СИСТЕМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Предполагаемая полезная модель относится к испытательной технике и может быть использовано для выделения полезных сигналов (например, ударных импульсов) из сопровождающего воспроизводимого случайного вибрационного процесса и последующего измерения параметров этих сигналов.
Аналогом предполагаемой полезной модели является канал оптимальной обработки одиночного сигнала, содержащий схемы фильтрации одиночного сигнала и формирования порогового уровня, а также устройства преобразования сигнала. Установленный на выходе анализатор определяет наличие в составе принятого входного колебания полезного сигнала или его отсутствие (см., например, В.К.Слока «Вопросы обработки радиолокационных сигналов», изд. «Советское радио», М., 1970 г., с-с 19-30).
Однако данное устройство предназначено только для обработки высокочастотных сигналов и для использования в вибрационной технике требует существенных конструктивных изменений, в частности, из-за различия диапазонов рабочих частот и особенностей преобразования исследуемых сигналов.
Аналогом-прототипом предполагаемой полезной модели является устройство (см., например, там же с.152, рис.6.4), содержащее последовательно соединенные фильтр доплеровской частоты, детектор, видео фильтр, каскад стробирования и измерительный канал. С выходом фильтра доплеровской частоты также соединена схема управления порогом, к выходу которой подключен вход схемы выделения максимума по времени запаздывания. Выход этой схемы подключен к управляемому входу каскада стробирования. Посредством такого подключения схема выделения максимума управляет каскадом стробирования. Результаты обработки сигнала поступают на входы измерителя частоты и времени запаздывания конкретного измерительного сигнала.
Известное устройство предназначено для обработки сигналов радиочастотного диапазона и для использования в виброизмерительной технике требует аппаратурной доработки из-за различия диапазонов рабочих частот и особенностей преобразования сигналов. Задачей предполагаемого изобретения является разработка устройства, обеспечивающего эффективное выделение полезных сигналов (например, ударных импульсов) из воспроизводимого случайного вибрационного процесса или случайных шумовых помех и последующего измерения параметров этих сигналов.
Сущность предполагаемой полезной модели состоит в том, что в систему обработки сигналов виброиспытательного комплекса, содержащую измерительный канал и последовательно соединенные каскад стробирования и частотный фильтр, введены компьютерный комплекс, формирователь апериодических колебаний, импульсный генератор, измеритель амплитуды сигнала, анализатор спектра, самописец, тиристорный каскад, инвертор.
При этом выход компьютерного комплекса соединен со входом формирователя апериодических колебаний, первый выход которого подключен ко входу виброиспытательного комплекса, выход которого соединен со входом измерительного канала. Выход измерительного канала подключен к первому входу стробирующего каскада, выход которого соединен со входом частотного фильтра, своим выходом подключенного ко входу измерителя амплитуды сигнала. Выход измерителя амплитуды сигнала одновременно соединен с первыми входами компьютерного комплекса и анализатора спектра, выходом подключенного ко входу самописца. Второй выход формирователя апериодических колебаний соединен со входом импульсного генератора, своими первым и вторым выходами подключенного соответственно ко второму входу стробирующего каскада и ко входу тиристорного каскада. Выход тиристорного каскада соединен со входом инвертора, выходом подключенного ко второму входу анализатора спектра. При этом выход самописца соединен с выходом системы обработки сигналов, вход которой подключен ко второму входу компьютерного комплекса.
При этом формирователь апериодических колебаний содержит триггер Шмитта, генератор синусоидальных сигналов, нулевой детектор, ждущий мультивибратор сброса, схему совпадения, дифференцирующую цепочку, согласующий усилитель, два ключа, два детектора и два ждущих мультивибратора. Выход компьютерного комплекса подключен ко входу триггера Шмитта, выходом одновременно соединенного со входом ждущего мультивибратора сброса и с первым входом первого ключа. Выход первого ключа одновременно соединен со входом нулевого детектора и с первым входом второго ключа. Второй вход первого ключа соединен с выходом генератора синусоидальных сигналов, а выход нулевого детектора подключен к первому входу схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом ждущего
мультивибратора сброса. Выход схемы совпадения соединен со входом дифференцирующей цепочки, выходом подключенной ко входу первого детектора, выходом соединенного со входом первого ждущего мультивибратора. Выход первого ждущего мультивибратора подключен ко входу второго ждущего мультивибратора, причем выход второго ждущего мультивибратора одновременно соединен со вторым входом второго ключа и входом второго детектора. При этом выход второго ключа соединен со входом согласующего усилителя, выходом подключенного к первому выходу формирователя. Выход второго детектора соединен со вторым выходом формирователя. Кроме того, первый вход формирователя апериодических колебаний подключен ко входу триггера Шмитта, а второй вход формирователя соединен с генератором синусоидальных сигналов.
