книги из ГПНТБ / Калинчук, Б. А. Анализаторы инфразвуковых случайных процессов

Частота дискретизации /д выбирается в зависимости от спектра процессов, интервалов их корреляции и заданной точности интер­ поляции R (т) по дискретным данным. Чем шире спектр входных сигналов, тем выше выбирается частота его временной дискретиза­ ции. Для подсчета Qmin выбираем /дтах = 1/7"д ті|1:

С другой стороны, запишем выражение, определяющее выбор соотношения между /п и тзар из условия обеспечения линейности

протекания заряда емкостей БН R за время однократного подклю­ чения. Обеспечение линейности заряда необходимо в силу того, что выходное напряжение БУ, как было показано выше, при из­ менении значений мгновенных произведений сигналов в у ■= = £ t/\. t раз само по величине не меняется. При этом проис­

ходит лишь автоматическая схемная перестройка цепей заряда емкостей Б Нн, причем тзар при увеличении значения мгновенного произведения выборок сигналов в у раз во столько же раз умень­ шается. При линейном характере протекания процесса заряда это обеспечивает накопление на емкости в у раз большего напряжения.

Положив, что нелинейность скорости протекания процесса за­ ряда, т. е. разность производных напряжения на С в начале 0 С

0 СІ=І. = j t {UBX(1 —exp ( —thгзар)) ,

решим разностное уравнение относительно тзар. При этом прибли­ женно можно записать:

100

ного сопротивления, определим величину дополнительного сопро­ тивления /?д0П, подключаемого параллельно R 3Bp в тех случаях, когда выборка сигнала х (t) оказывается в высшем интервале кван­ тования:

Подключение Ддоп производится магнитоуправляемым контак­ том М101, управляемым через усилитель схемой сложения при ад­ ресации информации из оперативной памяти прибора в БУ.

1-6. Устройства индикации и регистрации результатов корреляционного анализа

Вывод результатов — последняя стадия корреляционных изме­ рений — в зависимости от избранных для этого средств оказывает существенное влияние на схемное решение и конструктивное по­ строение коррелометра.

Вычисленная корреляционная функция выводится на индика­ торные приборы либо регистрируется в виде графика или таблицы в определенном интервале относительного сдвига т с помощью са­ мопишущих, цифропечатающих или перфорирующих устройств.

Выбор тех или иных средств индикации и регистрации корреля­ ционных функций в первую очередь определяется целью корреля­ ционного анализа, назначением коррелометра и условиями исполь­ зования результатов корреляционных измерений. В коррелометрах, обрабатывающих случайные процессы, зарегистрированные на раз­ личных носителях (магнитная лента, диаграммная бумага, кино­ лента, теневой график, перфокарты), результаты измерений обычно регистрируются самопишущими или цифропечатающими устройст­ вами. Целесообразно также применение перфорирующих устройств, если результаты корреляционного анализа должны быть использо­ ваны в качестве исходных данных для универсальных ЭЦВМ.

В коррелометрах экспресс-анализа с непосредственным вводом данных обычно предусматриваются встроенные показывающие при­ боры (электронно-лучевая трубка, цифровое табло, стрелочный прибор), либо результаты в процессе и по окончании измерений вы­ водятся на внешний электронный осциллограф или цифровой вольт­ метр. Для документирования и проверки результатов экспрессанализа в коррелометрах этого вида также могут применяться ре­ гистрирующие устройства; при этом одновременно обычно реги­ стрируются и исследуемые случайные сигналы.

101

Иногда выбор средств индикации результата измерений зависит от метода вычисления корреляционной функции. Так, например, в некоторых знакосочетательных коррелометрах применяются элек­ тромеханические счетчики импульсов [134], а в электронном кор­ реляторе [135], определяющем первые шесть коэффициентов раз­ ложения корреляционной функции в ряд Лагерра, используется специальная приставка — «синтезатор корреляционных функций»— для автоматического построения графика на экране осциллографа.

Использование аналоговых или цифровых средств индикации и регистрации результата обычно связано с типом применяемого ариф­ метического устройства, хотя в некоторых коррелометрах преду­ смотрен вывод результатов и в аналоговой и в цифровой форме.

Включение какого-либо регистрирующего прибора требует со­ ответствующего построения выходных цепей коррелометра (вклю­ чения согласующих звеньев усилителей). В свою очередь, в неко­ торых приборах регистрирующие устройства используются и как функциональные элементы вычислительного устройства, например, для задания относительной временной задержки случайных сигна­ лов (в корреляторе КА-2 [14]).

