Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Информационно-измерительные системы

Диссертационная работа:

Гуржин Сергей Григорьевич. Повышение эффективности регистрации измерительных сигналов на базе интегрирующих преобразований в системах цифрового осциллографирования : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.16 : Рязань, 2003 273 c. РГБ ОД, 61:04-5/260-6

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕ
ГИСТРАЦИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ
ЦИФРОВОГО ОСЦИЛЛОГРАФИРОВАНИЯ 13

  1. Вводные замечания 13

  2. Анализ измерительных сигналов и ситуаций в системах цифрового осциллограф ирования (СЦО) 16

  3. Особенности согласования параметров цифровых регистраторов с характеристиками исследуемых сигналов в условиях действия помех 24

  4. Анализ методов повышения эффективности средств регистрации измерительных сигналов 35

1.5. Пути построения интегрирующих цифровых регистраторов (ИЦР)
для СЦО 43

1.6. Выводы 50

2. МЕТОДЫ ИНТЕГРИРУЮЩЕГО ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВА
НИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПЕРИОДИЧЕСКИХ И ПОВТОРЯЮЩИХ
СЯ СИГНАЛОВ „ 51

  1. Вводные замечания 51

  2. Характерные особенности, основные принципы и способы регистрации периодических сигналов при наличии помех 52

  3. Эффективность интегрирующего следящего преобразования при оперативной регистрации и выделении формы периодических сигналов на фоне помех 65

2.4. Схемные реализации метода, алгоритмы функционирования и по
казатели эффективности 74

2.5. Выводы 82

3. ИНТЕГРИРУЮЩЕЕ ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И РЕГИ
СТРАЦИЯ ПОВТОРЯЮЩИХСЯ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ КОР
РЕЛЯЦИОННОГО СОГЛАСОВАНИЯ 83

  1. Вводные замечания *. 83

  2. Анализ и разработка способов оперативной обработки и регистрации повторяющихся сигналов 84

  1. Корреляционные методы повышения эффективности регистрации повторяющихся сигналов на фоне помех 90

  2. Структурно-алгоритмические, аппаратные реализации метода его модификаций и оценка их эффективности 101

  3. Выводы 110

4. МЕТОДЫ ИНТЕГРИРУЮЩЕГО ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВА
НИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ОДНОКРАТНЫХ СИГНАЛОВ 112

  1. Вводные замечания 112

  2. Анализ оперативных алгоритмов сглаживания для согласованной регистрации однократных сигналов 113

  3. Эффективность интегрирующего преобразования при оперативной регистрации и выделении формы однократных сигналов на фоне помех 123

  4. Структурные и алгоритмические реализации 127

  5. Выводы 134

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ИЦО 135

  1. Базовые модели для построения ИЦО 135

  2. Внедренные модели '. 154

  3. Перспективы развития СЦО 156

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 161

ЛИТЕРАТУРА 164

ПРИЛОЖЕНИЯ 178

Введение к работе:

Актуальность темы. Проблема повышения эффективности средств измерений возникает при решении большого ряда задач получения адекватных моделей изучаемых явлений, что вызывает необходимость разработки новых, более совершенных принципов построения и алгоритмов функционирования аппаратных средств и методов обработки измерительной информации. Уровень основных метрологических характеристик: точности, разрешающей способности, быстродействия, динамического диапазона исследуемых сигналов определяет эффективность информационно-измерительных систем (ИИС) и приборов.

Среди высокоточных и универсальных ИИС и приборов особое место занимает класс средств цифровой осциллографии, поскольку является одним из немногих, позволяющих регистрировать различные динамические процессы и воспроизводить их форму для детального анализа и измерения в реальном или трансформированном масштабе времени.

В развитие научного направления измерительной техники — цифровая осциллография (ЦО) значительный вклад внесли Беркутов A.M., Гири-венко И.П., Гутников B.C., Денисов А.Ф., Денбновецкий СВ., Малиновский В.Н., Моисеенко А.С., Найденов А.И., Прошин Е.М. и другие ученые [118,72,98,103,104,105]. О перспективности этого направления ярко свидетельствуют темпы разработок и выпуска ЦО зарубежными фирмами, среди которых такие приборостроительные гиганты, как Hewlett-Packard, Tektronix, Nicolet (США), Gould, Thorn EMI, Solartron (Великобритания), Philips (Нидерланды), Rene Maurer (Швейцария), Hitachi, Iwatsu (Япония) [98].

