МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ТЕХНІЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ТА ЯКОСТІ

"РАДІОЕЛЕКТРОННІ ВИМІРЮВАННЯ"

Методичні вказівки та завдання

до курсової роботи

«Інтегральні параметри імпульсного сигналу

і оцінка спотворення імпульсу методом

локальних позначок»

студентів денної та заочної форми навчання

для напряму підготовки бакалаврів

зі спеціальності

6.051001 – Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології

1 Загальні положення

Метою методичного посібника являється допомога студентам в ор­ганізації і методиці виконання курсової роботи З ДИСЦИПЛІНИ «Радіоелектронні вимірювання».

Метою виконання курсової роботи являється систематизація, поглиблення теоретичних знань і їх використання при рішенні практич­них задач.

Протягом виконування курсової роботи студент вивчає взаємодію відеоімпульсів з радіотехнічними пристроями, зв'язок між характерис­тиками радіотехнічних пристроїв і параметрами імпульсних сигналів, учитиметься обчислювати параметри імпульсних сигналів користую­чись різними критеріями, виконує розрахунки за допомогою ЕОМ, набуває навичок роботи зі довідкової літератури.

2 Зміст курсової роботи

Визначання параметрів імпульсного сигналу.

Курсова робота складається з пояснювальної записки і графічної частини.

Загальний обсяг пояснювальної записки не більш 20 сторінок фор­мату А4. Пояснювальна записка повинна містити рисунки і таблиці, що дозволяють ліпше усвідомити хід рішення задачі.

Осцилограма досліджуваного імпульсного сигналу (міліметрівці, формат А4)

Графічна частина виконується на аркушах міліметрового паперу:

1 Осцилограма досліджуваного імпульсного сигналу з вказівкою кроку дискретизації ї миттєвих значень сигналу в точках стробування.

2. Осцилограма досліджуваного імпульсного сигналу сполученого з відліковими лініями і зазначенням параметрів форми. Визна­чуваних методом локальних точок

3. Алгоритм обчислення інтегральних параметрів

Пояснювальна записка і графічна частина проекту повинні бути виконані у відповідності до вимогам ДСТУ.

Пояснювальна записка повинна містити список використаної літе­ратурою, а за тексту повинні бути відсилання на використаних джерелах.

Пояснювальна записка полягає з наступних розділів:

№ роз­ділу	Найменування розділу	Орієнтований обсяг	Література
	Вступ	1
1	Огляд систем параметрів імпуль­сних сигналів	6-8
2	Аналіз форми досліджуваного імпульси ого сигналу і вибір математичної моделі	3
3	Розробка алгоритму обчислю­- вання інтегральних параметрів	2
4	Розрахунок інтегральних пара­метрів за допомогою ЕОМ. Аналіз результатів	2
5	Визначення параметрів пошко­джень засобом локальних точок	1
6	Обчислення ширини спектру до­слідженого сигналу і вибір смуги пропускання РТП	1
	Висновки	1
	Список нормативних документів	1
	Список літератури, котра вико­ристовувалася в роботі	1

ВСТУП. ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ ВИМІРЮВАННЯ ІМПУЛЬСНИХ

СИГНАЛІВ.

Імпульсний сигнал - це детермінований сигнал кінцевої енергії, що істотно відрізняється від нуля протягом обмеженого інтервалу часу, сумірного з тривалістю перехідних процесів у системі для впливу на який, він призначений.

Імпульсні сигнали є відбитком фізичних процесів і зустрічаються не тільки в техніку, але й у природі. По характеру імпульси можна поділити на декілька груп:

• електричні імпульси, що поширюються в спрямованих системах (двопровідних, коаксиальних, хвильоводних лініях передач);

• електромагнітні імпульси, що поширюються у вільному просторі і різноманітних середовищах;

• механічні імпульси, що поширюються в пружному середовищі;

- теплові імпульси, що поширюються в теплопроводящих середовищах .

Електричні імпульси являють собою двомірну функцію напруги (струму) від часу F (t). Для візуального дослідження електричних імпульсів функцію напруги (току) від часу подають у виді графіків (осцилограм), а для автоматичного - у виді масивів цифрових даних (масивів миттєвих значень сигналу).

Інші імпульси - це багатомірні функції часу і просторових координат - F(х,у,z,t). Якщо цікавлять просторові характеристики цих імпульсів, то використовують систему датчиків рознесених у просторі або інтегруючих матричних датчиків. Дослідження таких імпульсів ведеться шляхом їх перетворення в електричні імпульси за допомогою датчиків і вимірювання параметрів отриманих електричних сигналів.

РОЗДІЛ 1. ПАРАМЕТРИ ІМПУЛЬСНИХ СИГНАЛІВ ТА МЕТОДИ ЇХ ВИМІРЮВАННЯ

ВИДИ ІМПУЛЬСНИХ СИГНАЛІВ

І мпульсні сигнали відрізняються за формою. Найбільш часто використовують прямокутні, трапецієподібні, пилкоподібні, трикутні, експоненнційні, дзвоноподібні, косинусквадратні імпульси. Деякі з цих імпульсів подані на рисунку І.І.Назва імпульсів визначається мастичною моделлю, яка з найбільшою точністю дозволяє описати закон змінювання миттєвих значень сигналу залежно від часу.

Рисунок 6.1

Основні параметри імпульсних сигналів - це метрологічні характеристики сигналу, що мають такий же зміст і назва, як і параметри математичної моделі.

Основними параметрами імпульсів усіх видів є амплітуда та тривалість імпульсу. Для трапецієподібних та трикутних імпульсів до основних параметрів відноситься тривалість фронту та зрізу, для пилкоподібних - тривалість прямої ходи.

Амплітуда імпульсного сигналу або розмах - це різниця між рівнем верхівки і рівнем підстави імпульсного сигналу.

Тривалість імпульсу - це час протягом якого миттєві значення сигналу перевищують рівень відліку. Тривалість імпульсного сигналу може бути вимірювана на будь-якому заданому рівні. Тривалість імпульсу, обмірювана на рівні 0,51Іш - називають активною тривалістю.

Метрологічні характеристики, що описують ступінь невідповідності сигналу заданої математичної моделі, називають параметрами перекручування або форми.

Для прямокутних імпульсів - це тривалість фронту та зрізу, відхилення миттєвих значень сигналу від рівню верхівка та основи

Для трапецеідальніх імпульсів до таких параметрів відносяться нелінійність фронту і зрізу, а для пилоподібного сигналу - нелінійність прямої ходи. Коефіцієнт нелінійності показує наскільки закон зміни напруги під час формування фронту і зрізу ,а також прямого ходи пилки відрізняються від лінійного закону.

Імпульсні сигнали можуть повторюватися через постійні інтервали часу, або з'являтися у будь які моменти, тобто імпульсні сигнали можуть бути періодичними, квазіперіодичними та неперіодичними. Важливим параметром імпульсів, що повторюються з постійним періодом є - шпаруватість - відношення періоду повторення до тривалості імпульсу.

Імпульсні сигнали оцінюють за допомогою системи локальних параметрів, інтегральних параметрів та шляхом порівняння з моделлю.

Із-за великої кількість параметрів, що характеризують імпульсний сигнал, вимірювання імпульсних сигналів відрізняються як великою складністю засобів вимірів, так і складністю методик їх виконання. Неправильний вибір методики вимірювання може призвести до втрати точності навіть при достатній точності засобів вимірювання.

ВЗАЄМОДІЯ ВІДЕОІМПУЛЬСІВ ІЗ РАДІОТЕХНІЧНИМИ ПРИСТРОЯМИ. ПРИЧИНИ ПОШКОДЖЕННЯ ІМПУЛЬСНИХ

СИГНАЛІВ

Особливості вимірювання параметрів імпульсних сигналів і можливості їх використання в якості вимірювальних сигналів пов'язані з особливостями імпульсного сигналу, із широким спектром частот. Для рішення вимірювальних задач смуга частот спектра імпульсного сигналу і ширина смуги пропускання радіотехнічного пристрою повинні бути узгоджені.

На рисунку 1.2 приведений спектр прямокутного імпульсу. Для неспотвореного його відтворення сигналу співвідношення між гармонійними складового сигналу на виході пристрою повинний бути таким же як і на вході, тобто смуга пропускання частотної характеристики повинна відповідати ширині спектра, коефіцієнт передачі устрою в межах смуги пропускання повинний бути постійним, а фазова характеристика у всьому діапазоні частот повинна бути лінійною.

Рисунок 1.2

Порушення цих умов приведе до перекручування форми імпульсу. Скорочення смуги пропускання приведе до збільшення тривалості фронту і зрізу імпульсу. Тривалість фронту може бути визначена по

ф ормулі

Збільшення коефіцієнта передавання в області ВЧ призводить до появи викидів після фронту і зрізу імпульсу, (рисунок 1.3а). Якщо одночасно спостерігаються відхилення ФЧХ від лінійної викиди являться також перед фронтом і перед зрізом імпульсу (мал. 1.3 6).

Зменшення коефіцієнта передачі в області НЧ призведе до косу плоскої вершини імпульсу (спад) рисунок 1.2 в, а збільшення - навпаки до підйому вершини (рисунок 1.3г)

Рисунок 1.3

Слід зазначити, що, якщо смуга частот радіотехнічного пристрою менше ширини спектра сигналу, то поділити перекручування пов'язані з обмеженням спектра сигналу і перекручування пов'язані з нерівномірністю АЧХ і ФЧХ пристрої у смузі пропускання практично неможливо. Тому в якості випробувальних сигналів використовують імпульси з нормованою тривалістю фронту і зрізу, а також імпульси косинусквадратичної форми і дзвоноподібні, які при однаковій тривалості мають спектр вужчий ніж прямокутні імпульси

На рисунку 1.4. подані спектральні характеристики прямокутного та косинусквадратичного імпульсів однакової тривалості.

Рисунок 1.4

У смузі до, що обмежена частотою амплітуди гармонічних складових дуже близькі, але ВЧ гармоніки мають значно більшу амплітуду ніж гармоніки тієї ж частоти у спектрі косинусквадратичного імпульсу. Тому обмеження спектру косинусквадратичного імпульсу мало вплине на форму відтвореного сигналу.

Оцінка перекручувань імпульсного сигналу за допомогою АЧХ і ФЧХ - це складна процедура і потребує великого обсягу обчислень, що зводяться до таких операцій

• обчислення спектра вхідного сигналу по його часовій залежності

• обчислення спектра сигналу на виході устрої

• визначення форми сигналу на виході за його спектром

Більш широке поширення одержав засіб оцінки форми сигналу на виході пристрою за допомогою перехідної характеристики h(t). Перехідна характеристика - це відгук системи на стрибкоподібну зміну сигналу на її вході. Час наростання перехідної характеристики (час, протягом якого сигнал на виході пристрою змінюється від рівня 0,1 до рівня 0,9 від сталого значення) пов'язано зі смугою пропускання пристрою співвідношенням

Якщо відома перехідна характеристика пристрою, взаємодія сигналу з пристроєм описується інтегралом Дюамеля (інтеграл пакунки)

де h'(t) - похідна від перехідної характеристики.

Тривалість фронту сигналу на виході пристрою можна визначити за формулою:

На рисунку 3 приведені перехідні характеристики радіотехнічних пристроїв (верхній ряд), сигнали подані на входи цих пристроїв (середній ряд) і результуючі криві - форма сигналу на виході пристрою (нижній ряд). На рисунку подані 3 випадки:

У першому випадку сигнал на виході пристрою практично збігається із сигналом на його вході Радіотехнічний пристрій може бути використай для вимірювання параметрів досліджуваного сигналу.

В другому випадку збільшується тривалість фронту імпульсу, а розмір викиду зменшується.

У третьому випадку сигнал на виході повторює форму перехідної характеристики пристрою (за умови, що тривалість імпульсу більше часу наростання ПХ). Третій випадок може бути використаний для вимірювання ПХ пристрою за допомогою імпульсного сигналу. Якщо тривалість імпульсу менше часу наростання ПХ пристрою, то на його виході з'явиться сигнал, амплітуда якого буде пропорційна площі імпульсу (кількості електрики).

Рисунок 1.5

МЕТОД ЛОКАЛЬНИХ ТОЧОК. ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ РЕАЛЬНИХ ІМПУЛЬСНИХ СИГНАЛІВ.

Для опису імпульсних сигналів і ступеня їх перекручувань, використовують систему локальних параметрів. Для кожного виду імпульсів варто розрізняти основні параметри і параметри перекручувань (форми).

Для імпульсів приведених на рисунку.4 основними параметрами є амплітуда і тривалість. Для трапеціідального імпульсу до основних параметрів також ставляться тривалість фронту і зрізу.

Параметри перекручувань імпульсних сигналів можна розбити на дві групи -тимчасові і амплітудні.

Для імпульсів прямокутної форми параметри перекручувань і методика їх вимірювання обговорені ГОСТ 11113-88 "Генератори імпульсів вимірювальні" (мал.5).

До параметрів перекручувань прямокутних імпульсів відносяться: тривалість фронту і зрізу імпульсу, час встановлення і відновлення сигналу, а також викиди, нерівносерність і перекіс вершини і основання.

Тривалість фронту - це інтервал часу, протягом якого миттєві значення сигналу змінюються від рівня 0,Шт до рівня 0,9Гліі.

Тривалість зрізу - це інтервал часу, протягом якого миттєві значення сигналу змінюються від рівня 0,911т до рівня 0,Шт.

Час встановлення і відновлення - це інтервалу часу, протягом якого завершується перехідний процес. Час встановлення оцінюють, як інтервал часу протягом якого миттєві значення сигналу змінюються від рівня 0,Шт до точці на вершині імпульсу, починаючи з котрої миттєві значення сигналу не виходять за межі припустимих відхилень

Час відновлення оцінюють, як інтервал часу, протягом якого миттєві значення сигналу змінюються від рівня 0,9ит до точки на підставі (після закінчення імпульсу), починаючи з котрої миттєві значення сигналу не виходять за межі припустимих відхилень

Викидом називається короткочасне відхилення миттєвих значень сигналу від рівня вершини або підстави, що з'являються на початку і наприкінці процесів встановлення і відновлення імпульсного сигналу.

Нерівномірність вершини імпульсу і рівня підстави - це відхилення миттєвих значень сигналу в обидві сторони від постійного номінального рівня, викликані впливом імпульсу. Частиною нерівномірності вершини імпульсу є нахил вершини - це монотонна зміна миттєвих значень сигналу, протягом усієї вершини імпульсу.

Перераховані вище параметри називають локальними, тому що їх визначення вимірюють інтервали часу або перепади напруги між окремими точками отриманими в результаті побудов на осцилограмі сигналу [ 1 ].

Для зручності порівняння прямокутних імпульсів з різноманітними спотворюваннями розміру викидів, нерівномірності і перекосу оцінюють у відсотках за відношенням до амплітуди імпульсу.

Перевагою методу локальних точок є простота. Недоліком – залежність результату від практичного досвіду та інтуїтивних навичок оператора, відсутність універсальності, так як існує ряд сигналів за

формою близькою до прямокутного імпульсу, для яких рекомендовані ГОСТ побудови або не можливі, або вони призводять до абсурдних результатів.

Невеличкі локальні зміни у формі вершини імпульсу можуть призвести до похибок при вимірі основного параметра сигналу - його амплітуди, а так як усі рівні відліку визначаються в частках від амплітуди імпульсу інших параметрів імпульсу. У тому випадку, коли вершина імпульсу перекошена, амплітуду сигналу визначають у точці перетинання прямої апроксимуючу вершину і фронта імпульсу.

Більш високу точність забезпечують автоматизовані вимірювання амплітуди. У автоматизованих системах вимірюються миттєві значення імпульсного сигналу з заданим кроком дискретизації і за цими результатами вимірювання обчислюють параметри імпульсу.

При автоматизованих методах вимірювання користуються системою інтегральних параметрів, або методом порівняння з функцією, або методом гістограм

Вибір метода залежить від конкретних умов. Важно обрати спосіб, який забезпечує найбільш просто поставлені вимоги.