Система автоматического регулирования формы сигнала

Различные виртуальные (компьютерные) приборы (ВП) находят широкое применение не только для решения учебных и научно-исследовательских задач. В настоящее время отчетливо наблюдается рост интереса к ВП как средствам промышленных систем.

Качество подобных систем во многом зависит от качества источников сигналов, используемых как эталоны при настройке, калибровке и поверке измерительных каналов. Одним из основных требований к источникам образцовых сигналов является требование малости уровня нелинейных искажений (порядка десятых долей %) в максимально широком частотном диапазоне (от долей Гц вплоть до частоты, равной половине частоты дискретизации).

В среде графического программирования LabVIEW имеются виртуальные инструменты - генераторы периодических сигналов. На их основе можно создавать ВП, пригодные для моделирования.

Однако, чтобы использовать их в качестве источников образцовых сигналов промышленных

систем, необходимо решить проблему, связанную с ростом нелинейных искажений вследствие изменений фазировки отсчетов при вариации частоты сигнала. Визуально данный эффект проявляется на некоторых частотах в виде срезания верхушек сигнала. По форме - это аналогично ограничению амплитуды сигнала выходными каскадами усилителя, входящими в насыщение на высоких частотах при большом уровне выходной мощности.

1. IdP-tester NF-тнпа для измерения распределение мгновенных значений сигнала

Для уменьшения уровня нелинейных искажений генераторов периодических сигналов предлагается использовать систему автоматического регулирования формы сигнала. Данное предложение отличается от известных решений [1], основанных на спектральных оценках уровня нелинейных искажений с помощью коэффициента гармоник тем, что, во-первых, форма сигнала измеряется непосредственно с помощью специальных средств идентификационных измерений - идентификационных тестеров (IdP-tester), подробно описанных,

в монографии [2] или публикации [3]. В рассмотренной системе автоматического регулирования формы сигнала используется IdP-tester TVF-типа, измеряющий распределение мгновенных значений сигнала. Его математическая модель связана с вы числением отношения размаха сигнала к его сред неквадратичному отклонению:

IdP = NF =

-12

Размах сигнала у

СКО сигнала

I2 maxfxj-min^}

= KfN.

Данный ВП содержит стандартный генератор Lab VIEW {Signal Generator by Duration), предлагаемый генератор {GenCorr.vi) с коррекцией нелинейных искажений, два IdP-тестера NF-типа, предназначенные для измерения формы выходных сигналов этих генераторов. Указанные инструменты помещены в общий цикл типа While-Loop, с помощью которого формируется частотная характеристика (ЧХ) генераторов. В идеальном случае ЧХ должна представлять собой прямую линию, идущую параллельно оси абсцисс (частот) в диапазоне от 0 до частоты, равной половине частоты дискретизации.

1 N

-Ek-^)2

N ,=i и трактует обработку значений {X} сигнала как преобразование количества информации объема N на входе системы регулирования в количество информации объема NF на выходе.

Во-вторых, для перевода имени генерируемого сигнала в числовой эквивалент, равный эталонному значению его формы, применяется внутренняя база данных (БД) (рис. 1). Эта БД формируется по результатам предварительных измерений формы тех сигналов, которые предполагается использовать в генераторе.

Рис.2. Виртуальный прибор для сравнительной оценки уровня нелинейных искажений генераторов периодических сигналов без и с коррекцией формы

Signal Type

ldf0 IdP,

Рис. 1. Структурная схема генератора периодических сигналов с управляемой формой сигнала

В-третьих, сравнение измеренного значения идентификационного показателя формы выходного сигнала генератора и эталонного идентификационного показателя, поступающего с выхода БД, осуществляется с помощью идентификационного компаратора, состоящего из вычитающего и порогового устройств. Выход компаратора подключается ко входу управления генератора сигналов. Наличие БД, которая по заданному типу сигнала определяет необходимое эталонное значение идентификационного параметра IdP₀ и задает погрешность сравнения для компаратора, позволяет классифицировать заявляемый генератор как интеллектуальное средство измерения.

Рис. 3. Форма частотной характеристики откорректированного генератора

На дисплее панели управления (рис. 2) показана ЧХ генератора без коррекции нелинейных искажений. При этом отчетливо видны вариации ЧХ в виде бросков показаний IdP-тестера. Эти вариации измеряются и сравниваются с показаниями ЧХ генератора с коррекцией в виде отношения среднеквадратических погрешностей (индикатор Numeric) и в виде отношения максимальных погрешностей (индикатор Numeric-2). Если указанные отношения превышают 1, то можно считать коррекцию эффективной. Результаты измерения эффективности коррекции представлены в табл.1.

Из данных табл. 1 следует, что по всей совокупности форм сигналов, погрешности откорректированного генератора от 5 до 100 раз меньше, чем у прототипа. Это подтверждается и визуально

Система автоматического регулирования формы сигнала видом ЧХ (рис. 3) откорректированного генератора. На рис. 4-6 приведены программные коды, соответствующие различным системам.

Рис. 4. Программный код W-тестера, измеряющего форму сигналов

Заключение

Таким образом, поскольку эффективность предлагаемого способа коррекции нелинейных искажений достаточно высока, его можно рекомендовать к применению, по крайней мере, в модельных генераторах периодических сигналов среды Lab VIEW.

В библиотеку инструментов системы автоматического регулирования формы временной реализации сигналов синусоидальной (sin), треугольной (tri), прямоугольной (squ) и пилообразной (saw) формы входят виртуальные подприборы, перечисленные в табл. 2.

Описанный подход может быть использован также для коррекции формы распределения вероятностей генераторов случайных сигналов.