5.8.2. Изменение формы сигнала

Обычно опорные уровни детектора берутся одинаковыми и равными нулю из соображений, изложенных выше.

При разных входных напряжениях, картина выходного напряжения интегратора примет вид показанный на рис. 5.30.

Постоянная времени интегратора и токи выбраны таким образом, чтобы ток заряда успевал за один импульс тактовой частоты переводить интегратор через порог срабатывания детектора. В этом случае несинхронность работы интегратора и цикла преобразования приводят лишь кошибке младшего разряда.

Схема самого преобразователя имеет вид представленный на рис. 5.29.

Рис. 5.29. Схема преобразователя.

5.8.3. Сравнение метода двухшагового преобразователя с преобразователем со сбалансированным зарядом и разрядом

Преобразователь со сбалансированным зарядом и разрядом и двухшаговый преобразователь обладают ограниченным быстродействием. В связи с этим целесообразно сравнить эти два метода:

1. Различные схемные варианты двухшагового преобразователя могут иметь биполярные входное цепи. Многие варианты входных устройств (биполярность) применимы для ПНК со сбалансированным зарядом и разрядом.

2. С точки зрения сложности схемы цифровые блоки ПНК того и другого преобразователя равноценны, несколько различаются быстродействием. В схеме с двойным интегрированием (двухшаговый) при преобразовании время вдвое больше, чем у ПНК со сбалансированным зарядом и разрядом.

3. Аналоговые блоки различны по сложности. В двухшаговом преобразователе требуется долговременная стабильность интегратора или дополнительные устройства компенсации. В ПНК со сбалансированным зарядом и разрядом требуется высокая стабильность нуля лишь на время одного цикла преобразования.

Рис. 5.30. Зависимость выходного напряжения интегратора от входного

4. Преобразователь со сбалансированным зарядом и разрядом обеспечивает эквивалентные рабочие параметры с использованием меньшего числа критических компонентов по сравнению с двухшаговым.

5. Преобразователь с двухшаговым интегрированием может, путём выбора времени , обеспечить фильтрацию доминирующей помехи. ПНК со сбалансированным зарядом и разрядом тоже это обеспечивает.

6. Преобразователь со сбалансированным зарядом и разрядом (модуляция до 24 разрядов) может обеспечить точность на уровне 12-13 разрядом относительно простыми дешевыми средствами.

5.9. Стахостическо-эргодический метод преобразования напряжения в код

Одной из характерных особенностей современных измерительных приборов является их высокая чувствительность, которая, однако, сделала эти же приборы менее эффективными в отношении выделения полезных сигналов из сопутствующего шума, хотя собственных шумов прибор и не добавляет.

К тому же усложнилась и форма измеряемых сигналов – всё чаще используются сигналы несинусоидальной формы (цифровые коды, импульсы переключения и т.п.), которые нельзя точно измерить обычным измерительным прибором, рассчитанным на синусоидальный сигнал, так как действующее значение напряжения определяется формулой:

,

где – входное напряжение,– период входного напряжения и зависит от формы напряжения.

Указанные проблемы привели к созданию нового метода измерения сигналов, названного стохастическо-эргодическим методом (СЭМ) измерения и основанного на обработке всех сигналов как случайных функций.

Измерительные приборы, в которых реализован СЭМ, могут использоваться для измерения любых сигналов постоянного и переменного токов, не зависимо от их формы, причём на работу таких приборов не влияют ни входные шумы, ни собственные.

Благодаря высокой помехоустойчивости СЭМ приборов, они даже при малых входных напряжениях (в пределах динамического диапазона) не теряют сигнала в шумах.

Полученный за счёт этого «запас» по динамическому диапазону позволяет использовать СЭМ-приборы для измерения сигналов с очень высоким коэффициентом формы, или коэффициентом амплитуды (отношения пикового значения к среднеквадратическому – действующему).

Вероятностное преобразование сигнала

Стохастическо-эргодическое преобразование сигнала – есть фактически его аналого-цифровое преобразование. Оно называется стохастическим, потому что в нём используется статическое вероятностное кодирование, и эргодическим, потому что преобразование основано на допущении об эргодичности сигнала.

Эргодическим (не строго говоря) можно назвать такой сигнал, для которого среднее значение по множеству реализаций равно среднему значению одной реализации по времени. Другими словами, вероятность какого либо события в одной из большого числа реализаций сигнала в данный момент времени (при бросании целой горсти костей) равна вероятности появления этого события в одной такой реализации в течении длительного интервала времени (многократное бросание одной кости).

В СЭМ-приборе (см. рис. 5.31) подлежащий измерению сигнал от датчика преобразуется в электрический сигнали подается на вход эргодического преобразователя. Последний, при помощи синхронизатора(генератор тактовых импульсов) и источника опорного напряженияпреобразует сигналв случайную двоичную последовательность.