В коррелометрах инфранизкочастотного диапазона в качестве устройств индикации результата обычно используют следующие элементы: встроенную электронно-лучевую трубку ЭЛТ или внеш­ ний осциллограф, стрелочный прибор, цифровое табло, электро­ механические счетчики.

Для регистрации результатов анализа здесь обычно использу­ ются: самописцы, шлефные осциллографы, цифропечатающие ма­ шинки, перфораторы.

Электронный осциллограф является наиболее удобным средст­ вом индикации результатов корреляционных измерений вследствие широкого распространения этих приборов, простоты обращения, возможности визуального наблюдения промежуточных и оконча­ тельных результатов измерений. При соответствующей калибровке осциллограф может использоваться не только для качественных, но и для количественных оценок значений R (т). Электронный ос­ циллограф может применяться в комплекте с коррелометрами, вы­ числяющими непосредственно корреляционную функцию [14], функцию знаковой корреляции, коэффициенты разложения корре­ ляционной функции в ряд по полиномам Лагерра [135]. Электрон­ ный осциллограф является незаменимым индикаторным прибором при разделении сигналов по форме [135]. Применение осциллографа совместно с многоканальными цифровыми коррелометрами также полезно, однако в этом случае необходимо обеспечить вывод резуль­ татов измерений в аналоговой форме.

Применение электронного осциллографа или встроенной элек­ тронно-лучевой трубки в многоканальных коррелометрах экспрессанализа оказывает большое влияние на улучшение эксплуатацион­

102

зволяет оператору достаточно быстро качественно оценить интервал корреляции исследуемых процессов и соответственно выбрать величину максимальной приборной задержки. По характеру изме­ нений оценки корреляционной функции в процессе измерений опе­ ратор может ограничить и длительность анализа, необходимую для получения оценки R (т).

При использовании коррелометра в качестве анализирующего звена ИИС визуализация корреляционной функции в процессе из­ мерений позволяет принимать оперативные решения о корректи­ ровке эксперимента непосредственно в ходе его протекания.

Выходные блоки коррелометров обычно содержат буферные со­ гласующие устройства для подключения внешних приборов. В 100-канальном коррелометре — спектроанализаторе инфранизкочастотного диапазона [95] осциллограф подключается к блоку на­ копления ординат корреляционной функции через выходной эмиттерный повторитель на полевом транзисторе. Все 100 емкостей блока накопления последовательно подключаются коммутатором ко входу этого эмиттерного повторителя, и на экране осциллографа в течение каждого цикла наблюдается кривая R (т), точки которой получены непрерывным осреднением за время, истекшее от начала измерений. По этому изображению можно качественно оценить изменение оценки корреляционной функции от цикла к циклу.

100-точечный цифро-аналоговый коррелометр фирмы «Принстон Эпплайд Рисерг», выполняющий коррёляционный анализ сигналов в реальном масштабе времени, выводит результаты на осцилло­ граф или другое внешнее устройство через буферный усилитель. Кроме последовательного вывода 100 точек корреляционной функ­ ции путем считывания с запоминающих емкостей, в приборе пре­ дусмотрено сглаживание выходного сигнала, благодаря чему 100 дискретных точек корреляционной функции могут быть трансфор­ мированы в непрерывную кривую. Возможность получения непре­ рывной кривой оказывается особенно полезной при наблюдении сложных корреляционных функций, так как в этом случае облег­ чается интерпретация результата измерений.

Встроенные ЭЛТ для индикации результатов корреляционного анализа применяются пока значительно реже, чем осциллографы. Примененная в 100-точечном коррелометре «Модель 3721 А» фирмы «Паккард» ЭЛТ служит для индикации формы и точного отсчета значений 100 точек аппроксимирующих корреляционную функцию. По окончании измерений прибор одновременно с изображением корреляционной функции на экране ЭЛТ автоматически выдает пределы измерений по осям прямоугольного экрана трубки.

В автоматическом цифровом коррелометре параллельно-после­ довательного действия [136], блок-схема устройства вывода кото­ рого показана на рис. 1-56, также применяется ЭЛТ.

Вывод результатов на ЭЛТ осуществляется как во время изме­ рений так и после их окончания. Горизонтальная развертка произ­ водится от адресного счетчика АС через цифро-аналоговый преобра­

101

зователь ЦАП2 и усилитель горизонтального отклонения. На уси­ литель вертикального отклонения УВО подается сигнал с выхода реверсивного сумматора произведений РСП через ЦАП1.

