ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СНІГУР АНАТОЛІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 681.518.5:615.814.1

ВИСОКОТОЧНА ШВИДКОДІЮЧА ІВС ОПРАЦЮВАННЯ СТРИБКОПОДІБНИХ СИГНАЛІВ НА БАЗІ АЦП ІЗ ВАГОВОЮ НАДЛИШКОВІСТЮ

Спеціальність 05.11.16 – Інформаційно-вимірювальні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Азаров Олексій Дмитрович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри обчислювальної техніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Володарський Євген Тимофійович,

Національний технічний університет України “КПІ”,

професор кафедри автоматизації експериментальних досліджень

кандидат технічних наук, доцент

Єременко Володимир Станіславович,

Національний авіаційний університет України,

доцент кафедри інформаційно-вимірювальних систем

Захист відбудеться „. 29 ”. вересня 2007 р. о . 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК, к. 210.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розіслано „. 23 ” . серпня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С.В. Павлов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На точність та швидкодію інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) опрацювання стрибкоподібних сигналів значний вплив здійснює розробка та подальший розвиток методів коригування статичних та компенсації динамічних похибок їх вимірювальних каналів (ВК). За допомогою ІВС опрацювання зазначених сигналів здійснюється пошук корисних копалин у сейсморозвідці, оцінювання акустичної якості приміщення, аналіз параметрів звукових трактів та визначення стану здоров’я людини (за рівнями таких сигналів, отриманих з точок акупунктури).

На теперішній час методи підвищення точності та швидкодії існуючих систем для опрацювання стрибкоподібних сигналів є складними і пов’язані із введенням до структури ІВС додаткової прецизійної апаратури. При цьому у ВК таких систем як правило використовуються двійкові перетворювачі інформації (ПІ), в яких виникають динамічні похибки першого та другого роду при кодуванні сигналів. Щодо інших елементів каналу, окрім ПІ, то можна зазначити, що додатково мають місце похибки комутатора (К) каналів ІВС. Така ситуація може призводити до істотних похибок вимірювань.

Враховуючи наведене вище, а також те, що метрологічні характристики систем залежать від точносних параметрів їх “ядра” – аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), до таких перетворювачів висуваються досить високі вимоги. Водночас в АЦП порозрядного врівноваження із ваговою надлишковістю, зокрема, у формі надлишкових позиційних систем числення (НПСЧ), є можливість коригувати статичні і компенсувати динамічні похибки першого і другого роду. Ця обставина дозволяє також коригувати статичні і компенсувати динамічні похибки ВК ІВС за умови, що до структури системи введено вказаний ПІ. Слід зазначити, що у теперішній час такий підхід є недостатньо відпрацьованим і тому напрям, пов’язаний із використанням при розробці високоточної швидкодіючої ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів є актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати наукових розробок та експериментальних досліджень, які здійснювались протягом 2002-2007 років згідно з науковим напрямком кафедри обчислювальної техніки Вінницького національного технічного університету, а також виконання науково-дослідних програм ,,Дослідження принципів використання інформаційної надлишковості для підвищення точності та швидкодії аналого-цифрового перетворення” №58-Д-201 (номер держ. реєстрації 0199U003435) та ,,Розробка теорії високоефективних вимірювальних та обчислювальних засобів на базі надлишкових позиційних систем числення” №58-Д-247 (номер держ. реєстрації 0102U002265).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення точності і швидкодії вимірювального каналу ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів за рахунок коригування статичних і компенсації динамічних похибок першого та другого роду, що досягається введенням до його структури АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується.

Для досягнення вказаної мети необхідно здійснити розв’язання таких задач:

-

-

-

-

-

-

-

Об’єкт дослідження – процес впливу статичних і динамічних похибок вимірювального каналу ІВС, а також чинників навколишнього середовища на підсумкову похибку вимірювання інформативних параметрів стрибкоподібних сигналів, за умови, що до складу системи введено АЦП із ваговою надлишковістю, який самокалібрується, і дозволяє періодично відновлювати метрологічні характристики.