Однако практика использования цифровых осциллографов при изучении динамических процессов в важнейших областях знаний - электронике, радиотехнике, машиностроении, физике, медицине, биологии и других показала, что большое количество задач, связанных с необходимостью

регистрации сложных широкодиапазонных сигналов в условиях априорной неопределенности их информационных параметров и при наличии интенсивных помех, требует постоянного наращивания эффективности ЦО [98].

Известные методы повышения точности и быстродействия средств динамических измерений непосредственно в цифровой осциллографии сдерживалось рядом факторов:

отсутствием надежных методов оперативного согласования параметров цифровых осциллографов с информационными характеристиками динамических сигналов при регистрации в условиях априорной неопределенности их значений и действия помех;

отсутствием оперативных методов временного анализа и обработки сигналов, учитывающих условия синхронизации и характерные особенности процесса регистрации;

ограниченностью быстродействия традиционных способов и средств преобразования, регистрации и обработки сигналов;

слабо развитыми функциональными возможностями структурной перестройки ЦО в зависимости от уровня априорных знаний о характеристиках измерительных сигналов и мешающих воздействий;

сложностью и продолжительностью не адаптированных к ЦО вычислительных процедур классических методов обработки сигналов.

Перечисленные вопросы могут быть в значительной мере разрешены путем применения новых методов помехозащищенной синхронизации ос-циллографирования, интегральных методов преобразования сигналов, адаптивных методов выделения и оценки их формы и представления на экране.

Цель работы. Целью диссертации является повышение эффективности средств цифровой регистрации и осциллографирования измерительных сигналов путем разработки методов и алгоритмов помехоустойчивой синхронизации, оперативного согласования характеристик, регистрации и вы-

деления формы сигнала на основе интегрирующих преобразований.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

исследование особенностей цифровой регистрации измерительных сигналов в условиях действия помех и малой априорной информации об их параметрах;

разработка методов помехоустойчивой синхронизации и оперативного согласования параметров цифрового регистратора с параметрами изучаемых сигналов;

разработка и исследование интегральных методов выделения и регистрации формы измерительных сигналов в цифровой осциллографии на фоне случайных помех;

разработка способов повышения быстродействия цифрового регистратора и принципов построения его основных функциональных блоков;

разработка алгоритмов и структур интегрирующих цифровых регистраторов (ИЦР) и оценка их эффективности;

внедрение результатов теоретических исследований в практику проектирования и производства средств цифровой регистрации и осциллографии.

Методы исследования. В работе использовались основные положения теории вероятности, математической статистики, математического анализа. Проведено математическое и имитационное моделирование сигналов, алгоритмов преобразования, регистрации, измерительных ситуаций с помощью математического пакета прикладных программ MathCad 2000 Pro.

Научная новизна. В диссертации получены следующие научные результаты:

- сформулированы принципы помехоустойчивой цифровой регист-

рации измерительных сигналов с применением интегрирующих преобразований в процессе регистрации в условиях высокой априорной неопределенности информационных параметров и действия помех;

разработаны методы помехоустойчивой синхронизации и оперативного согласования параметров цифрового регистратора с параметрами изучаемых сигналов с использованием интегрирующих преобразований;

разработаны и исследованы методы выделения и регистрации формы сигналов на фоне случайных помех на базе интегрирующих преобразований, позволяющие повысить точность представления сложных сигналов и измерения их отдельных или интегральных параметров;

разработаны способы повышения быстродействия ИЦР, структурные схемы ИЦР, показаны пути их дальнейшего развития и области применения.

Практическая ценность и значимость результатов.

Разработанные методы, алгоритмы и технические решения позволили создать ряд моделей и серийных образцов цифровых регистраторов измерительных сигналов, существенно повышающих точность, быстродействие, помехоустойчивость осциллографических измерений и уровень их автоматизации.

Лучшие модели приборов (ОЦР-8, ОЦР-10, ОЦР-12, ОЦА-1, ОЦМ-7, ОЦР-14, НА, 14Б, 14М) и систем (МЦР-1, ОЦП-16, СЦО-17, СЦО-18, СЦО-20, СЦО-21) успешно прошли испытания в натурных экспериментах по изучению периодических, повторяющихся и однократных процессов сложной структуры на объектах заказчиков и внедрены на предприятиях, выпускающих аппаратуру цифровой регистрации и обработки сигналов широкого и специального применения.

