Моделирование работы многоканального нониусного измерителя «Время-код» с оперативной калибровкой

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

УДК 681.3

С. А. Смагин

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ МНОГОКАНАЛЬНОГО НОНИУСНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ «ВРЕМЯ-КОД» С ОПЕРАТИВНОЙ КАЛИБРОВКОЙ

S. A. Smagin

MODELING OF MULTICHANNEL VERNIER METER «TIME CODE» WORK WITH OPERATIONAL CALIBRATION

Аннотация. Описана модель многоканального нониусного измерителя (МНИ) временных интервалов «время-код» с оперативной калибровкой, учитывающая особенности работы узлов измерителя, которые приводят к снижению точности результатов измерений. Предложен метод компенсации инструментальной погрешности МНИ с использованием алгоритма сингулярно-спектрального анализа «Гусеница».

Abstract. A model of multichannel Vernier meter of «time code» time intervals with the operational calibration is described in this article. The model takes into account features of working nodes of the meter that decreases accuracy of measurement results. It is proposed the method of compensation instrumental error using the algorithm of the singularspectralanalysis «Caterpillar»

Ключевые слова: «Гусеница», многоканальный нониусный измеритель, джиттер, инструментальная погрешность.

Key words: caterpillar, multi Vernier meter, jitter, instrumentalerror.

Одной из причин возникновения ошибок в системах цифровой передачи данных являются временные искажения (джиттер) передаваемого сигнала, которые заключаются в смещении (сдвиге) временного положения сигнала относительно середины окна детектирования. Причиной таких искажений являются интерференционные искажения и шумы [1].

Для контроля джиттера цифровых систем передачи могут быть использованы скоростные многоканальные нониусные измерители временных интервалов [2, 3], основными достоинствами которых являются высокая точность и быстродействие при низкой стоимости. Однако собственные нестабильности нониусных и опорных генераторов могут существенно исказить результат измерений. Для компенсации инструментальной ошибки было предложено использовать калибровочный тракт [4]. Как было показано в работе [5], собственный джиттер измерителя имеет сложную структуру и состоит из квазидетерминированной и чисто случайной компонент. Для повышения точности измерителя необходимо выделить из калибровочного сигнала квазидетерминированную компоненту и выполнить корректировку полезного сигнала на квазидетерминированную компоненту.

Рассмотрим организацию калибровочных измерений для преобразователя с двумя нони-усными каналами преобразования (НКП). Упрощенная схема такого устройства представлена на рис. 1.

2014л№3(_9^

Рис. 1. Структура традиционного нониусного АЦП ВИ для измерения одиночных временных интервалов

В этом преобразователе калибровочные и рабочие преобразования разделяются во времени. Порядок выполнения рабочих и калибровочных преобразований для случая измерения последовательности смежных временных интервалов (ВИ) приведено на рис. 2.

Рис. 2. Совмещение калибровки и рабочего преобразования

Первый импульс, задающий начальную границу измеряемого ВИ Т1, запускает первый (К1) и второй (К2) каналы преобразования, при этом результат работы канала К1 используется для рабочего преобразования, а К2 - для калибровочного. Второй импульс, отмечающий конечную границу Т1, одновременно запускает канал К2 на измерение, а К1 - на калибровку. На рис. 2 калибровка успевает завершиться до прихода в канал очередного импульса, что справедливо при минимальном значении мгновенного периода М1Ы(Т1) > Т'щ * К, где Тщ - период нониусного генератора; К - коэффициент интерполяции.

В результате работы измерителя будут получены два массива данных:

1) массив полезных измерений;

2) массив калибровочных измерений.

Рассмотрим модель работы нониусного генератора в пакете МаШСАБ [6].

Пусть нестабильности параметров каналов нониусного измерителя описываются следующими параметрами:

Канал 1. Пусть периодическая нестабильность периода нониусного генератора:

уппЬ = 0,001сО81 -2^1 1100

а случайная задержка запуска нониусного генератора:

8Н1 = гпогт

Канал 2. Пусть нестабильность периода нониусного генератора содержит как гармоническую

( 2п1 ^ 0 02 * I

составляющую, так и линейный тренд - упп2, = 0.0025*со81------------------------------V 0.0001 I — -. Случайная

^150 ) 1000

задержка запуска канала: 8Н 21 = гпогш(ко1 +1,0.16,0.001).

Период работы второго канала Тп^ 2г = Tngl (1 -упп21).

Форма мгновенного периода нониусных генераторов представлена на рис. 3.

Рис. 3. Периоды работы каналов нониусного измерителя

53

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

На вход НИ подается импульсная последовательность, мгновенный периода промоду-лирован двумя гармоническими составляющими, как показано на рис. 4:

Tvht = Tnom(1 -ynht -yvhvt),

где

Tnom = 1,1 -10-6; yvh = yvhv + yvhn; yvhnt = Avhn - sin(2ія0,1); yvhvi = Avhn - sin(2/я0,01). График входного сигнала представлен на рис. 4.

Рис. 4. График входного сигнала

Работа НИ в режиме рабочего измерения реализована в виде процедуры капа1 в среде МаШСАБ (рис. 5). На вход данной процедуры подаются исходный сигнал и параметры, определяющие работу канала.