Предполагаемая полезная модель обеспечивает выделение полезных сигналов (например, реализации ударных импульсов) из воспроизводимого широкополосного случайного процесса с выводом реализации выделенного полезного сигнала на компьютерный комплекс и измерение параметров этих сигналов. Это положительно влияет на точность воспроизведения ударных воздействий и улучшает качество проводимых виброиспытаний опытных образцов и серийных изделий. На фиг.1 представлена блок-схема системы обработки сигналов виброиспытального комплекса, на фиг.2 показана блок-схема формирователя апериодических колебаний, в приложении на фиг.1-12 приведены диаграммы сигналов, поясняющие принцип действия системы обработки сигналов.
Система содержит компьютерный комплекс 1, формирователь апериодических колебаний 2, виброиспытательный комплекс 3, измерительный канал 4, стробирующий каскад 5, частотный фильтр 6,
измеритель 7 амплитуды сигнала, анализатор 8 спектра, самописец 9, импульсный генератор 10, тиристорный каскад 11, инвертор 12.
Формирователь апериодических колебаний (см. фиг.2) содержит генератор 13 синусоидальных сигналов, триггер 14 Шмитта, ключ (первый ключ) 15, нулевой детектор 16, ждущий мультивибратор 17 сброса, схему 18 совпадения, дифференцирующую цепочку 19, детектор (первый детектор) 20, ждущие мультивибраторы 21 и 22, ключ (второй ключ) 23, согласующий усилитель 24 и детектор (второй детектор) 25.
В осуществленном варианте предполагаемой полезной модели применены следующие аппаратурные средства и элементная база:
- в качестве компьютерного комплекса 1:
цифровая система виброиспытаний Dactron (см. технические описания и инструкцию пользователя фирмы Dactron Inc. 1629 South Main Street Milpitas, CA 95035-6261 Web Site: www.dactron.com):
- в качестве виброиспытательного комплекса 3:
- задающее устройство для испытания на случайную вибрацию СПВ-2 (см., например «Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара», справочник под ред. В.В.Клюева т.2, «Машиностроения», М., 1978 г., с.с.168-185);
- усилитель мощности SPA-40K (см. паспорт завода-изготовителя 347905, г.Таганрог Ростовской обл., ул.2 Котельная 28, ООО «РОСТЕХ»);
- вибростенд Д40А (см., например справочник «Приборы и системы» под ред. В.В.Клюева т.2);
- в качестве измерительного канала 4:
- виброизмерительный интегрирующий усилитель 00028 (см. техническое описание фирмы VEB Robotron-Messlektronik Otto Shon Dresden издание 09.88);
- пьезоакселерометр КД-35 (см., например, «Пьезоэлектрические датчики ускорения» VEB Metra und Frequenztechnik Radebeul издания 10.81);
- стробирующий каскад 5 выполнен на биполярном транзисторе МП-42 (см. Я.С.Ицхоки, Н.И.Овчинников «Импульсные и цифровые устройства» изд. «Советское радио» М., 1972, с.518);
- в качестве частотного фильтра 6 - узкополосный фильтр 01013 (см. техническое описание VEB Robotron-Messlektronik Otto Shon Dresden издания 09.87);
- в качестве измерителя амплитуды сигнала 7 - индикаторный блок 02036 (см. техническое описание VEB Robotron-Messlektronik Otto Shon Dresden издания 06.88);
- в качестве анализатора 8 - анализатор спектра С4-73/1, входящий в состав аппаратурного комплекса СК4-72 (см. каталог «Радиоизмерительные приборы» М., 1997, АО «Московский завод измерительной аппаратуры» г.Москва 105523, ул.16-я Парковая, Д.30);
- в качестве самописца 9 - двухкоординатный самописец 622.01 (см. техническое описание ФЭБ «Мессаппаратеверк Шлотхайм вып.1983);
- в качестве импульсного генератора 10 - генератор Г5-26 (см. Г.П.Шкурин «Справочник по электро-электронно-измерительным приборам» изд. Оборониз М., 1972, стр.190);
- тиристорный каскад 11 выполнен на запираемом тиристоре 2У101Д (см. И.И.Дзюбин «Запираемые тиристоры и их применение» изд. «Энергия», М., 1974 с.с.12-17);
- инвертор 12 выполнен на биполярном транзисторе МП-37 (см. У.Титце, К.Шенк «Полупроводниковые схемотехники», издание «Мир», М., 1982, с.95).
