Устройство обработки сигналов
Полезная модель относится к электро- и радиоизмерительной технике и может быть использована для повышения чувствительности, точности измерения, помехозащищенности и увеличения динамического диапазона измеряемых величин радиоизмерительной аппаратуры, в частности, при создании измерительно-диагностических систем (ИДС) для технологического контроля параметров узлов и систем автотранспорта (тормозной системы, рулевого управления, двигателя и др.), а также при разработке и диагностике робототехнических устройств.
Предлагаемое устройство обработки сигналов, содержит усилитель и аналого-цифровой преобразователь, в него введены преобразователь-интегратор, фильтр высокой частоты, устройство выделения и обработки сигнала низкого уровня, выходной усилитель, второй аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное вычислительное устройство, индикаторное устройство, причем выходы первого и второго аналого-цифровых преобразователей с помощью информационных шин подключены к первому и второму входам микропроцессорного вычислительного устройства, первый выход которого соединен со входом устройства индикации, а второй выход - со вторым входом устройства выделения и обработки сигналов низкого уровня, выход которого соединен со входом выходного усилителя, а второй вход - с выходом фильтра высокой частоты, вход которого соединен со вторым выходом преобразователя-интегратора, первый выход которого соединен со входом первого аналого-цифрового преобразователя.
При использовании предлагаемого устройства обработки сигналов в разработанном и изготовленном образце ИДС типа ИТУ-1 для диагностики
в 20 раз (0,5Н вместо 10Н) при сохранении величины погрешности измерения, значительно расширен динамический диапазон измерения (0,5Н-500 Н вместо 10н-500 Н), повысилась помехозащищенность ИДС, что обеспечило достаточно высокую повторяемость результатов диагностирования, особенно при малых уровнях 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».
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 U1=U1 мин=KU 2 мин, где К - коэффициент усиления усилителя 1, а U 1 мин - 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 Uзад. определяется максимальное значение младшего разряда кода АЦП1 "nзад",. когда сигнал на входе устройства обработки становится меньше заданной величины.
U1 мax/U 1зад.=Npазр./nзад.
При снижении амплитуды сигнала на входе устройства обработки импульсов и соответственно максимального кодового значения до nзад, 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.
Устройство обработки сигналов, содержащее усилитель импульсов и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), отличающееся тем, что в него введены преобразователь-интегратор, фильтр высокой частоты (В.Ч.), устройство выделения и обработки сигнала низкого уровня, выходной усилитель, второй аналого-цифровой преобразователь, однопроцессорное вычислительное устройство, индикаторное устройство, причем выходы первого и второго аналого-цифрового преобразователей с помощью информационных шин подключены к первым и вторым входам микропроцессорного вычислительного устройства, первый выход которого соединен со входом устройства индикации, а второй выход - со вторым входом устройства выделения и обработки сигналов низкого уровня, выход которого соединен со входом выходного усилителя, а второй вход - с выходом фильтра В.Ч., вход которого соединен со вторым выходом преобразователя-интегратора, первый выход которого соединен со входом первого аналого-цифрового преобразователя.
