотрена оптимизация
параметров УАРП для тестового сигнала гармонического типа, граничная
частота которого изменялась от f грmin = 100 Гц до f грmax = 1000 Гц. При этом
параметры оптимизации изменялись в следующих пределах: k max и q max от 10 до
512, bmax от 100 до 32768, f G от 2 f грmax до 100 f грmax , ∆e от 10% до 50% уровня
амплитуды сигнала. Для каждого значения f G рассчитывался свой
коэффициент К единый для всего частотного диапазона ( f грmin – f грmax ) Гц.
В результате работы моделирующего комплекса получены следующие
оптимальные параметры УАРП для заданного частотного диапазона k max = 128,
q max = 256, bmax = 8192, f G = 90 f грmax , ∆e = 15% от уровня амплитуды сигнала, К
= 10, что иллюстрирует рисунок 3. При этом относительная погрешность в
худшем случае не превышала 30%, ее среднее значение составляло 15%.
10
а
б
а - от текущей граничной частоты f гртек и f G ;
б - от текущей граничной частоты f гртек и апертуры ∆e ;
Рисунок 3 – 3D - графики зависимости относительной погрешности БИ с
переменным временем усреднения
Далее в работе рассмотрено влияние каждого из параметров оптимизации
на результат функционирования УАРП и даны рекомендации по повышению
эффективности работы УАРП. Ниже приведены основные результаты
исследования:
− для достижения приемлемых результатов расчета текущей
граничной частоты f гртек величина f G должна в десятки раз
превышать f грmax . При этом величина ∆t не только определяет время
усреднения τ AC , но и задает максимальную граничную частоту,
которую может определить УАРП;
− значение f G напрямую на погрешность не влияет, а определяет
разброс коэффициента К для различных частот. Поскольку при
расчете f гртек используется одно единственное значение К для всего
частотного диапазона равное минимуму, то чем больше разброс
между Кmin и Кmax, тем выше погрешность;
− даже в статическом режиме (граничная частота постоянна)
расчетное значение текущей граничной частоты не постоянно, а
изменяется в определенном диапазоне. То есть наблюдается ложное
срабатывание устройства. Уменьшить количество ложных
var
срабатываний можно, установив допуск на изменение τ AC
иq;
− в динамическом режиме оба варианта УАРП решают поставленную
задачу. Однако в случае УАРП с переменным временем усреднения
на низких частотах в начальный момент времени наблюдается
существенное увеличение погрешности, которое с ростом f гртек
уменьшается. Данным эффектом можно пренебречь, поскольку
11
ошибка является положительной, а это значит, что полезный
сигнал всегда находится в полосе пропускания управляемого ФНЧ;
− на низких частотах (до 100 Гц) коэффициент К принимает большое
значение и существенно превышает свое минимальное значение в
данном частотном диапазоне, которое используется при расчетах
текущей граничной частоты. Это приводит к большим
погрешностям на низких частотах и в целом ухудшает эффект от
регулировки полосы пропускания. Для уменьшения погрешности
при работе УАРП в диапазоне частот до 100 Гц необходимо
выбирать коэффициент К отдельно;
− исключение влияния помехи типа «белого шума» на результат
работы УАРП возможно увеличением апертуры ∆e до значения
большего уровня помехи. Для защиты от влияния импульсных
помех необходимо применять дополнительные меры.
Алгоритм работы УАРП не ограничивает частотный диапазон, в котором
может применяться устройство. Максимальная граничная частота, которую
сможет определить УАРП, в основном будет определяться возможностями
элементной базы УАРП и управляемых ФНЧ.
Рассмотрены особенности реализации УАРП с дискретно-аналоговым
ФНЧ на базе ПАИС. Данный вариант является наиболее интересным с точки
зрения простоты управления частотой среза ФНЧ.
В четвертой главе рассмотрено применение УАРП в ИИС. В работе
показано, что наиболее целесообразно использовать УАРП в структуре КП
ИИС со сжатием данных. Это позволяет в целом улучшить качество работы
таких систем. При этом предложено два варианта КП с УАРП.
В первую очередь рассмотрен вариант использования УАРП в структуре
ИИС со сжатием данных методом автоматического изменения частоты
циклического опроса. В данном случае УАРП возможно использовать для
определения новой частоты опроса для каждого канала. При этом
результирующая частота опроса устанавливается по наиболее активному
каналу. Использование данного метода сжатия не позволяет добиться такого
же эффекта как при адаптивной дискретизации, однако имеет выигрыш по
сравнению с циклическим опросом и программно-адресными решениями.