На ЭЛТ можно просматривать и входные случайные сигналы. Для этого на АС подаются тактовые импульсы со схемы пересчета, а входной сигнал подается непосредственно на УВО.

Индикация результатов измерений встроенными в аппаратуру стрелочными приборами получила в аналоговых и цифро-аналого­ вых коррелометрах широкое распространение, большее, чем инди­ кация осциллографами. Обычно наряду с использованием стрелоч­ ного индикатора в коррелометрах предусматривается вывод резуль­ татов на самописец. Поэтому функции стрелочного прибора состоят

сигналов X (t) и у (t) определяется стрелочным прибором путем те­ кущего интегрирования и усреднения. Шкала прибора градуиро­ вана в значениях нормированной функции корреляции, а угол по­ ворота стрелки пропорционален вероятности Р__ . В 100-канальном

коррелометре-спектроанализаторе стрелочный прибор используется только для автоматической индикации результатов в режиме «чте­ ние R (т)». В этом режиме стрелочный прибор подключается к вы­ ходу эмиттерного повторителя с высоким входным сопротивлением (порядка 5 Мом)\ применение эмиттерного повторителя позволяет уменьшить разряд емкостей блока накопления ординат корреля­ ционной функции через стрелочный прибор. Коммутатор последо­ вательно подключает каждую емкость через эмиттерный повтори­ тель к стрелочному прибору. Результаты последовательного спек­ трального анализа (Фурье-преобразования корреляционной функ­ ции) выводятся на этот же стрелочный прибор.

Индикация результатов корреляционного анализа в цифровой форме применяется в коррелометрах с цифровыми арифметическими устройствами и выполняется цифровыми табло на декатронах, ин­ дикаторных лампах, неоновых лампах, светодиодах. Декатроны и индикаторные лампы обычно включаются как многодекадные пересчетные схемы и индицируют на своих экранах результат изме­ рений в десятичной системе счисления. Декатронное устройство

104

вывода результатов, примененное в цифровом электронном устрой­ стве для автоматического вычисления коэффициента корреляции [137], состоит из логической схемы {ЛС) и трех последовательно включенных индикаторных декатронов. По окончании вычисления коэффициента в зависимости от знака результата, записанного в сумматоре, ЛС настраивает реверсивный сумматор на сложение или вычитание. Вывод результата состоит в пересчете декатронами импульсов, поступающих из устройства управления и заполняю­ щих сумматор, и прекращается по сигналу ЛС устройства вывода результатов. Результат представляется на экранах декатронов трех­ значным десятичным числом и может быть зарегистрирован внеш­ ним печатающим устройством, подключаемым к коррелометру.

В описанном устройстве декатроны являются только индикато­ рами, на которые последовательно выводятся результаты вычисле­

держит четырехдекадный счетчик на декатронах, который одновре­ менно выполняет реверсивный счет импульсов и индицирует резуль­ тат в десятичной форме. На счетчике положительное значение кор­ реляционной функции представляется числом 0000 N <5000, а отрицательное — 9999^ N^>5000, при этом величина отрицатель­ ного числа определяется как — [10000 — ./V]. Напряжения с выхо­ дов всех 20 счетчиков можно поочередно вывести на осциллограф или самописец.

Вкоррелометре-спектроанализаторе [95] лампы типа ИН ис­ пользуются для фиксирования номера выводимой на встроенный стрелочный прибор или внешний цифровой вольтметр ВК7-10А ординаты корреляционной функции. Оператор может остановить процесс вывода результата на стрелочный прибор при любом но­ мере ординаты R (т), а затем продолжить вывод со следующего но­ мера.

Водноканальных и десятиканальном знакосочетательном кор­

релометре [134] индикация результатов анализа осуществляется по шкалам использованных в этих приборах стандартных электро­ механических счетчиков.

Применение неоновых ламп типа ТН и светодиодов позволяет строить простые блоки индикации результатов с представлением информации в двоичной форме. В квазимультипликационном кор­ релометре параллельно-последовательного действия [90, 101 ], определяющем одновременно дисперсию и 5 точек корреляционной функции, результат накапливается шестью семнадцатиразрядными двоичными счетчиками, к триггерам которых через согласующие сопротивления подключены светодиоды СД-9. Индикацию знака выполняет светодиод, подключенный к соответствующему плечу триггера знака результата.