В осуществленном варианте формирователя апериодических колебаний применены следующие аппаратурные средства и элементная база:
- в качестве генератора 13 синусоидальных сигналов-генератор ГЗ-112/1 (см. техническое описание завода-изготовителя ЕХЗ.268.042 ТО-ЛУ от 25.04.89 182100 Псковская область, г.Великие Луки, ул.Некрасова, д.18/7);
- триггер 14 Шмитта выполнен на микросхеме К 140УД1Б (см. У.Титце, К.Шенк «Полупроводниковая схемотехника» изд. «Мир», М., 1982, с.288, 308);
- ключи 15 и 23 выполнены на биполярных транзисторах МП-42 (см. У.Титце, К.Шенк «Полупроводниковая схемотехника» изд. «Мир», М., 1982, с.с.276-280);
нулевой детектор 16 выполнен на микросхеме К 140УД1Б (см. Г.В.Королев «Электронные устройства автоматики», М., «Высшая школа», 1983, с.128);
- ждущий мультивибратор 17 сброса выполнен на микросхеме К2ГФ182, серия 218 (см. «Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным микросхемам» изд. «Энергия», М., 1972, с.с.304-307);
- схема 18 совпадения выполнена на запираемом теристоре 2У101Д (см., например, И.И.Дзюбин «Запираемые теристоры и их применение», изд. «Энергия», М., 1974, с.с.12-17);
- дифференцирующая 19 цепочка и детекторы 20 и 25 выполнены в соответствии с литературными материалами по радиоэлектронике (см., например, A.M.Бонч-Бруевич «Радиоэлектроника в экспериментальной физике», изд. «Наука», М., 1966, с.с.506-510, 563-566);
- первый и второй ждущие мультивибраторы 21 и 22 выполнены в
соответствии с материалами, изложенными в литературе по импульсной технике (см., например, В.Гозлинг «Применение полевых транзисторов», изд. «Энергия», М., 1970, стр.103-104);
- в качестве согласующего усилителя 24 - узкополосный фильтр 01013 (см. техническое описание VEB Robotron-Messlektronik Otto Shon Dresden издания 09.87).
Все указанные выше аппаратурные средства и элементы импульсной техники соответствуют своему функциональному назначению.
Выход компьютерного комплекса 1 подключен ко входу формирователя 2 апериодических колебаний, первый выход которого соединен со входом виброиспытательного комплекса 3, выходом подключенного ко входу измерительного канала 4. Выход измерительного канала 4 соединен с первым входом стробирующего каскада 5, выход которого подключен ко входу частотного фильтра 6. Выход частотного фильтра 6 соединен со входом измерителя 7 амплитуды сигнала, выходом одновременно подключенного к первому входу компьютерного комплекса 1 и к первому входу анализатора 8. Выход анализатора 8 подключен ко входу самописца 9.
Второй выход формирователя 2 соединен со входом импульсного генератора 10, своими первыми и вторыми выходами подключенного соответственно ко второму входу стробирующего каскада 5 и ко входу тиристорного каскада 11. Выход тиристорного каскада 11 соединен со входом инвертора 12, выход которого подключен ко второму входу анализатора 8.
При этом выход самописца 9 соединен с выходом системы обработки м сигналов, вход которого подключен ко второму входу компьютерного комплекса 1.
Элементы, входящие в состав формирователя апериодических колебаний, имеют следующие взаимные связи (см. фиг.2).