Предмет дослідження – високоточна швидкодіюча ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів на основі порозрядного АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується.

Методи дослідження – базуються на використанні: теорії інформації, аналого-цифрового перетворення, зокрема, на основі надлишкових позиційних систем числення для аналізу шляхів підвищення точності та швидкодії порозрядних АЦП; теорії похибок при аналізі статичних похибок для визначення можливостей підвищення достовірності опрацювання стрибкоподібних сигналів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше запропоновано метод коригування похибок комутатора вимірювального каналу ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів, що дозволяє зменшити загальну інструментальну похибку каналу та підвищити точність вимірювань.

2. Вдосконалено метод підвищення точності ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів, який відрізняється від існуючих тим, що базується на введенні до структури вимірювального каналу системи як “ядра” – порозрядного АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується, та включенням його у контур коригування похибок каналу.

3. Вдосконалено метод підвищення швидкодії ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів, який відрізняється від існуючих тим, що базується на компенсації динамічних похибок першого та другого роду у вимірювальному каналі шляхом уведення до його структури порозрядного АЦП із ваговою надлишковістю.

4. Дістали подальшого розвитку математичні моделі динамічних похибок другого роду, що виникають у вимірювальному каналі під час змінення вхідних сигналів, і які можна значно зменшити (на 1-2 порядки) за рахунок їх компенсації у порозрядному АЦП, що входить до складу ІВС.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що отримані нові наукові результати і теоретичні положення дозволили:

-

-

-

-

-

Основні положення, рекомендації та висновки впроваджено: в Національній радіокомпанії (Україна), на підприємстві “Cі Технолоджі Інструментс” (Росія), другій Вінницькій міській поліклініці, Центрі нетрадиційної медицини у м. Вінниці, у навчальний процес кафедри обчислювальної техніки у Вінницькому національному технічному університеті.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві і наведених у списку опублікованих праць за темою дисертації, здобувачу належать такі ідеї і розробки: [1] – запропоновано підхід підвищення швидкодії ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів, подальшого розвитку дістали математичні моделі динамічних похибок другого роду, розроблено моделюючу програму процесу компенсації даних похибок; [2] – запропоновано підхід підвищення точності комутатора та ІВС, розроблено системи для сейсморозвідки, акустичних вимірювань; [3,4] – розроблено математичні моделі стрибкоподібних сигналів; [5,6] – розроблено ІВС для опрацювання сигналів з точок акупунктури людини; [7] – розроблено рекомендації щодо структурної організації каналів ІВС; [8] – запропоновано спростити вимірювальний канал системи; [9] – розроблено програмне забезпечення для здійснення оцінювання параметрів стрибкоподібних сигналів, блок попереднього аналізу і вибору точок акупунктури; [10,11] – розроблено рекомендації для вибору аналогових вузлів вимірювального каналу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на 8 науково-технічних конференціях, а саме на: ІХ Міжнародній науково-технічній конференції ,,Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький, 2002 р.); ІІІ Міжнародній конференції ,,ФОТОНІКА – OДС-2005” (м. Вінниця, 2005 р.); науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки-2006” (м. Київ, 2006 р.); ІV Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених ,,Шевченківська весна-2006” (м. Київ, 2006 р.); ІV Міжнародній науковій конференції студентів та молодих вчених “Політ-2006” (м. Київ, 2006 р.); V Всеукраїнській конференції молодих науковців ІТОНТ-2006 (м. Черкаси, 2006 р.); І науково-технічній конференції “ІММ-2006” (м. Суми, 2006 р.); І міжнародної науково-практичній конференції “Методи та засоби кодування, захисту й ущільнення інформації” (м. Вінниця, 2007 р.)

Публікації. За підсумками наукових досліджень опубліковано 18 праць, з яких 9 статей у науково-технічних журналах, що входять до переліку періодичних фахових видань, затверджених ВАК України, 1 патент на корисну модель, 8 статей у збірниках матеріалів і тезах доповідей науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та вісьми додатків. Повний обсяг дисертації складає 258 сторінок, основний зміст викладено на 147 сторінках друкованого тексту, містить 73 рисунки та 7 таблиць. Список використаних джерел складається з 179 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунто7вано актуальність теми дисертації, зазначено зв’язок з науковими програмами, планами та темами, сформульовано мету та задачі дослідження. Також охарактеризовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, наведено інформацію про впровадження результатів роботи, їх апробацію та публікації.