В качестве устройств регистрации результатов корреляционного анализа наиболее часто используются самописцы. Преобладающее применение самописцев объясняется наглядностью представления

105

результата в виде графика R (т) в прямоугольной системе коорди­ нат, простотой согласования самописца с коррелометром и тем, что аналоговые коррелометры появились раньше цифровых. Запись коррелограммы на диаграммной бумажной ленте при известных мас­ штабах по осям координат позволяет достаточно точно определять не только вид, но и значения зафиксированной корреляционной функции и использовать коррелограмму как исходный материал для дальнейшей математической обработки. Такая возможность реализована в электронном анализаторе случайных процессов ЭАСП —С [75], вычисляющем авто — и взаимные корреляционные функции и спектральную плотность мощности стационарных слу­ чайных процессов. Результат корреляционных измерений самопис­ цем устройства вывода регистрируется на диаграммной ленте в виде отдельных-точек графика R (т), которые от руки соединяются сплош­ ной линией. Полученная кривая используется для вычисления спектра мощности Фурье — преобразованием корреляционной функции. График спектра мощности также в виде отдельных точек печатается самописцем на бумажной ленте.

Для регистрации отдельных точек кривой R (т) при фиксиро­ ванных значениях задержки т = kAx можно использовать описан­ ную в [133] схему регистрирующего устройства на базе одноперье­ вого потенциометра ЭПП-09 (схема представлена на рис. 1-57).

Сигнал на вход регистрирующего устройства поступает с выхода интегрирующего блока коррелятора. Электродвигатель М, управ­ ляемый напряжением AU разности сигналов, снимаемых с потен­ циометра R M и реостата Rx, вращаясь, перемещает перо самописца и движок реостата Rx таким образом, что сигнал АU уменьшается. В это время перо самописца контакта с бумагой не имеет. По окон­ чании процесса вычисления очередного значения R (т) устройство автоматического управления выдает сигнал на печатающий электро­ магнит ПЭМ, приводящий перо в соприкосновение с бумагой. На­ печатанная при этом точка удалена от условной оси на расстояние, пропорциональное вычисленному значению R (т); совокупность таких точек дает изображение корреляционной функции в прямо­ угольной системе координат. Масштаб по оси ординат определяется через известные передаточные коэффициенты устройств прибора и устанавливается резисторами R ü и R M. Масштаб по аргументу т вводится оператором до начала работы исходя из требований, предъявляемых к определяемой корреляционной функции.

Функции самописцев, применяемых в устройствах вывода ре­ зультатов коррелометров, не ограничиваются только регистрацией точек графика корреляционной функции.

Более совершенная схема включения самописца, использован­ ная в коррелографе НК-200 [97], позволила снизить погрешность интегрирования до 1% за счет измерения напряжения на интегра­ торе компенсационным методом. Схема включения узлов блока ин­ тегрирования и регистрации результатов приведена на рис. 1-58.

Интегратор, представляющий собой Т^С-цепь, объединен с само­

106

писцем ЭПП — 209 через емкостной коммутатор, входное сопротив­ ление которого равно 10 000 Мом. Емкостной коммутатор состоит из угольного токосъемника, ротора с двумя пластинами и четырех пар статорных пластин, соединенных в два звена, на одно из кото­ рых 2—4 подается напряжение с выхода І^С-интегратора, а на дру­ гое 1—3 — компенсирующее напряжение с реохорда обратной связи самописца. Таким образом, емкостной коммутатор служит нуль-органом следящей системы самописца. Емкостной коммута­ тор преобразует постоянное напряжение интегратора в переменное с частотой 50 гц, амплитуда которого зависит от величины напря­ жения между статорными пластинами, а фаза — от его полярности

и положения, с которого ротор начинает свое вращение (фаза устанавливается и проверяется с помощью контрольного напря­

точек. После регистрации очередной точки подается сигнал на про­ тяжку бумаги, сброс интегратора и начало вычисления следующей точки корреляционной функции.

Описанные выше коррелометры, результаты вычислений которых регистрируются самописцами, определяют одновременно только одну статистическую характеристику —• корреляционную функ­ цию — и записывают ее в виде коррелограммы. В отличие от них анализатор теневых графиков АТГ (в) [132], работающий в ком­ плекте с ЭВМ и вычисляющий одновременно 3 характеристики, содержит в блоке регистрации два самописца. Один из них записы­ вает корреляционную функцию, вычисляемую по 100 и более точ­ кам, другой записывает две кривые распределения, каждая из ко­ торых вычисляется по 50 точкам.