Выход компьютерного комплекса 1 подключен ко входу триггера 14 Шмитта, выход которого одновременно соединен со входом ждущего мультивибратора 17 сброса и с первым входом первого ключа 15.
Второй вход первого ключа 15 соединен с выходом генератора 13 синусоидальных сигналов. Выход первого ключа 15 одновременно соединен со входом нулевого детектора 16 и с первым входом второго ключа 23. Выход нулевого детектора 16 подключен к первому входу схемы 18 совпадения, второй вход которой соединен с выходом ждущего мультивибратора 17. Выход схемы совпадения 18 подключен ко входу дифференцирующей цепочки 19, выходом соединенной со входом детектора 20. Выход первого детектора 20 подключен ко входу первого ждущего мультивибратора 21, выход которого соединен со входом второго ждущего мультивибратора 22. Выход второго ждущего мультивибратора 22 одновременно соединен со вторым входом второго ключа 23 и со входом второго детектора 25. Выход второго ключа 23 соединен со входом согласующего усилителя 24, выход которого подключен к первому выходу формирователя апериодических колебаний. Выход второго детектора 25 соединен со вторым выходом формирователя. Кроме того вход триггера 14 Шмитта соединен с первым входом формирователя апериодических колебаний, второй вход которого соединен с генератором синусоидальных колебаний.
Система обработки сигналов действует следующим образом (см. фиг.1 заявки и фиг.1-5 приложения).
1
Сигнал U в виде последовательности импульсов с выхода компьютерного комплекса 1 поступает на вход формирователя 2 и приводит его в действие.
1
Параметры сигнала U- форма, амплитуда, длительность, частота повторения и общее количество импульсов - задаются программно при первоначальной подготовке компьютерного комплекса. На первом
2
2
3
4
выходе формирователя 2 при его срабатывании создается сигнал U, представляющий собой апериодическое колебание, форма которого близка к полусинусоиде. Параметры этого сигнала (амплитуда, длительность, начальная фаза) устанавливаются при начальной настройке формирователя 2. С первого выхода формирователя 2 сигнал U поступает на вход виброиспытательного комплекса 3, где смешивается с широкополосным стационарным процессом, создаваемым задающим устройством комплекса 3. Этот совместный вибропроцесс воспроизводится входящим в состав виброиспытательного комплекса 3 вибростендом, который воспринимается измерительным каналом 4. Сигнал U с выхода измерительного канала 4 передается на первый вход стробирующего каскада 5. Со второго выхода формирователя 2 на вход импульсного генератора 10 поступает импульс U.
5
1
5
5
6
1
3
6
7
Этот импульс приводит генератор 10 в действие, при этом на первом выходе генератора создается сигнал U, имеющий форму прямоугольного импульса, длительность Δt которого может регулироваться в необходимых пределах. Кроме того импульсный генератор 10 допускает возможность регулирования задержки срабатывания, при которой передний фронт импульса U смещается в необходимых пределах. Импульс U с первого выхода генератора 10 поступает на второй вход стробирующего каскада 5. Эта операция открывает стробирующий каскад 5, нормальное состояние которого закрытое. При этом на выходе стробирующего каскада 5 формируется сигнал U, представляющий ограниченную по длительности до величины Δt часть сигнала U, присутствующего на входе стробирующего каскада 5. Сигнал U с выхода стробирующего каскада 5 поступает на вход частотного фильтра 6, ограничивающего полосу частот этого сигнала. На выходе частотного фильтра 6 создается сигнал U, по форме и
3
длительности близкий к ударно-импульсной составляющей исходного сигнала U.
1
7
Совместная работа и взаимодействие указанных выше компьютерного комплекса 1, формирователя апериодических колебаний 2, виброиспытательного комплекса 3, измерительного канала 4, стробирующего каскада 5, частотного фильтра 6 и импульсного генератора 10 показаны на фиг.1 и 2 приложения временными диаграммами сигналов U-U.
7
7
2
Сигнал U с выхода частотного фильтра 6 поступает на вход измерителя 7 амплитуды сигнала, при этом производится оценка амплитудного значения сигнала, подвергнутого стробированию и фильтрации. Полученный при данном измерении результат измерения сигнала U используется при необходимости для корректировки исходного сигнала U, создаваемого формирователем апериодических колебаний 2.