Наиболее интересным
с практической точки зрения является
использование УАРП в структуре ИИС со сжатием данных методом адаптивной
дискретизации, поскольку этот метод позволяют работать в условиях
отсутствия априорных сведений о ширине спектра измерительного сигнала. Для
повышения помехоустойчивости и защиты от потери данных в процессе
передачи по каналу связи предложено осуществлять построение подобных
систем на базе стандарта промышленных сетей, например, CAN (Control Area
Network). На рисунках 4 и 5 представлены структуры КП и ИИС с адаптивной
дискретизацией на базе стандарта CAN соответственно, где БФС – блок
формирования сообщения согласно стандарту сети, БЗУ – буферное
запоминающее устройство, БЗП – блок защиты от переполнения БЗУ.
12
Рисунок 4 – Структурная схема КП в структуре ИИС с адаптивной
дискретизацией на базе стандарта CAN
Рисунок 5 – Структурная схема ИИС с адаптивной дискретизацией на базе
стандарта CAN
При этом с целью улучшения качества работы КП должны выполняться
неравенства
max
∆e ≥ s пом
,
(9)
∆e
>
∆s
max
где ∆e – апертура УАРП, ∆s – апертура АД, s пом
– максимальный уровень
помех. В общем случае АД может быть любого порядка, поэтому далее в работе
рассмотрены особенности применения АД более высоких порядков в
структуре КП. Выявлено, что наиболее оптимальным, с точки зрения порядка
аппроксимирующего полинома, может считаться алгоритм второго порядка.
Показано, что при выполнении условия (9) КП с УАРП всегда будет
обеспечивать более высокий коэффициент сжатия данных.
В приложении приведены лицевая панель программы разработанного
комплекса и блок-диаграммы (код программы на языке G).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
− показано, что для повышения помехоустойчивости информационноизмерительных систем в измерительных каналах целесообразно
использовать фильтры нижних частот с регулируемой частотой среза;
− произведена оценка эффективности использования подстройки частоты
среза фильтра нижних частот в соответствии с текущей граничной
частотой спектра полезного сигнала, что позволило количественно
оценить преимущество от применения в измерительном канале фильтра
нижних частот с автоматической регулировкой частоты среза;
− рассмотрена структура измерительного канала с управляемым фильтром
нижних частот, и показано, что в качестве такого фильтра целесообразно
13
−
−
−
−
−
использовать фильтр на переключаемых конденсаторах или ЦФ.
Определенны ограничения для диапазона в котором может изменять
частота среза SC-фильтров, рассмотрены погрешности возникающие в
результате изменения частоты среза фильтра и даны рекомендации по их
устранению;
исследованы существующие методы оценки граничной частоты спектра
сигнала. Выявлено, что при определении текущей граничной частоты
спектра сигнала следует использовать метод, основанный на его
динамических свойствах, поскольку это позволяет добиться приемлемой
точности и существенно упрощает аппаратную реализацию УАРП;
разработаны структуры и алгоритмы устройств для автоматической
регулировки полосы пропускания измерительного канала;
разработана программная модель УАРП, которая дает возможность
рассчитать оптимальные параметры для конкретных условий и оценить
эффективность работы устройств;
исследовано влияние параметров УАРП на погрешность определения
текущей граничной частоты полезного сигнала. Даны рекомендации по
повышению эффективности работы разработанных устройств;
исследованы вопросы применения УАРП в структуре КП ИИС со
сжатием информации. Показано, что применение УАРП в структуре КП
позволяет повысить эффективность сжатия данных зашумленных
сигналов.
ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Клопот М.М., Сарычев В.В. Восстановление аналоговых сигналов по их
дискретному представлению // Естественные и технические науки. –
Москва: Изд-во «Компания спутник +», 2009. –№1. – С. 238-242.
2. Галалу В.Г., Клопот М.М., Сарычев В.В. Сравнение эффективности
алгоритмов
нелинейной
фильтрации
импульсных
помех
//
Авиакосмическое
приборостроение.
–
Москва:
Изд-во
«НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ», 2009. – №5. С.32-38.
3. Галалу В.Г., Сарычев В.В., Клопот М.М. Оценка эффективности
цифровой фильтрации периодических и импульсных помех на основе
локальных статистик // Автометрия. – Новосибирск: Изд-во Сибирского
отделения РАН, 2009. – Т. 45. – №3. – С. 111 – 116.