Запись результата в виде графика корреляционной функции можно выполнить и шлейфным осциллографом. Шлейфные осцил­

107

лографы в качестве регистраторов коррелометров инфранизкочастотного диапазона применяются значительно реже, чем самописцы, однако использование широкой фотобумаги типа УФ, не требую­ щей химического проявления и позволяющей записывать одновре­ менно несколько процессов, наличие высокочувствительных гальва­ нометров, работающих в широком частотном диапазоне, выполне­ ние записи электронным лучом вместо пера, закрепленного на ме­ ханическом узле самопйсца,— все эти качества способствуют распространению шлейфных осциллографов в этой области.

Использование многолучевого шлейфного осциллографа пред­ ставляется особенно удобным совместно с коррелометром экспрессанализа, вычисляющим корреляционные функции случайных сиг­ налов, поступающих непосредственно от датчиков. В этом случае шлейфным осциллографом можно одновременно регистрировать исследуемые случайные процессы х (/) и у (t), и их взаимную корре­ ляционную функцию Rxy (т). Впоследствии эти записи исходных случайных процессов могут быть использованы для дальнейшей обработки универсальными статистическими анализаторами или ЭВМ.

Многолучевой шлейфный осциллограф типа Н-115, используе­ мый в качестве регистрирующего устройства коррелометр а-спектро­ анализатора [951, подключается к последнему через блок согласо­ вания. Блок согласования содержит 4 однотипных согласующих устройства (СУ), каждое из которых представляет собой трехкас­ кадный транзисторный усилитель постоянного тока, работающий совместно с одним гальванометром осциллографа.

Для повышения входного сопротивления на входе усилителя включен эмиттерный повторитель. СУ обеспечивает регулировку амплитуды входного сигнала и*совмещение нулевой точки гальва­ нометра, подключенного к СУ, с нулевой точкой гальванометра при закороченном выходе. Помимо регистрации случайных про­ цессов и их корреляционной функции на ленте шлейфного осцилло­ графа синхронно наносится координатная сетка в виде продольных линий с шагом 2 мм, а также отметки времени через интервалы 2 ,0 ;

0 ,2 ; 0 ,0 2 ; 0,002 сек.

Блоки регистрации результатов, содержащие самописец или шлейфный осциллограф, применяются в аналоговых корреломет­ рах и в цифровых коррелометрах, имеющих аналоговый выход. Обычно же в цифровых коррелометрах результаты измерений ре­ гистрируются посредством цифропечатающих или перфорирующих устройств. Вывод на цифропечать выполняется электрическими пишущими машинками или устройствами динамической печати. При­ мером использования электрической пишущей машинки для печати таблицы результатов измерений в десятичной форме может служить выводное устройство дискретной измерительной корреляционной системы (ДИКС), описанное в [134]. Схема устройства вывода ДИКС представлена на рис. 1-59.

По сигналу устройства управления УУ, проходящему через

108

вентиль В, результаты вычислений, поступающие из арифметиче­ ского устройства АУ в двоичный счетчик 1, передаются в двоично­ десятичный счетчик 2, а затем через диодный дешифратор на элек­ трическую пишущую машинку. Пишущая машинка модернизи­ рована и печатает результат в виде таблицы трехразрядных деся­ тичных чисел со скоростью три числа в секунду.

Существенное повышение скорости корреляционного анализа, выполняемого цифровыми коррелометрами, требует увеличения скорости вывода результатов измерений. Так, например, модерни­ зированная ЦПМ, примененная в системе ДИКС, обеспечивает вывод трех чисел в секунду, хотя на вычисление одной точки корре-

ляционной функции система затрачивает примерно 0,05 сек. Отли­ чие скоростей вычисления и регистрации результатов посредством ЦПМ становится еще больше при использовании многоканальных цифровых коррелометров. Увеличения скорости печати результа­ тов можно добиться применением быстродействующих устройств динамической печати, обеспечивающих параллельный вывод ин­ формации.

Оцифрованный печатающий барабан устройства выдает в систему управления импульсы синхронизации, представляющие каждую цифру кодом. В качестве дешифратора для устройства динамиче­ ской печати предлагается использовать многоустойчивые элементы [37], представляющие выводимую информацию в фазо-импульсном коде.

Блок-схема цифропечатающего механизма с дешифратором на многоустойчивых элементах показана на рис. 1-60.

Импульсная последовательность, представляющая выводимую информацию, поступает на счетчик-дешифратор, в разрядах кото­ рого происходит соответствующее изменение фазы импульсной

109