Файл: Калинчук, Б. А. Анализаторы инфразвуковых случайных процессов.pdf

В аппаратуре использован самопишущий потенциометр ПС-1-02, обладающий малой погрешностью (± 0,5%), достаточной скоростью движения каретки и диаграммной ленты.

В качестве носителя записи в приборе использована магнитная лента типа 2. Система роликов кольцевого магнитофона позволяет работать с «бесконечными» петлями длиной от 1 до 50 м при детона­ ции 0,3—0,5%. Скорость протяжки носителя в инфразвуковой диа­ пазоне выбрана равной 762 мм/сек. Интегральная полоса фильтров анализатора при исследованиях в области 1—200 гц выбирается равной 1 или 2 гц. В инфразвуковом диапазоне аппаратура расчитана на автоматическую запись и воспроизведение 143 реализаций длительностью 5, 10 или 15 сек, с возможностью выбора для обра­ ботки любой из них.

Анализ нерегулярных и кратковременных процессов без потери информации удается осуществить, как было показано в § 2-1, по­ следовательным методом с применением временной компрессии ис­ следуемых сигналов с помощью различного рода запоминающих устройств.

Фирмой «Дженерэл Электрик К°» [61 ] разработан временной компрессор на магнитном барабане для исследования инфразвуковых сигналов в диапазоне 1—90 гц. Частота следования выборок в устройстве выбрана равной 180 гц. Время накопления сигналов равно 20 сек при числе параллельных каналов 23. Коэффициент сжатия компрессора равен 82800, причем для одного канала он определяется отношением времени наблюдения сигнала к периоду выборки, т. е. 20 : 1/180 = 3600. При полном сжатии сигнала в в 82800 раз спектр сигналов на выходе компрессора расширяется во столько же раз и составляет 0,083 — 7,5 Мгц. Полоса выходного фильтра при этом должна быть приблизительно равна 0,00415 Мгц при разрешении по частоте входного сигнала 1/20 гц.

В устройстве достигнута очень большая плотность записи. Диа­ метр барабана равен 32 см, т. е. его окружность равна 1 м. По ок­ ружности барабана 82800 выборок размещаются так, что одна вы­ борка занимает 12,5 мкм. Зазор между головками и поверхностью барабана в рабочем состоянии равен 5 мкм. Для получения такого зазора в компрессоре применен, метод «воздушной подкладки», со­ стоящий в том, что воздушный слой, увлекаемый вращающимся барабаном, уравновешивает давление головки, прижимаемой пру­ жиной к барабану. Применяемая система стабилизации поддержи­ вает скорость вращения барабана с точностью 0,01%.

Требование расширения динамического диапазона анализатора, борьба с искажениями сигналов в кольце циркуляции в том числе и с накоплением этих искажений привели к созданию приборов с цифровыми рециркуляторами. Описанный в [72] анализатор инфранизкочастотных сигналов содержит цифровой рециркулятор, выполненный на восьми магнитострикционных линиях задержки. Общий частотный диапазон анализируемых сигналов составляет 0,0025—1000 гц. В диапазоне 0,0025—1 гц коэффициент временного

138

сжатия равен 100 000, т. е. спектр сигнала трансформируется в об­ ласть 0,25—100 кгц. Далее уже оказывается возможным применить обычные гетеродинные анализаторы. Динамический диапазон ана­ лизатора по амплитуде составляет 48 дб. Блок-схема устройства временного сжатия сигнала, представленного дискретным кодом, показана на рис. 2-21.

Входной сигнал поступает на усилитель с переменным коэффи­

Рис. 2-21. Схема устройства временного сжатия сигнала

выходе усилителя напряжение переменного сигнала, равное 40 в Усиленный сигнал подается на соответствующий фильтр низких частот каждого поддиапазона. Ограниченный по частоте сигнал в аналоговой форме поступает на устройство выборок.

В течение интервала времени, определяемого длительностью выборки (ИВ), в схеме взятия выборок заряжается конденсатор до уровня постоянного напряжения, соответствующего амплитуде входного сигнала в этот момент. С выхода усилителя выборок У1, постоянный сигнал поступает на декодирующий усилитель постоян­ ного тока, который производит сравнение выборок с восьмиразряд­ ными двоичными кодами A P I —АР8 в аналоговой форме. Резуль­

139

Одновременно со взятием выборки строб-импульсы записи в па­ мять (ЗП) направляют восьмиразрядное число в блок запоминаю­ щего устройства. Первый импульс генератора квантующих импуль­ сов переводит триггер в состояние «пауза». В этот момент конденса­ тор в схеме К1 заряжен до уровня постоянного напряжения, рав­ ного амплитуде входного сигнала в момент взятия выборки. За время паузы постоянное напряжение на конденсаторе должно быть переведено из аналоговой формы в цифровую и записано в па­ мять.

Задержанный первый импульс запускает генератор Г2, который начинает генерировать тактовые импульсы (ТИ) кольцевого сдви­ гающего регистра счетчика частотой 25 кгц. Ключевое устройство пропускает с генератора Г2 только первый тактовый импульс, ко­ торый переводит в состояние «Включено» первый триггер Тгі коль­ цевого счетчика. Триггер Тгі в свою очередь включает первый кас­ кад двоичного регистра Р1—Р8. С этого момента начинается про­ цесс преобразования аналог—цифра.

В зависимости от величины аналогового сигнала выходное на­ пряжение усилителя постоянного тока У2 будет либо выше, либо ниже нуля, указывая на то, что входной аналоговый сигнал больше или меньше первой значащей цифры. С выхода усилителя У2 сиг­ нал подается на ограничитель, который пропускает сигнал сравне­ ния (СС), если он меньше первой значащей цифры, и не пропускает, если он больше первой значащей цифры.

Выходной сигнал АР2 даст вторую значащую цифру, равную !/4 максимального напряжения входного аналогового сигнала. Эта цифра сравнивается со входным аналоговым сигналом в деко­ дирующем блоке сравнения, и сигнал сравнения пропускается ог­ раничителем, если результат сравнения меньше нуля, либо не про­ пускается, если результат больше нуля и т. д. Каждый задержан­ ный тактовый импульс ЗТ дает следующую наименьшую значащую цифру преобразователя аналог — код и генерирует импульсы СС для последующего возвращения триггера Тг в исходное состояние, либо оставляет триггер Тг в состоянии — «Включено». Как только последний каскад триггера Тг8 перейдет в состояние «Выключено», его выходной сигнал переведет триггер Тг9 в положение «Выборка».

Синхронно с генерацией каждого импульса выборки строб-им­ пульсы записи направляют цифры, получившиеся на двоичном ре­ гистре Р1— Р8 по восьми параллельным каналам в блок памяти. До прихода импульса УТ (установки исходного состояния регистра) регистр хранит цифру, соответствующую аналоговому напряжению последнего преобразования.

Импульсы УТ (задержанные импульсы генератора Г1) восста­ навливают все триггеры кольцевого счетчика в исходное со­ стояние, подготовляя их к следующему циклу преобразования аналог—код.

Блок памяти состоит из восьми магнитострикционных линий задержки_8 х 4000 мксек. Параллельный цифровой выход памяти

140

подается на дешифратор—преобразователь, а затем на фильтр, ко­ торый ослабляет сигналы частот свыше 200 кгц приблизительно на 60 дб.

На вход гетеродинного анализатора спектра с выхода магнитострикционной линии задержки поступает декодированный и демодулированный сигнал. Продолжительность этого сигнала равна времени накопления выборок в линии задержки.

Можно отметить также ряд работ, в которых рассматриваются методы повышения эффективности использования магнитных узлов памяти — магнитных барабанов в рециркуляторах [73].

Рис. 2-22. Схема временного компрессора

Достичь высокой эффективности при записи выборок с большим диапазоном удается при использовании: анализируемого сигнала в качестве модулирующего для ЧМ-гетеродина, из сигнала которого берутся выборки и подаются на ■частотный дискри­ минатор (после считывания с магнитного ^барабана) и затем на анализатор. Электрическая схема временного компрессора показана на рис. 2-22.

В некоторых случаях, когда длительность процесса измерений спектра инфразвуковых сигналов, сокращаемая с помощью транс­ формации спектра, не играет значительной роли, можно вообще обойтись без преобразователей спектра, а применить «идеальный анализатор» [74], под которым подразумевается анализатор, вы­ полняющий преобразование Фурье исследуемой функции f (t). Коэффициенты ряда Фурье равны:

141

ak — — f f (t) cos katdt\

T о

(2-46)

bk = -^- ]t{t) sinÄcotdt,

Tо

T.e. амплитуда A k и фаза фй k-й гармоники равны:

Для выполнения преобразования Фурье, т. е. определения ам­ плитуд гармоник [при ер = 0 из (2-46) имеем bk = A k ] можно ис­ пользовать преобразователь Холла, помещенный в зазор воспроиз­ водящей магнитной головки. Если исследуемый сигнал записан на бесконечном кольце магнитной ленты, то при движении этой ленты вблизи головки будет изменяться магнитная индукция в зазорах головки пропорционально мгновенным значениям исследуемого сигнала f (é). Если теперь через преобразователь пропускать от внешнего генератора синусоидальный ток с постоянной амплитудой, то на каждой частоте соА выходное напряжение преобразователя Холла будет пропорционально произведению мгновенных значений исследуемого сигнала и тока, а показания инерционного стрелоч­ ного прибора будут определять коэффициенты bk, равные (при Ф = 0) амплитудам гармоник спектрального разложения. Метод выполнения спектрального разложения временных функций с по­ мощью предварительно измеренных функций корреляции и пере­ ходу к SD (/) по алгоритму

т

S D(/) = с I R (т) cos 2лfгсіх, (2-48)

о

где с — постоянный коэффициент, положен в основу специализи­ рованной вычислительной машины для корреляционного и спек­ трального анализа визуальных и магнитных записей случайных процессов ЭАСП-С [75]. В машине используется генератор сину­ соидального и косинусоидального напряжений инфранизкой ча­ стоты, собранный на операционных усилителях по схеме, применяе­ мой для решения дифференциального уравнения второго порядка. Генератором выдаются сигналы в диапазоне 0,001—10 гц. Измере­ ние SD (/) по формуле (2-48) происходит следующим образом. Вы­ численная предварительно функция корреляции R (т) печатается на выводном устройстве в виде точечной кривой. Точки вручную соединяются сплошной линией и вся кривая переписывается с по­ мощью оптического устройства на одну дорожку магнитной ленты накопительно-задерживающего устройства. После установления требуемой частоты генератора гармонических колебаний со* ЭАСП-С вычисляет одну ординату кривой спектральной плотности

142