Файл: Маграчев З.В. Аналоговые измерительные преобразователи одиночных сигналов.pdf

образовании максимального значения одиночного им­ пульсного сигнала X(t, ai, аг, . . am), то следует гово­ рить о рабочем диапазоне Хшш—Хмакс, в котором функ­ ция преобразования

чи или преобразования; 65(А ')— наперед заданная до­ пустимая погрешность преобразования.

Как видно из выражения (9-2), погрешность 6 5 (К), вообще говоря, зависит не только от величины сигнала X, но и от временных (спектральных) к других харак­ теристик, т. е. в общем случае является случайной функ­ цией параметров распределения, описывающего входной сигнал X(t, щ ...) . Это естественно, так как детерми­ нированная функция преобразования справедлива лишь для детерминированных воздействий.

Как известно из информационной теории измеритель­ ных устройств [Л. 147J, строго детерминированные сиг­ налы не могут быть переносчиками измерительной ин­ формации, так как уже наперед известны все их значе­ ния и степень неопределенности, т. е. их априорная энтропия равна нулю. Таким образом, информацию мо­ гут нести только недетерминированные (случайные) или слабо детерминированные сигналы. Они являются обыч­ но объектом преобразования и измерения. Детермини­ рованные же сигналы используются в измерительной технике только для целей калибровки, поверки и аттес­ тации измерительных средств с целью исключения не­ однозначности при определении их метрологических ха­ рактеристик, например функции преобразования.

Но если это так, то информация, получаемая в ре­ зультате измерения, достоверна лишь тогда, когда зна­ чение случайного сигнала находится в рабочем диапа­ зоне преобразователя Хыиа—КМакс- Такое сочетание воз­ можно при наличии априорных сведений о сигнале. При их отсутствии необходима адаптация (приспособление) измерительного устройства по всему ансамблю парамет­ ров измеряемого сигнала, от которых зависит функция преобразования. Сложность такой задачи очевидна.

196

В связи с этим измерительные преобразователи обычно строятся таким образом, что их функция преобразования в широком диапазоне входных воздействий мало зави­ сит от временных и других характеристик сигнала, или, если зависимость существенна, она нормируется погреш­

аргумента носит вероятностный характер, определяемый законами распределения влияющих параметров.

Таким образом, постановка задачи адаптивного пре­ образования применительно к одиночным сигналам представляется правомерной. Она, разумеется, не огра­ ничивается задачей адаптации преобразователей к вели­ чине сигнала. Не менее важной является адаптация к форме сигнала и его длительности (временному интер­ валу), поскольку, как мы показали выше, в широком ди­ намическом диапазоне изменения этих факторов погреш­ ности преобразования могут быть недопустимо больши­ ми.

Во всех случаях адаптивного преобразования крите­ рием оптимальности является достижение погрешности преобразования менее наперед заданной.

Для упрощения последующих рассуждений абстраги­ руемся от зависимости бS (t, а ...) и будем рассматри­ вать адаптацию измерительного устройства к величине сигнала Хт. Для стационарного (периодического) сигна­ ла эта задача решается достаточно просто разбиением всего интервала возможных значений измеряемой вели­ чины на N подинтервалов (поддиапазонов) и выбором путем ручного, электромеханического или электронного переключения входной цепи необходимой полярности и поддиапазона измерения, при которых подаваемый на вход преобразователя сигнал находится в рабочем ин­ тервале преобразования. Этот диапазон может ограни­ чиваться как характеристиками собственно преобразова­ теля, так и способом построения отсчетного устройства.

Выбор подинтервала (диапазона ) является пер­ вым этапом сужения интервала неопределенности инфор­ мации (энтропии) об измеряемом сигнале. Последующее сужение этой неопределенности зависит от характери­ стик преобразователя и отсчетного устройства, т. е. от их энтропийной погрешности [Л. 147]. При изменении величины сигнала операция выбора поддиапазона может быть повторена.

197

Существенным моментом рассматриваемой ситуации является то, что динамика процесса адаптации при вы­ боре поддиапазона измерения, т. е. его быстродействие и другие коммутационные характеристики, .не являются с точки зрения точности измерения принципиальны­ ми, так как измеряемый сигнал стационарен и за время переключения его параметры остаются неизмен­ ными.

Это дает возможность последовательного обзора все­ го пространства вероятных значений сигнала с целью выбора оптимального режима работы измерительного устройства. В случае, если преобразователь является звеном быстродействующей системы автоматического ре­

к устройству адаптации, разумеется, предъявляются требования быстродействия, однако не с точки зрения точности измерения, а из-за требований быстроты регу­ лирования.

При измерении одиночного сигнала и отсутствии априорных сведений о параметрах его распределения си­ туация существенно осложняется. Вследствие однократ­ ности сигнала и его малой длительности процесс адап­ тации должен осуществляться и завершаться при одно­ разовом внешнем воздействии и быть кратковременным с тем, чтобы на вход аналогового преобразователя успел поступить достаточный объем измерительной информа­ ции. Это исключает возможность ручного или электро­ механического переключения входной цепи для выбора поддиапазона измерения или полярности и накладывает особо жесткие требования на быстродействие адаптивно­ го устройства. Так, например, если длительность вход­ ного импульса равна tx, а минимальная длительность преобразуемого сигнала у пикового расширителя — ^И.МИИ) то время адаптации должно быть не более fa = tx—i um . При tx~ta.mm необходимо принятие особых мер для осу­ ществления адаптивного преобразования.

В дальнейшем мы будем рассматривать методы по­ строения адаптивных преобразователей для измерения максимального значения одиночного сигнала. Такие пре­ образователи являются системами автоматического ре­ гулирования параметрического типа с управлением по входному воздействию {Л. 2]. К ним можно отнести адап­ тивные аттенюаторы, решающие задачу автоматического

198

выбора предела измерения, являющиеся по-существу масштабными преобразователями сигналов (Л. 2, 3].

Если принять, что рабочий диапазон измерительного преобразователя d = U MaKc/UMHH, а область вероятных зна­ чений сигнала определяется диапазоном D — UMaKCJUmm, то минимальное число пределов аттенюатора /V, обеспе­ чивающих измерение максимального значения сигнала с одинаковой относительной погрешностью, будет опре­ деляться выражением

в сторону увеличения до'ближайшего целого числа. Рас­ смотрим критерий оптимальности системы. Очевидно, что

зации функции .погрешности, определяемой выражением (9-2). Алгоритм работы такого. аттенюатора можно за­

ров коэффициенты деления обычно выбирают кратными 1 0 , при стрелочной индикации — из ряда 1 —3— 1 0 или 1—2—5— 10 с тем, чтобы рабочий диапазон использова­ ния каждого предела шкалы не превосходил d —2-т-З.

9-2. Адаптивный аттенюатор для импульсов большой длительности

Один из возможных вариантов построения адаптив­ ного аттенюатора показан на блок-схеме рис. 9-1, из ко­ торой видно, что устройство содержит три идентичных канала, состоящих из делителя и ключа. В общем слу-

199

чае количество каналов определяется динамическим диа­ пазоном входных сигналов D и рабочим диапазоном из­ мерительного преобразователя d и может быть найдено из выражения (9-3). Управление каналами осуществля­ ется с помощью амплитудных дискриминаторов АД\ и АДо. В исходном состоянии первый канал открыт, два

К а2 второго. В этом случае измерение происходит по второму каналу. Если напряжение сигнала превосходит верхний предел измерения по второму каналу dzUmm, срабатывают оба дискриминатора АД { и АДг, закрыва­ ются два первых канала и открывается третий, по кото­ рому сигнал поступает на вход преобразователя. Дискри­ минаторы управляют ключами с помощью перепадов на­

оказывается невозможным. Кроме того, дискримина­ торы и ключи срабатывают с некоторой задержкой во времени.

При длительности измеряемых импульсов меньше этой задержки устройство не успевает адапти­ роваться к входному сигналу. Таковы основные недо­ статки рассмотренной системы. Для импульсов, намного превышающих по длительности фронты перепадов и вре­ мя задержки в дискриминаторах и ключах, алгоритм адаптации (9-4) реализуется. Возникающие при этом погрешности, связанные с «пролезанием» импульса по закрытому каналу и появлением ложных сигналов за

200