4. Галалу В.Г., Клопот М.М. Цифровая фильтрация низкочастотных
сигналов в среде NI LabVIEW // Авиакосмическое приборостроение.
Москва: Изд-во «НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ», 2010 г. – №4. – С. 33-36.
5. Клопот М.М.,
Самойлов Л.К.
Особенности
совместной
работы
аналоговых ключей и АЦП // Известия ЮФУ. Технические науки. –
Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. – №1. – С. 73-77.
14
6. Клопот М.М., Самойлов Л.К. Автоматическая регулировка полосы
пропускания (постановка задачи, проблемы, реализация) // Известия
ЮФУ. Технические науки. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012. – №1. –
C. 19-25.
В других изданиях:
7. Клопот М.М., Сарычев В.В. Схемная реализация апертурного алгоритма
шумоподавления // Труды ХIII международной научно-технической
конференции «Радиолокация, навигация, связь». – Воронеж: НПФ
«САКВОЕЕ» ООО, 2007. – С. 384 – 390.
8. Клопот М.М., Сарычев В.В. О реализации апертурного
алгоритма
адаптивной дискретизации // Сборник докладов международной
конференции «Проблемы развития естественных, технических и
социальных систем». – Таганрог: Изд-во «Антон», ТТИ ЮФУ, 2007. –
Ч.4. – С. 68 – 71.
9. Галалу В.Г., Клопот М.М., Сарычев В.В. О выборе разрядности АЦП //
Труды
IХ
международной
научно-технической
конференции
«Современные информационные и электронные технологии». – Одесса:
Изд-во ОНПУ, 2008. – Т.1. – С. 179.
10.Клопот М.М., Сарычев В.В. Сравнение эффективности методических
способов повышения точности измерений // Сборник материалов I
Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы
развития информационных технологий» – Новосибирск: ЦРНС –
Издательство СИБПРИНТ, 2008. – С. 36 – 42.
11.Клопот М.М., Сарычев В.В. Оценка погрешности восстановления
сигналов после их сглаживания // Материалы международной научной
конференции «Информация, сигналы, системы: вопросы методологии,
анализа и синтеза». – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. – Ч.4. – C. 67 –
71.
12.Клопот М.М., Сарычев В.В. К вопросу о сглаживании при измерениях //
Известия ТТИ ЮФУ-ДонНТУ. Материалы IХ Международного научнопрактического семинара «Практика и перспективы развития партнерства
в сфере высшей школы». – Таганрог. Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. – №8. –
Кн.1. – С.181-186.
13.Клопот М.М., Сарычев В.В. Комбинированный способ восстановления
сигналов после их дискретизации // Материалы международной научной
конференции «Инновации в обществе, технике и культуре». – Таганрог:
Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. – Ч.3. – С. 72-77.
14.Клопот М.М. Об одном из способов повышения точности измерений //
Материалы II Всероссийской научной конференции молодых ученых,
аспирантов и студентов «Роль системотехники в инженерных
исследованиях». – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. – С. 32-34.
15
15.Клопот М.М. Об уменьшении ошибки восстановления сигналов после их
дискретизации // Сборник тезисов «Неделя науки – 2008». – Таганрог:
Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. – Т.2. – С. 104-107.
16.Клопот М.М. Вопросы использования информации адаптивных
квантователей по времени для повышения помехоустойчивости передачи
данных // Сборник тезисов «Неделя науки – 2009». – Таганрог: Изд-во
ТТИ ЮФУ, 2009. – С. 89-91.
17.Клопот М.М., Самойлов Л.К. Особенности использования SC-фильтров в
измерительном канале для случая автоматической регулировки полосы
пропускания // Сборник материалов III Международной научнопрактической конференций «Перспективы развития информационных
технологий». – Новосибирск: Издательсьтво НГТУ, 2011. – C. 16-20.
18.Клопот М.М. Адаптивная помехоустойчивая телеметрическая система //
Труды VII ежегодной научной конференции студентов и аспирантов
базовых кафедр Южного научного центра РАН. – Ростов-на-Дону: Изд-во
ЮНЦ РАН, 2011. – С. 158-159.
19.Клопот М.М. Устройство для автоматической регулировки полосы
пропускания SC-фильтров // Сборник тезисов и статей Всероссийской
научной школы «Микроэлектронные информационно-управляющие
системы и комплексы». – Новочеркасск: ЛИК, 2011. – С.3-5.