Рис. 5.31. Структурная схема СЭМ-прибора.

Проиллюстрируем эргодическое преобразование сигнала постоянного тока:

Опорное напряжение смещено на величину напряжения постоянного тока, чтобы не учитывать знак(генератор шума).

Эти выборки сравниваются с измеряемым напряжением , если напряжениев какой-либо точке выборки превышает, то в этот момент времени на выходе преобразователя формируется импульс.

Поскольку опорное напряжение является случайным сигналом, образование импульсов на выходе эргодического преобразователя является случайным процессом. Но случайная последовательность, будучи получена из измеряемого сигнала, содержит всю информацию об исходном сигнале.

Случайное опорное напряжение

Принципиальным отличием СЭМ-приборов является применение в них опорного сигнала, который не описывается ни постоянной, ни переменной, ни даже детерминированной функцией. Опорное напряжение само является случайным и определяется только через свои статистические параметры, а именно, напряжение равномерно распределено в интервале и равно нулю во всех других областях.

Функция плотности вероятности для случайного опорного напряжения:

Генерация случайного опорного напряжения

Использовать физические источники шума, такие как резисторы, лавинные и туннельные диоды, транзисторы затруднительно, так как они генерируют шум с распределением близким к нормальному, поэтому для правильной работы необходимо этот шум преобразовать в равномерно распределённый с помощью функционального (диодного) преобразователя.

Другой способ получения равномерно распределённого напряжения заключается в следующем. Вначале генерируется регулярный сигнал пилообразной формы, который затем модулируется по частоте напряжением теплового шума транзистора. Поскольку сигнал пилообразный изменяется по линейному закону, то плотность его распределения в произвольный момент времени оказывается постоянной величиной в пределах амплитуды пилообразного напряжения. Однако для обеспечения достаточной равномерности распределения и уменьшения автокорреляции случайного сигнала требуется, чтобы пилообразное напряжение генерировалось с частотой, значительно большей, чем частота тактовых импульсов преобразователя напряжение-вероятность.

Более высоким быстродействием обладает генератор случайного напряжения, в котором используется датчик случайных (псевдослучайных) чисел с последующим преобразованием код-напряжение.

Если входное напряжение изменяется в тех же пределах что и случайное, а компаратор вырабатывает логический уровень 1 при выполнении условия , то вероятность появления «1» на выходе компаратора будет:

В случае, когда входное напряжение знакопостоянно, удобно выбрать , и тогда

С помощью конъюнктора, на один из входов которых поступают тактовые импульсы с частотой , осуществляется синхронизация выходной последовательности.

На выходе эргодического преобразователя информация об измеряемой величине содержится в вероятности появления импульса на выходе преобразователя, а не в детерминированной последовательности единиц и нулей, как в других цифровых кодах.

Последним этапом в СЭМ-процессе является выделение измеряемой величины из последовательности выходных импульсов эргодического преобразователя. Эта операция может быть выполнена как цифровой, так и аналоговой схемой.

При цифровом методе выделения число выходных импульсов преобразователя делится на число тактовых импульсов, которое генерируется за установленный интервал времени, то есть накапливающий счётчик. Интервал измерения устанавливается достаточно коротким, чтобы обеспечивалась необходимая частота обновления данных, и в то же время достаточно длинным, чтобы обеспечивалась необходимая точность измерения. Точность пропорциональна квадрату длинны посылки последних импульсов .

где – относительная точка,– коэффициент при доверительной вероятности,– длина посылки.

При более простом аналоговом методе выделения используется резистивно-ёмкостная схема, которая усредняет выходные импульсы преобразователя.

Вследствие того, что при использовании стохастическо-эргодического метода (СЭМ) измерения требуется сложная обработка сигнала, этот метод не дает каких-либо особых преимуществ в случае одного простого сигнала. Однако его преимущества становятся совершенно очевидными, когда сигнал необходимо подвергнуть дальнейшей обработке или когда значения этого сигнала необходимо скомбинировать со значениями другого сигнала.

Применение СЭМ преобразователей

СЭМ метод позволяет измерять среднеквадратическое значение сигнала путем возведения измеряемых значений сигнала в квадрат, вычисление среднего значения и извлечение квадратного корня; определить мощность сигнала, путём применения двух каналов, а также определять корреляционные зависимости. То есть данный прибор удобен в следующих трёх видах измерения:

- измерения, когда результаты не должны зависеть от формы сигнала;

- определение активной мощности;

- корреляционные измерения.

Для замера сигнала с шумами – сигнал подается на два разных входа и, при этом два измеряемых сигнала будут равныи, где– напряжения помех.

При усреднении произведения получим, так как среднее значение произведения статически независимых величин, то есть взаимная корреляционная функция равна нулю.