У першому розділі наведено класифікацію стрибкоподібних сигналів, проаналізовано сучасний стан, а також розглянуто класифікацію та стурктури ІВС (рис.1) для опрацювання зазначених сигналів. Тут Д – давач, П – підсилювач,

Рис. 1. Приклад структури багатоканальної ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів з окремим АЦП на канал

ПВЗ – пристрій вибірки і зберігання, ЦК – цифровий комутатор, ЦОП – цифровий обчислювальний пристрій, БК – блок керування, у1, у2 – сигнали керування, ПК – персональний комп’ютер, цифрами І … k – позначені номера каналів.

Показано, що методи підвищення точності та швидкодії існуючих систем для опрацювання стрибкоподібних сигналів або занадто складні, пов’язані із введенням до структури ІВС додаткової апаратури, або базуються на використанні більш досконалої елементної бази. Так, наприклад, для підвищення швидкодії системи, до складу ВК можуть вводитися: блок контролю напруги, пристрій визначення полярності контрольної напруги, аналоговий суматор, блок керування та певна кількість схем порівняння.

Також показано, що у математичних моделях, які використовуються для подальшого оцінюваня параметрів стрибкоподібних сигналів, в деяких випадках не враховується ряд їх реальних особливостей, наприклад, наявність у них “піків”.

Проведено аналіз роботи систем, зокрема, за польових умов. В результаті аналізу показано, що при функціонуванні ІВС у польових умовах спостерігається вплив на апаратуру факторів зовнішнього середовища, а саме температури, вологості тощо. Додатково як фактор впливу може виступати природній процес старіння елементів. При цьому недостатньо уваги приділяється питанню стабільності метрологічних характеристик ІВС, це може призвести до похибок у вимірюванні.

Розглянуто можливість підвищення точності та швидкодії систем шляхом побудови їх ,,ядра” – ПІ на основі надлишкових позиційних систем числення (НПСЧ), включення його у контур коригування похибок, а також компенсації динамічних похибок першого та другого роду. Розглянуто існуючі моделі динамічних похибок другого роду. Також розглянуто можливості періодичного відновлення метрологічних характеристик ІВС, окрему увагу приділено методу із використанням вагової надлишковості. При цьому виявлено перспективність такого підходу. На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано основні задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі проаналізовано моделі стрибкоподібних сигналів, їх спектри та базуючись на цьому, сформовано вимоги до структурної організації ВК ІВС. Показано також доцільність використання вагової надлишковості в АЦП у складі каналу.

Проаналізовано механізми виникнення динамічних похибок першого та другого роду у ВК ІВС. Показано, що при врівноваженні вхідного сигналу компенсуючим в АЦП на основі вагової надлишковості у структурі каналу існує можливість компенсації динамічних похибок першого роду.

Показано, що значення динамічної похибки другого роду у ВК ІВС залежить від швидкості змінення вхідного сигналу та похибок інших елементів каналу, зокрема комутатора (К), а саме похибок прямого проходження сигналу через закриті ключі К. Також показано можливість компенсації динамічних похибок другого роду в АЦП на основі НПСЧ у структурі каналу. Для цього, виходячи з існуючих та запропонованих математичних моделей стрибкоподібних сигналів, виділено окремі їх фрагменти: лінійного змінення сигналу; експоненційного , де – амплітуда стрибка вхідного сигналу перед початком врівноваження; – постійна часу встановлення ; коливального характеру. При цьому загальне змінення вхідного сигналу описується у вигляді , де , t – час врівноваження; – змінення протягом одного такту; – значення наприкінці паузи, тобто перед початком врівноваження. Виходячи з описаних вище фрагментів, побудовано моделі, що описують появу похибок, пов’язаних із змінення вхідного сигналу, наприклад, для лінійного змінення вхідного сигналу при використанні НПСЧ (1,0) з основою = 1,7 для похибки врівноваження маємо

,

де n – кількість розрядів; – розряди ПІ; – приріст протягом першого такту; – похибка недовстановлення другого розряду.