20.Клопот М.М. Устройство для автоматической регулировки полосы
пропускания измерительного канала // Труды VIII ежегодной научной
конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного
центра РАН. – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2012. – С. 176-177.
Патенты:
21.Импульсно-кодовая передающая система: пат. RU 2348112 С1
Рос. Федерация: МПК7 H04B 14/04, H03М 3/04 / Клопот М.М., Самойлов
Л.К., Сарычев В.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное
государственное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального образования «Южный федеральный университет». –
№ 2007121420/09; заявл. 07.06.2007; опубл. 27.02.2009, Бюл. № 6. – 8 с. :
ил.
22.Устройство для подавления шума в информационном сигнале: пат. № RU
2350022 С2 Рос. Федерация: МПК7 H04B 15/00, H04В 1/12 / Клопот М.М.,
Самойлов Л.К., Сарычев В.В.; заявитель и патентообладатель
Технологический
институт
Федерального
государственного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Южный федеральный университет» в г. Таганроге. – № 2007108225/09;
заявл. 05.03.2007; опубл. 20.03.2009, Бюл. № 8. – 11 с. : ил.
23.Система помехоустойчивости передачи данных: пат. 105550
Рос. Федерация: МПК7 H04B 15/00, H03Н 21/00 / Клопот М.М., Самойлов
Л.К.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное
автономное образовательное учреждение высшего профессионального
16
образования «Южный федеральный университет». – № 2010119282/09;
заявл. 13.05.2010; опубл. 10.06.2011, Бюл. № 16. – 2 с. : ил.
24.Устройство для подавления шума в информационном сигнале: пат.
105551 Рос. Федерация: МПК7 H04B 15/00, H03Н 21/00 / Клопот М.М.,
Самойлов Л.К.; заявитель и патентообладатель Федеральное
государственное автономное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Южный федеральный университет». –
№ 2010119281/09; заявл. 13.05.2010; опубл. 10.06.2011, Бюл. № 16. – 2 с. :
ил.
В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора
диссертации состоит в следующем: в [1, 13] – предложен и реализован
комбинированный алгоритм восстановления сигнала после адаптивной
дискретизации апертурным алгоритмом второго порядка в среде Mathcad; [2, 3]
– осуществлена разработка комбинированного фильтра на языке G в среде
LabVIEW и оценка эффективности его работы; [4] – проведен сравнительный
анализ ФНЧ с целью выявить оптимальный для подавления сетевой помехи
50 Гц и высокочастотных шумов; [5] – дана оценка статическим и
динамическим погрешностям аналоговых ключей и аналого-цифровых
преобразователей, а также их влиянию на процесс дискретизации; [6] –
рассмотрены вопросы определения величины текущей граничной частоты и
выбора частоты среза управляемого фильтра, проведено аналитическое
моделирование способа оценки текущей граничной частоты на основе
адаптивной дискретизации, предложена структурная схема устройства для
автоматической регулировки полосы пропускания;
[7] – синтезированы
условия для работы третьей ступени апертурного алгоритма адаптивной
дискретизации, предложена аппаратная реализация апертурного алгоритма; [8]
– предложена аппаратная реализация апертурного алгоритма обработки
аналоговых сигналов нулевого порядка; [9] – проведено натурное
моделирование, даны рекомендации по выбору разрядности АЦП; [10] –
проведен сравнительный анализ алгоритмов сглаживания сигналов, с целью
выявления наиболее оптимального, показаны недостатки и преимущества
рассматриваемых алгоритмов; [11] – разработана программная модель
алгоритма сглаживания сигнала, произведена оценка погрешности
восстановления сигнала; [12] – предложен алгоритм сглаживания сигнала и
разработана его программная модель в среде Mathcad; [17] – показано, что для
повышения помехоустойчивости информационно-измерительных систем в
измерительных каналах целесообразно использовать аналоговые фильтры
нижних частот с регулируемой частотой среза, выявлены особенности
использования SC-фильтров в качестве такого фильтра.
КЛОПОТ Михаил Михайлович
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ
ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Печать офсетная
1
Формат 60х84 16
Усл. п. л. – 1,0.
Заказ № ______
Подписано к печати ___.___.12.
Бумага офсетная.
Уч.-изд. л. – 1,0.
Тираж 100 экз.
“С”
_______________________________________________
Издательство Технологического института
Южного федерального университета
ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44
Типография Технологического института
Южного федерального университета
ГСП 17 А, Таганрог, 28, Энгельса, 1
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
148
Размер файла
378 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа