УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к электро- и радиоизмерительной технике и может быть использована для повышения чувствительности, точности измерения и помехозащищенности измерительной аппаратуры, в частности, при создании измерительно-диагностических микросистем (ИДС) для контроля параметров тормозной системы автотранспорта.
Известно устройство обработки при измерении малых уровней мощности импульсных сигналов аналогичного назначения, в котором поставленная цель достигнута тем, что устройство снабжено включенным на входе преобразователя ослабителем, управляемым генератором, периодически изменяющим коэффициент передачи сигнала по измерительному тракту в зависимости от величины входного сигнала, а в качестве измерителя использован измеритель амплитуд импульсов, поступающих с выхода преобразователя при двух различных значениях коэффициента ослабителя [1]. Однако это устройство обработки имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих его применение в ИДС технологического контроля тормозной системы автотранспорта:
- устройство предназначено для измерения и обработки лишь периодически повторяющихся сигналов с постоянной (установившейся) амплитудой, в то время, как, например, при диагностике привода тормозной системы автотранспорта значения выходного сигнала преобразователя меняются непрерывно в процессе измерения;
- временная и температурная нестабильность амплитудной характеристики ослабителя, а также ее нелинейность и технологический разброс от образца к образцу, приводящие к нестабильности установки коэффициента передачи сигнала на входе преобразователя, являются источниками значительных дополнительных погрешностей измерения;
- усложнение схемы и конструктивного оформления преобразователя и его подключения к органу управления тормозной системы автотранспорта.
- коэффициент передачи сигнала в ослабителе менее единицы, что нежелательно при измерении и обработке слабых сигналов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является устройство обработки импульсов [2].
Недостатком данного устройства обработки является то, что оно предназначено для обработки только больших уровней импульсного сигнала. Однако часто возникает необходимость обработки сигналов и очень малой амплитуды.
Полезная модель направлена на достижение технического результата - значительного увеличения чувствительности, динамического диапазона измерений и снижения погрешности измерения, т.е. повышения метрологических характеристик устройства.
Это достигается тем, что устройство обработки импульсов, содержащее усилитель импульсов и аналого-цифровой преобразователь, снабжено преобразователем-интегратором, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого является входом устройства обработки сигналов, первый выход преобразователя-интегратора соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, второй выход преобразователя-интегратора соединен со входом схемы фильтра высокой частоты (в.ч.), выход которого соединен с первым входом устройства выделения и обработки сигналов низкого уровня, выход которого соединен со входом выходного усилителя, выход которого соединен со входом второго аналого-цифрового преобразователя, выходы первого и второго аналого-цифровых преобразователей соединены с помощью информационных шин с первыми и вторыми входами микропроцессорнвычислительного устройства, первый выход которого соединен с входом индикаторного устройства, а второй -
со вторым входом устройства выделения и обработки сигналов низкого уровня.
Сущность полезной модели поясняется структурной электрической схемой предлагаемого устройства обработки сигналов, представленной на фиг.1, где обозначено:
1 - усилитель импульсов;
2 - преобразователь-интегратор,
3 - первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП1);
4 - фильтр высокой частоты (в.ч..);
5 - устройство выделения и обработки сигналов низкого уровня;
6 - выходной усилитель;
7 - второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП2);
8 - микропроцессорное вычислительное устройство;
9 - индикаторное устройства
На фиг.2 представлены эпюры напряжений, поясняющие работу тракта ИДС при использовании метода «нониуса».
Устройство обработки сигналов работает следующим образом. (рассмотрена работа устройства при использовании его в измерительно-диагностической системе контроля параметров тормозной системы автотранспорта ИГУ-1 и питании датчиков системы от источника переменного напряжения).
Переменный гармонический (синусоидальныой формы) сигнал поступает на вход устройства обработки сигналов. Усилитель импульсов 1 усиливает входной сигнал вместе с наложенными на него низкочастотными наводками (шумами). При этом минимальный уровень входного сигнала ограничивается суммарным уровнем шумов (наводок) как самого усилителя 1, так и источника сигнала, а максимальная его величина определяется динамическим диапазоном устройства обработки сигналов, в частности, разрядностью аналого-цифрового преобразователя 3, а также
максимальным коэффициентом усиления усилителя импульсов 1 в связи с возможным появлением при большом усилении паразитной генерации (возбуждения), что приводит к нестабильности работы устройства в целом. Кроме этого уровень низкочастотных шумов, в том числе собственных шумов усилителя 1, приводит к значительному увеличению погрешностей измерения (обработки) сигналов. Указанные ограничения, накладываемые на входной сигнал, снижают достоинства данного устройства обработки при использовании его в радиоизмерительной технике. Простое введение на входе устройства фильтра высоких частот для устранения низкочастотных шумов хотя и позволяет повысить чувствительность и точность обработки сигналов, но не решает проблемы из-за резкого ограничения динамического диапазона работы устройства обработки.
При высоких уровнях входного сигнала гармонический сигнал с выхода усилителя импульсов 1 поступает на преобразователь-интегратор 2, состоящего из фазового детектора, преобразующего гармонический сигнал в однополярные импульсы, и интегратор, осуществляющий преобразование этих импульсов в «квазипостоянное» напряжение, величина которого пропорциональна величине входного сигнала, и которое далее поступает на вход первого N-разрядного аналого-цифрового преобразователя 3 (АЦП1). С выхода последнего сигнал в виде двоично-десятичного кода по информационной шине подается на первый вход микропроцессорного вычислительного устройства 8 и после обработки в соответствии с алгоритмом - на индикаторное устройство 9.
При малых уровнях входного сигнала, соизмеримым с уровнем шумов, резко возрастают погрешности обработки сигнала и снижается помехозащищенность устройства. Необходимость значительного повышения чувствительности, снижения погрешностей обработки, а следовательно, и измерения и расширения динамического диапазона обработки сигналов, требуемые при создании целого ряда измерительной аппаратуры, в
и измерительно-диагностических систем контроля параметров узлов автотранспорта, обусловили некоторые усложнения данного устройства обработки импульсов и использования в нем т.н. метода «нониуса».
1
1 мин
2 мин
1 мин
зад.
зад
При использовании в устройстве обработки N-разрядного аналого-цифрового преобразователя 3 и условии, что это линейный преобразователь, микропроцессорное вычислительное устройство 8 после анализа сигнала при снижении амплитуды на входе устройства обработки до уровня U=U=KU, где К - коэффициент усиления усилителя 1, а U - уровень входного сигнала, соизмеримый с уровнем шумов входных каскадов системы, разрешает доступ сигнала со второго выхода, преобразователя-интегратора 2 на вход фильтра в.ч.. 4, где сигнал низкого уровня освобождается от низкочастотных наводок (шумов) в диапазоне частот до 200-300 Гц, являющихся источником основных погрешностей измерения сигналов малой амплитуды. Анализ в микропроцессорном вычислительном устройстве 8 в соответствии с алгоритмом производится по сравнению кодов аналого-цифрового преобразователя 3. При снижении уровня входного сигнала до определенной величины, но выше уровня шумов, соответствующей заданному значению U определяется максимальное значение младшего разряда кода АЦП1 "n",. когда сигнал на входе устройства обработки становится меньше заданной величины.
1 мax
1зад.
pазр.
зад.
U/U=N/n
зад
При снижении амплитуды сигнала на входе устройства обработки импульсов и соответственно максимального кодового значения до n, со второго выхода аналого-цифрового преобразователя 3 поступает команда на второй вход устройства выделения и обработки сигнала низкого уровня 5, на первый вход которого поступают импульсные сигналы в виде положительных полуволн гармонического сигнала с
выхода фильтра в.ч.. 4, которые преобразуются аналогично описанному выше в «квазипостоянное» напряжение, последнее дополнительно усиливается в выходном усилителе 6 до уровня, аналогичного уровню сигнала на входе аналого-цифрового преобразователя 3 при максимальном значении сигнала на входе устройства обработки импульсов, что иллюстрируется фиг.2. «Квазипостоянное» напряжение с выхода выходного усилителя 6 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 7, а с его выхода по информационной тине - на второй вход микропроцессорного вычислительного устройства 8. После соответствующей обработки микропроцессорное вычислительное устройство 8 выдает в соответствующих размерностях информацию о сигнале с дополнительного канала на индикаторное устройство.
Достигнутые результаты предлагаемой полезной модели проверены экспериментально на разработанном и изготовленном образце малогабаритной измерительно-диагностической системы контроля усилий на органах управления привода тормозной системы ИТУ-1, которые показали, что: чувствительность системы повысилась в 20 раз (удалось довести чувствительность при измерении механических усилий с 10Н до 0,5Н при сохранении заданных погрешностей измерения),
- погрешность измерения усилий от 0,5Н и выше снизилась в 6 раз,
- значительно расширен динамический диапазон измерения при сохранении заданных погрешностей с имевших место ранее 10Н-500Н до 0,5Н-500Н;
- повысилась помехозащищенность системы обработки, что обеспечило достаточно хорошую повторяемость результатов диагностики, особенно при малых уровнях сигналов.
Библиографические данные
1. Авт. свид. СССР №223191, кл. Н03К 5/01, 1968 г.
2. Авт. свид. СССР №121861, кл. Н03К 5/01, 1986 г.