Для виділених фрагментів сигналів промодельовано процеси появи (коли врівноваження здійснюється двійковим АЦП у існуючих системах), наприклад, на рис. 2, а також компенсації динамічних похибок другого роду (рис. 3).

Рис. 2. Механізм появи при врівноваженні експонентного сигналу у двійковому АЦП

Рис. 3. Врівноваження вхідного експонентного сигналу в АЦП на основі НПСЧ із компенсацією

Запропоновано здійснювати швидкісне врівноваження вхідних сигналів точок акупунктури у режимі реєстрування, коли потрібно визначати відхилення рівня вимірювального сигналу Hh від верхньої границі допустимого діапазону його значень . В даному випадку не здійснюється повний цикл врівноваження Авх, а достатньо виконати “грубе” (швидкісне, прискорене) перетворення за допомогою старших розрядів АЦП. Суть його полягає у закінченні кодування Авх, коли залишається включеним перший старший розряд (згідно класичного алгоритму порозрядного врівноваження), або група з p розрядів, ваги яких задовольняють нерівності

.

Це дає можливість підвищити швидкодію вимірювань за рахунок переривання основного перетворення і при цьому не отримувати точне значення рівня сигналу, а виявити тільки факт наявості Hh за верхньою межею . Це у свою чергу дозволяє зменшити кількість записаної інформації у пам’яті ІВС для недопущення її переповнення.

Запропоновано адаптивний алгоритм кодування “піків” у сигналах точок акупунктури, за наявністю яких визначається емоційний стан людини. Даний алгоритм передбачає початок процедури кодуваня піка, коли швидкість змінення вхідного сигналу лежить у межах

,

де та – відповідно обчислені за допомогою методів математичної статистики мінімальне та максимальне значення швидкості вхідного сигналу на початку кодування “піка”, – поточна швидкість. Закінчення процедури кодування “піка” здійснюється тоді, коли значення виходить (за модулем) за допустимі межі згідно наведеної нерівності; при цьому вважаєеться, що швидкості змінення сигналу на початку кодування “піка” та на прикінці співпадають.

Показано, що ефективність ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів

залежить від основи надлишкової системи числення, яка використовується в АЦП у її складі. Критерій ефективності має вигляд

,

де – час перетворення АЦП на основі НПСЧ; – час перетворення еквівалентного двійкового ПІ (рис. 4).

Рис. 4. Залежності від

При цьому максимальне значення із мінімальними додатковими витратами обладнання (подовженням розрядної сітки пертворювача) досягається для основи системи числення, що лежить в межах від 1,6 до 1,7.

У третьому розділі проаналізовано кориговані та некориговані похибки ВК ІВС та методи відновлення її метрологічних характеристик. Показано, що у каналі (рис. 5) можливо коригувати: похибки нуля, масштабу, лінійності ПІ, прямого проходження сигналів через закриті ключі К. Тут Ді – давач; Пі – підсилювач;

Рис. 5. Структурна схема і-го вимірювального каналу ІВС у режимі самокалібрування

АЦП із с/к – АЦП із самокалібруванням; ЦАП – калібрувальний; Кл – ключ; ПВЗ – пристрій вибірки і зберігання; БК – блок керування, Т – блок вимірювання температури (додатково вводиться до складу системи, він подає сигнал на здійснення самокалібрування при зміненні температури навколишнього середовища); Rді – опір давача; Rмі – масштабний резистор; Rцап – опір ЦАП; СЦОП – спеціалізований цифровий обчислювальний пристрій; Nвих – вихідний код; у1, у2 – сигнали керування.

Відновлення метрологічних характеристик “ядра” ІВС – АЦП на основі НПСЧ та лінеаризація його передатної характеристики за польових умов шляхом самокалібрування здійснюється у такій послідовності:

1. Визначаються реальні ваги старших “неточних” розрядів перетворювача, напруга зміщення нуля . Самокалібрування ваги k – го розряду полягає у двократному врівноваженні додаткового сигналу: перший раз з використанням , а другий – без використання. Реальне значення обчислюється як , де , – відповідно двійкові біти кодів результатів першого та другого врівноваження; d – кількість умовно визначених “додаткових” розрядів.

2. Визначається напруга зміщення нуля . Для цього на вхід АЦП подається сигнал =0 і здійснюється його врівноваження , де – розрядні коефіцієнти коду; n – кількість розрядів перетворювача. Кінцевий результат перетворення (після самокалібрування) вхідного сигналу – напруги отримується як

. (3)

Після самокалібрування АЦП здійснюється коригування похибок нуля та масштабу каналу ІВС, а також похибок К. Щодо похибки нуля, то її коригування здійснюється шляхом підключення нульового потенціалу Uвх=0 до кожного з i-о входу системи. При цьому АЦП кодує напругу, на його виході формується відповідна кодова комбінація . На основі обчислюється напруга зміщення за формулою , яка враховується при врівноваження вхідного сигналу.

Коригування похибок масштабу каналів здійснюється шляхом подачі коду на вхід калібрувального цифроаналогового перетворювача (ЦАП) у структурі системи. При цьому для кожного i-о каналу ЦАП формує вхідну напругу, яка врівноважується у АЦП. Масштабний множник розраховується як ,

де – коди напруги ЦАП для кожного з каналів, отримані при кодуванні у АЦП; – коди напруги нуля кожного з каналів. Значення використовується при основному перетворенні.

Запропоновано метод коригування похибок (де i – номер каналу) від наскрізного проходження сигналів через закриті ключі комутатора. Метод передбачає подачу одразу на всі входи К однакової напруги (з урахуванням мінімальної та максимальної напруг діапазону), наприклад, від додаткового ЦАП. При цьому спочатку розімкненим є перший ключ К (інші замкнені), потім – розімкненим є другий ключ і т. д. до n-го входу. На основі виразу, що описує вихідну напругу комутатора , отримується система

де і – номер входу, з n рівнянь та n невідомих , розв’язуючи яку, отримується реальні значення вхідного сигналу без похибок

(4)

Запропоновано метод підвищення точності ВК системи, що узагальнює виконані окремі процедури корекції та враховує температурне змінення параметрів аналогових елементів каналу. Метод передбачає виконання процедури коригування похибок елементів ВК шляхом їх послідовного включення у коло калібрування АЦП за сигналом блока вимірювання температури, що вводиться до складу ІВС, у такій послідовності:

1. Здійснюється самокалібрування для АЦП. Після даної процедури АЦП на основі НПСЧ врівноважує вхідний сигнал (напругу) згідно (3) у вигляді

, (5)

де – розрядні коефіцієнти коду (0 або 1); – реальна вага розряду у [В]; – напруга зміщення нуля, дана напруга є фактично вихідною напругою комутатора К .

2. У коло коригування підключається К. При цьому у СЦОП, що входить до структури каналу можливо обчислити кінцевий результат вимірювання для кожного з входів комутатора, з урахуванням (4) та (5) у вигляді (6).

(6)

3. Здійснюється калібрування підсилювача. При цьому, якщо вираз для вихідних напруг підсилювача записати як

, (7)

де – зсув нульового рівня на i-й лінійній ділянці характеристики, визначений при окремій процедурі калібруванні підсилювача; – коефіцієнт передачі – крутизна на i-й лінійній ділянці характеристики, розрахована при калібруванні, який враховує описану вище похибку масштабу; – вхідна напруга підсилювача (якщо не враховувати похибку фільтру, то напруги на виході підсилювачів … у каналі є відповідно вхідними напругами комутатора згідно (6)), та підставити його замість у (6), потім виразити з цього , то отримаємо відповідно напругу на вході підсилювачів, яка є вихідною напругою давачів (8).

4. Періодичне повторення процедури калібрування у ВК при зміні температури навколишнього середовища. При цьому блок вимірювання температури подає відповідний керуючий сигнал на АЦП.

Враховуючи описане вище, необхідно відмітити, що коригування передатної характеристики давача можливо здійснювати подібно до характеристики підсилювача.

(8)

У четвертому розділі сформовано вимоги до ІВС (рис. 6) опрацювання стрибкоподібних сигналів та обгрунтовано її структурно-алгоритмічну організацію, наведено рекомендації щодо побудови. Тут А – множина вхідних

Рис. 6. Високоточна швидкодіюча ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів на базі АЦП із ваговою надлишковістю

сигналів; Д1, … Дn – давачі; П1, … Пn – підсилювачі із гальванічною розв’язкою за допомогою магнітного для через трансформатор для унеможливлення протікання електричного струму на давачі; Ф1, … Фn – фільтри нижніх частот для фільтрації сигналів від завад мережі (пристрою) живлення; САЦП – АЦП на основі НПСЧ із самокалібруванням; КЦАП – калібрувальний ЦАП; Аклі – калібрувальні сигнали; БК – блок керування роботою системи; Nвх – коди мікрокоманд БК для вибору каналу К; у1 – сигнал керування; Т – блок вимірювання температури, подає сигнал на АЦП для здійснення процедури самокалібрування СЦОП – здійснює перетворення надлишкового коду в двійковий з метою подальшого передавання даних через ІФ (інтерфейс) для гнучкого їх обробляння за певними алгоритмами, математичними моделями у персональному комп’ютері – ПК.

Робота системи, наприклад, при вимірюванні сейсмосигналів, здійснюється у двох режимах: “основному” – режимі визначення рівня сигналу Hh; додатковому (“допоміжному”) – режимі самокалібрування ВК. Граф-схему алгоритму функціонування ІВС при визначенні основного параметра Hh наведено на рис. 7.

Рис. 7. Граф-схема алгоритму функціонування ІВС

Тут j – номер каналу К; d – число кроків дискретизації по кожному каналу; А – амплітуда вхідного сигналу; АК – перетворення А у двійковий код К; По:=К – запис у пам’ять ОЗП (По) коду К; К(А) – код А; Кb(Аb) – кодовий еквівалент А, отриманий при b-ому у багатократному врівноваженні; Па – пам’ять АЦЗ. При у1=1 здійснюється (у1=0 – не здійснюється) врівноваження вхідного сигналу А.

Запропоновано спростити вимірювальний канал системи шляхом вилучення з його структури пристрою вибірки і зберігання. Також запропоновано використовувати у вхідних ланцюгах розроблені підсилювачі струму із мінімальною похибкою нуля, зокрема, двотактні, із гальванічною розв’язкою.

Розроблено системи для сейсморозвідки та акустичних вимірювань. Основні характеристики системи для сейсморозвідки є такими: динамічний діапазон вхідного сигналу 120 Дб; кількість основних каналів – 128; кількість допоміжних каналів – 10; розрядність АЦП – 24 біта; підсилювач – із перемиканням піддіапазонів; неідентичність підсиленя каналів 0,05%; час вимірювання за одним каналом – 0,5 мс; смуга пропускання 3-750 Гц.

Основні характеристики системи для акустичних вимірювань є такими: динамічний діапазон вхідного сигналу 140 Дб; смуга пропускання 20 Гц – 20 КГц; розрядність АЦП – 20 біт (16 біт за допомогою самокаліброваного АЦП та 4 біта за допомогою підсилювача); підсилювач – із перемиканням піддіапазонів; наявність порту для підключення принтера; наявність послідовного порту для підключення до комп’ютера; наявність рідиннокристалічного дисплею; наявність блоку пам’яті з можливістю перезапису.

Розроблено та реалізувано блок попереднього аналізу і вибору точок акупунктури (контрольних точок на тілі людини, що використовуються для визначення стану її здоров’я), який дозволяє вибирати з всієї множини можливих точок саме ті, параметри яких є найбільш інформативними.

Розроблено програмне забезпечення для комп’ютерного моделювання процесу оцінювання параметрів стрибкоподібних сигналів. Програма формує таблицю даних вимірювання та здіснює попередні обчислювальні дії над цими даними.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконано дослідження, присвячені підвищенню точності та швидкодії ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів. Результати дослідження є внеском у розвиток теорії ІВС, зокрема, у випадку їх застосування для опрацювання стрибкоподібних сигналів, оскільки доводять, що використання АЦП на основі вагової надлишковості як “ядра” вимірювального каналу та включення його у контур калібрування дозволяє підвищувати точність при отриманні відповідних вимірювальних даних шляхом коригування статичних, компенсації динамічних похибок, а також будувати зазначені ПІ на неточній елементній базі.

Основні результати досліджень є такими:

1. Здійснено аналіз існуючих підходів до побудови високоточних швидкодіючих ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів. Показано, що актуальним для досягнення потрібних метрологічних характеристик доцільно використовувати процедуру самокалібрування статичних похибок аналогових вузлів вимірювального каналу і компенсації динамічних похибок першого і другого роду. Це можливо здійснити шляхом включення до структури ІВС АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується.

2. Вперше запропоновано метод коригування похибок комутатора вимірювального каналу ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів, що дозволяє зменшити її удвічі, а також загальну інструментальну похибку каналу та підвищити точність вимірювань.

3. Вдосконалено метод підвищення точності ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів, який відрізняється від існуючих тим, що базується на введенні до структури вимірювального каналу системи як “ядра” – порозрядного АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується, та включенням його у контур коригування статичних похибок каналу.

4. Вдосконалено метод підвищення швидкодії ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів, який відрізняється від існуючих тим, що базується на компенсації динамічних похибок першого та другого роду у вимірювальному каналі шляхом уведення до його структури порозрядного АЦП із ваговою надлишковістю.

5. Дістали подальшого розвитку математичні моделі динамічних похибок другого роду, що виникають у вимірювальному каналі під час змінення вхідних сигналів, і які можна значно зменшити (на 1-2 порядки) за рахунок їх компенсації у порозрядному АЦП, що входить до складу ІВС.

6. Розроблено рекомендації щодо структурно-алгоритмічної організації високоточних швидкодіючих вимірювальних каналів ІВС на базі АЦП із ваговою надлишковістю, що самокалібрується. Періодичне використання процедури самокалібрування дозволяє значно зменшити статичні похибки вимірювань, у тому числі під час змінення умов навколишнього середовища. Показано також, що можливість компенсації динамічних похибок другого роду дозволяє спростити вимірювальний канал шляхом вилучення з його структури пристрою вибірки і зберігання.

7. Розроблено рекомендації для вибору аналогових вузлів вимірювального каналу ІВС, зокрема, АЦП, комутатора, а також масштабних підсилювачів на базі підсилювачів струму із гальванічною розв’язкою, що зменшує можливість протікання у вхіді колі ІВС електричних струмів витікання.

8. Розроблено ІВС, що самокалібруються, для сейсморозвідки з вибором параметрів аналого-цифрового перетворення з урахуванням швидкості змінення сигналів, акустичних вимірювань, блок попереднього аналізу і вибору точок акупунктури. Розроблено також програмне забезпечення для моделювання процесів компенсації динамічних похибок другого роду та оцінювання параметрів стрибкоподібних сигналів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАННИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Матеріали досліджень викладено у 18 працях, основними з яких є:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

АНОТАЦІЯ

Снігур А. В. Високоточна швидкодіюча ІВС опрацювання стрибкоподібних сигналів на базі АЦП із ваговою надлишковістю. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 – інформаційно-вимірювальні системи. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця – 2007.

Дисертація присвячена підвищенню точності та швидкодії ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів. Запропоновано метод коригування похибок комутатора. Запропоновано підходи підвищення точності та швидкодії ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів. Розроблено математичні моделі стрибкоподібних сигналів. Розроблено багатоканальну ІВС для опрацювання стрибкоподібних сигналів. Розроблено рекомендації щодо структурної організації вимірювальних каналів ІВС на базі АЦП із ваговою надлишковістю на низькоточних аналогових вузлах. Запропоновано спростити вимірювальний канал системи. Розроблено рекомендації для вибору елементної бази аналогових вузлів вимірювального каналу, зокрема, підсилювачів із гальванічної розв’язкою.