Рис. 5. Код процедуры капаї

На выходе процедуры капаї мы получаем три массива данных:

1) набор кодов N0;

2) набор кодов N1 - число тактов работы нониусного измерителя в канале п от момента прихода информационного импульса до начала следующего такта опорного генератора;

54

2014,№3,

55

3) набор кодов N2 - число тактов работы нониусного измерителя в канале п от момента завершения такта ОГ до завершения импульса входного сигнала.

Формирование калибровочного сигнала выполняется по процедуре ^_каЛЬг, представленной на рис. 6.

Рис. 6. Формирование калибровочного сигнала

В результате работы нониусного измерителя в режиме калибровки формируется калибровочный сигнал Ьк1, который содержит информацию о внутреннем джиттере измерителя (рис. 7). Как видно из рисунка, калибровочный сигнал носит случайный характер.

Рис. 7. Калибровочные измерения

Для выделения квазидетерминированной составляющей инструментальной погрешности используется алгоритм сингулярно-спектрального анализа «Гусеница». Суть метода «Гусеница» состоит в преобразовании одномерного ряда в многомерный с помощью однопараметрической сдвиговой процедуры (отсюда и название «Гусеница»), исследовании полученной многомерной траектории с помощью анализа главных компонент (сингулярного разложения) и восстановлении (аппроксимации) ряда по выбранным главным компонентам [7, 8].

Таким образом, результатом применения метода является разложение временного ряда на простые компоненты: медленные тренды, сезонные и другие периодические или колебательные составляющие, а также шумовые компоненты.

Полученное разложение служит основой прогнозирования как самого ряда, так и его отдельных составляющих.

На рис. 8 показаны существенные компоненты, на основании которых выполняется восстановление квазидетерминированной компоненты джиттера. КотрО - медленноменяющийся тренд; котр1, котр2 - периодические компоненты; Ош - итоговая квазидетерминированная компонента.

0.4|---------------------------1--------------------------1-------------------------1--------------------------г

0 200 400 600 SOO 1х103

.0, i 1000

Рис. 8. Калибровочные измерения

На рис. 9 представлен график ошибки работы НИ. Под ошибкой понимается отклонение измеренного сигнала от исходного.

200 400 600 S00 1жЮ3

157.329 і 1000

Рис. 9. График ошибки работы НИ

Данная ошибка описывается следующими параметрами: мат. ожидание---------0,142, дис-

персия - 0,883. Выполнив корректировку ошибки на квазидетерминированную компоненту, мы получим: мат. ожидание - 0,02, дисперсия - 0,862. Оценить эффект от «Гусеницы» можно, построив спектр ошибки (см. рис. 9). Как мы видим из рис. 10, «Гусеница» выделила и подавила низкочастотную компоненту, не изменив при этом оставшуюся часть сигнала.

Данный результат получен при длине окна «Гусеницы» Ь = 512. Изменяя длину «Гусеницы», можно подбирать точность выделения квазидетерминированной компоненты исходя из требований, предъявляемых к точности.

2014,№3(9j

0.3

.0.277,

*0.1

.1.415x10 ,

О

10

100

1x10-

.3

200

Рис. 10. Спектр общей погрешности до

В результате обработки данных с помощью «Гусеницы», мы выделили квазидетермини-рованную компоненту джиттера. Для выделения нам потребовалось минимальное количество исходных. «Гусеница», обладая адаптивными свойствами в отличие от ФАПЧ не требует перенастройки после изменения параметров ошибки и сигнала.

1. Бакланов, И. Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях / И. Г. Бакланов. - М. : ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998. - 140 с.

2. Гурин, Е. И. Построение скоростных высокоточных преобразователей временных параметров серий импульсных последовательностей / Е. И. Гурин, Н. Н. Коннов // Автометрия. - 1997. - № 6. - С. 102.

3. Нониусный измеритель временных интервалов на ПЛИС / Е. И. Гурин, Л. Е. Дятлов, Н. Н. Коннов, К. В. Попов, А. В. Севастьянов // Приборы и техника эксперимента. -2004. - № 4. - С. 44-48.

4. Пат. на изобретение 2255366 Российская Федерация. Устройство для измерения серий временных интервалов / Гурин Е. И., Дятлов Л. Е., Коннов Н. Н., Севастьянов А. В. -

5. Смагин, С. А. О применении метода «Гусеница» для выделения квазидетерминирован-ной компоненты джиттера в каналах связи / С. А. Смагин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 37-46.

6. Диаконов, В. МаШСАБ 11/12/13 в математике : справочник / В. Диаконов. - М. : Горячая Линия - Телеком, 2007. - 500 с.

7. Голяндина, Н. Э. Метод «Гусеница» - 88А: анализ временных рядов : учеб. пособие / Н. Э. Голяндина. - СПб. : Изд-во СПбГУ, 2004. - 76 с.

8. Коннов, Н. Н. Применение алгоритма «Гусеница» для коррекции инструментальной погрешности нониусных измерителей временных интервалов / Н. Н. Коннов, С. А. Смагин // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - Т. 1. - С. 284-288

Смагин Сергей Александрович Smagin Sergey Aleksandrovich

ведущий специалист, leading specialist,

департамент по внедрению BPM систем department of business performance

E-mail: semasmagin@gmail.com

Список литературы

02.02.2004.

УДК 681.3 Смагин, С. А.

Моделирование работы многоканального нониусного измерителя «время - код» с оперативной калибровкой / С. А. Смагин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 3 (9). -С. 52-57.