7
7
7
8
1
8
9
9
С выхода измерителя 7 сигнал U передается одновременно на первые входы компьютерного комплекса и анализатора 8. Компьютерный комплекс производит предусмотренную программой обработку сигнала U. Результат, полученный при обработке одного из характерных ударных импульсов представлен на фиг.З. Анализатор 8 производит измерения спектрального состава сигнала U. Работой анализатора 8 управляет тиристорный каскад 11, действующий совместно с инвертором 12. На вход тиристорного каскада 11 со второго выхода импульсного генератора 10 поступает сигнал U, представляющий собой прямоугольный импульс отрицательной полярности длительностью Δt. Входная цепь тиристорного каскада 11 преобразует задний фронт импульса U в короткий импульс U положительной полярности, который приводит тиристорный каскад в действие. В первоначальном положении, т.е. до появления импульса U на входе, напряжение на
9
10
10
11
11
выходе тиристорного каскада 11 равно нулю. Под воздействием импульса U тиристорный каскад 11 срабатывает и на его выходе появляется сигнал U, представляющий собой положительный потенциал. Этот потенциал передается на вход инвертора 12, который до приема сигнала U находится в состоянии отсечки, когда на его выходе присутствовало положительное напряжение такой же величины (сигнал U). После того, как сигнал U с выхода тиристорного каскада 11 поступил на вход инвертора 12, последний изменяет свое состояние на противоположное, при котором на выходе создается потенциал, равный нулю.
8
11
Взаимодействие импульсного генератора 10, тиристорного каскада 11 и инвертора 12 показано на фиг.4 временными диаграммами сигналов U-U.
11
7
2
Передача нулевого потенциала (сигнал U) с выхода инвертора 12 на второй вход анализатора 8 спектра приводит к прекращению анализа сигнала U в момент t, когда закончено формирование выборки, подлежащей спектральному анализу. Полученный в итоге этой операции результат остается в памяти анализатора 8 и затем передается на вход самописца 9 для регистрации в спектральных единицах измерения.
8
9
Возврат тиристорного каскада 11, инвертора 12 и анализатора 8 в первоначальное состояние производится посредством изменения полярности импульса U, создаваемого импульсным генератором 10. При этом изменяется полярность импульса U, поступающего в цепь управления тиристорного каскада 11. Это возвращает тиристорный каскад 11 и инвертор 12 в первоначальное состояние, на втором входе анализатора 8 спектра появляется сигнал логической единицы, происходит стирание в цифровой памяти анализатора 8 спектра предыдущего результата. Тем самым анализатор 8 спектра приводится в состояние готовности к приему следующего сигнала.
7
7
Выход самописца 9 представляет выход системы обработки сигналов в целом, т.к. получаемая при работе самописца спектрограмма содержит характеристики сигнала U в частотной области. В качестве примера на фиг.5 представлена спектрограмма подобного рода, полученная при реальной работе действующей системы. Характеристики исследуемого сигнала во временной области (в частности, амплитуда и длительность) определяются по результатам обработки сигнала U программными средствами компьютерного комплекса.
7
1
Первый вход компьютерного комплекса 1 образует устройство, непосредственно принимающее исследуемый сигнал U. Второй выход компьютерного комплекса образует штатные средства управления компьютером, при помощи которых, в частности, на вход формирователя 2 апериодических колебаний передаются тактовые импульсы U.
1
1
12
12
12
14
13
1
Работа формирователя апериодических колебаний в составе системы обработки сигналов происходит следующим образом (см. фиг.2 заявки и фиг.6-12 приложения). Сигнал U, представляющий собой тактовый импульс прямоугольной формы, с выхода компьютерного комплекса 1 поступает на вход триггера Шмитта 14. Триггер Шмитта преобразует импульсный сигнал U повторяя его форму и длительность, в напряжение U, величина которого необходима для работы подключенных к выходу триггера 14 Шмитта устройств. Сигнал U с выхода триггера Шмитта одновременно поступает на первый вход ключа 15 и на вход ждущего мультивибратора 17 сброса. На второй вход ключа 15 с выхода генератора 13 синусоидальных сигналов поступает сигнал 11]з. Под воздействием напряжения U ключ 15 открывается и пропускает на выход выборку U, представляющую собой часть сигнала U, ограниченную временным промежутком Δt.
Взаимодействие триггера 14 Шмитта, генератора 13 синусоидальных сигналов и ключа 15 представлено на фиг.6 и 7 временными
12
13
14
14
14
15
15
1
5
14
15
15
1
16
диаграммами сигналов U, U, U. Сигнал U с выхода ключа 15 одновременно поступает на вход нулевого детектора 16 и на первый вход ключа 23. Как показано на графиках фиг.7 и 8, нулевой детектор 16 преобразует синусоидальную последовательность сигнала U в напряжение прямоугольной формы U типа «меандр». Формирование фронтов сигнала U происходит в момент времени t-t, соответствующие точкам пересечения линии нуля сигналом U. Напряжение U с выхода нулевого детектора 16 поступает на первый вход схемы 18 совпадения. При этом первый положительный (передний) фронт сигнала U, соответствующий моменту t, вызывает однократное срабатывание схемы 18 совпадения, создавая на ее выходе перепад напряжения U.
12
17
6
12
17
16
15
Импульсный сигнал U, передаваемый с выхода триггера 14 Шмитта на вход ждущего мультивибратора 17 сброса, вызывает его срабатывание. При этом на выходе ждущего мультивибратора 17 сброса создается импульсный сигнал U. Как этот показано на фиг.9, срабатывание ждущего мультивибратора 17 происходит в момент t по заднему фронту импульса U. Импульс U с выхода ждущего мультивибратора 17 сброса поступает на второй вход схемы 18 совпадения. Это вызывает появление на выходе схемы 18 отрицательного перепада напряжения, при этом по существу на выходе этой схемы формируется задний фронт импульса U. Тем самым осуществляется сброс схемы 18 совпадения в первоначальное состояние, при котором она готова к приему следующей импульсной последовательности U.
16
18
16
18
Сигнал U с выхода схемы 18 совпадения поступает на вход дифференцирующей цепочки 19, вызывая появление на ее выходе двух разнополярных импульсов U, создаваемых передним и задним фронтами импульса U. Сигнал U с выхода дифференцирующей
18
цепочки 19 передается на вход детектора 20, который на своей выход пропускает только положительную составляющую сигнала U.
16
18
19
19
1
20
2
20
20
21
3
21
14
Взаимодействие схемы 18 совпадения, дифференцирующей цепочки 19 и детектора 20 показано на фиг.10 диаграммами сигналов U, U, U. Импульсный сигнал U, с выхода детектора 20 передается на вход ждущего мультивибратора 21, вызывая срабатывание в момент t, причем создаваемый на выходе ждущего мультивибратора 21 импульс U имеет длительность Δt, которая регулируется в требуемых пределах. Импульс U поступает на вход ждущего мультивибратора 22, который срабатывает по заднему фронту импульса U. При этом на выходе ждущего мультивибратора 22 создается импульс U, длительность Δt которого также регулируется в необходимых пределах. Импульс U с выхода ждущего мультивибратора 22 передается вход детектора 25 и второй вход ключа 23, на первый вход которого с выхода ключа 15 поступает синусоидальная последовательность U.
21
21
2
20
22
3
20
22
22
22
24
22
24
Под воздействием импульса U ключ 23 открывается, причем операция отпирания ключа 23 происходит по переднему фонту импульса U. Выбор длительности Δt импульса U на выходе ждущего мультивибратора 21 обеспечивает необходимую начальную фазу сигнала U на выходе ключа 23. Аналогично выбор длительности Δt импульса U на выходе ждущего мультивибратора 22 обеспечивает необходимую длительность сигнала U. Показанная на фиг.11 диаграмма сигнала U представляет апериодическое колебание, форма которого близка к полусинусоиде. Сигнал U с выхода ключа 23 передается на вход согласующего усилителя 24. Согласующий усилитель обеспечивает необходимую регулировку амплитуды и корректировку формы сигнала U, передаваемого с выхода усилителя 24 на первый выход формирователя апериодических колебаний. Сигналы U и U показаны на фиг.12. Детектор 25, на вход которого с выхода ждущего
21
23
мультивибратора 22 поступает импульсный сигнал U, преобразует передний фронт этого импульса в короткий импульс U, который с выхода детектора 25 передается на второй выход формирователя апериодических колебаний.