На основі теоретичних результатів та запропонованих підходів розроблено програмне забезпечення для моделювання процесу оцінювання параметрів стрибкоподібних сигналів, розроблено системи для сейсморозвідки та акустичних вимірювань та реалізовано блок попереднього аналізу і вибору точок акупунктури.

Ключові слова: інформаційно-вимірювальна система, стрибкоподібні сигнали, порозрядне аналого-цифрове перетворення, самокалібрування, інформаційна надлишковість.

АННОТАЦИЯ

Снигур А. В. Высокоточная быстродействующая ИИС обработки скачкоподобных сигналов на базе АЦП с весовой избыточностью. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 – информационно-измерительные системы. – Винницкий национальный технический университет, Винница – 2007.

Диссертация посвящена повышению точности и быстродействия информационно-измерительных систем для обработки скачкоподобных сигналов.

Обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы; представлены сведения об апробации, публикациях и реализации работы.

В работе приведена классификация скачкоподобных сигналов, проанализировано современное состояние, а также рассмотрена класификация информационно-измерительных систем для обработки скачкоподобных сигналов. Показано, что в математических моделях сигналов, которые используются для оценивания их параметров, не учитывается ряд реальных особенностей указанных сигналов, например, наличие в них “пиков”. Кроме того, при построении систем, которые используют такие модели, относительно небольшое внимание отводится улучшению их характеристик с целью уменьшения в дальнейшем общей погрешности оценивания параметров, особенно в полевых условиях.

Предложен метод коррекции погрешностей комутатора. Предложен подход повышения точности и быстродействия информационно-измерительных систем для обработки скачкоподобных сигналов. Разработаны математические модели скачкоподобных сигналов. Разработана многоканальная информационно-измерительная система для обработки скачкоподобных сигналов. Разработаны рекомендации относительно структурной организации информационно-измерительных систем на базе аналого-цифровых преобразователей с весовой избыточностью на низкоточных аналоговых узлах. Предложено упростить измерительный канал системы. Разработаны рекомендации для выбора аналоговых узлов измерительного канала, в частности, усилителей с гальванической развязкой. На основе теоретических результатов и предложенных подходов разработано програмное обеспечение для моделирования процесса оценивания параметров скачкоподобных сигналов, разработаны и реализованы системы для сейсморазведки и акустических измерений, блок предварительного анализа и выбора точек акупунктуры.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, скачкоподобные сигналы, аналого-цифровое переобразование, самокалибровка, информационная избыточность.

ANNOTATION

Snigur A. V. Precision high-speed IMS for processing similar-jumping signals on the basis of ADC with weight redundency. – A manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in technical sciences by 05.11.16 – Information-Measuring Systems. – Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia – 2007.

The method of switch errors correction is offered. Thesis is devoted to increase of accuracy and speed of information-measuring systems for the for processing similar-jumping signals. The approach of increase of accuracy and speed of information-measuring systems for processing similar-jumping signals is offered. The mathematical models of similar-jumping signals is developed. The multichannel information-measuring system for processing similar-jumping signals is developed. Recommendations concerning the structural organization concerning information-measuring systems on the basis of analog-digital converters with weight redundancy on low analog units are developed. It is offered to simplify the measuring channel of system. Recommendations are developed for a choice of element base of analog units of the measuring channel, in particular, amplifiers with a galvanic outcome.

On the base of theoretical results and offered approaches it is developed softweare for realization automated estimation parameters of similar-jumping signals, systems for seismic prospecting and acoustic measurements, block of the preliminary analysis and a choice of acupuncture points is developed.

Keywords: information-measuring system, similar-jumping signals, analog-digital convertion, selfcalibration, information redundancy.

Підписано до друку 21.08.2007 р. Формат 29.7?42 ј

Наклад 100 прим. Зам. № 2007-116

Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького національного технічного університету

м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95. Тел.: 59-81-59