Результаты работы использованы рядом ведущих предприятий и организаций страны, в числе которых: ВНИИРИП - г. Вильнюс, ВЦКБ «Полюс» - г. Воронеж, МВТУ им. Н.Э. Баумана - г. Москва, ЛИИ им. М.М.

Громова - г. Жуковский и другие.

Оригинальность разработанных методов и реализованных на их основе устройств защищена авторскими свидетельствами на изобретения [1-8], а эффективность и значимость полученных результатов подтверждены выдачей актов внедрения изобретений предприятиями-заказчиками. Работа над моделью ОЦР-8 и передачей ее в серийное производство в 1983 году в составе информационно-измерительного комплекса «Виток-2» была удостоена премии Ленинского комсомола. За активное участие в этом проекте автору присвоено звание лауреата премии Ленинского комсомола в области науки и техники (1984 г.). За разработку и внедрение ряда моделей цифровых регистраторов автор награжден серебряной и двумя бронзовыми медалями ВДНХ СССР, знаком «Изобретатель СССР» и Почетными грамотами различных степеней.

Результаты работы также используются в учебном процессе РГРТА при проведении лабораторного практикума, курсового и дипломного проектирования по разным дисциплинам специальностей «Информационно-измерительная техника» и «Инженерное дело в медико-биологической практике».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные результаты исследований докладывались и обсуждались на I и II всесоюзных НТК «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем» (г. Москва, 1978, 1981 гг.); III, IV, V и VI всесоюзных НТК «Осциллографические методы измерений» (г. Вильнюс, 1979, 1982, 1986, 1990 гг.); II всесоюзной НТК «Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов» (г. Рига, 1983 г.); всесоюзной школе-семинаре «Динамические испытания» (г. Москва, 1987 г.); международной НТК «Технологии и системы сбора, обработки и представления информации» (г. Рязань, 1993 г.); всероссийской НТК «Электромагнитные поля в медицине и биологии» (г. Рязань, 1995 г.);

межвузовской НПК «Здоровье студентов как комплексная проблема: медицинские, экологические и социальные аспекты» (г. Тула, 1996 г.); международной НТК «Проблемы электромагнитной безопасности человека. Фундаментальные и прикладные исследования. Нормирование ЭМП: Философия, Критерии и Гармонизация» (г. Москва, 1999 г.); всероссийской НТК «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомедсистемы - 99 » (г. Рязань, 1999 г.); всероссийской НТК «Медицинские информационные системы - МИС-2000» (г. Таганрог, 2000 г.); международной НТК «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (г. Волгоград, 2000 г.); всероссийской НТК «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомедсистемы - 2000» (г. Рязань, 2000 г.); межрегиональной НПК «Технологии физиотерапии XXI века» (г. Рязань, 2001 г.); всероссийской НТК «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы. Биомедсистемы - 2001» (г. Рязань, 2001 г.); V всероссийском съезде физиотерапевтов и курортологов и Российского научного форума «Физические факторы и здоровье человека» (г. Москва, 2002 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 печатных работ, среди которых научные материалы в 1 книге, 8 авторских свидетельств СССР на изобретения, 22 статьи (5 из них в центральной печати, журналах: «Техника средств связи», «Приборы и системы управления», «Биомедицинские технологии и радиоэлектроника») и 26 докладов на конференциях различных уровней: всесоюзных, республиканских, отраслевых, всероссийских, международных, межвузовских и других.

Положения, выносимые на защиту:

- методы помехоустойчивой синхронизации и регистрации измерительных сигналов, маскируемых помехой, на основе интегрирующих преобразований, позволяющих значительно повысить точность их измерения и представления;

методы оперативного согласования параметров ЦО с характеристиками сигналов в процессе регистрации и выделения их формы на фоне помех путем осуществления интегрирующих преобразований;

методики имитационного моделирования сигналов, измерительных ситуаций, алгоритмов интегрирующего цифрового преобразования, регистрации, оценки показателей их эффективности и визуализации в одном пакете программирования;

алгоритмы и структуры ИЦР, реализующие предложенные методы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 119 наименований и трех приложений, содержит 127 страниц основного текста, 55 рисунков и 3 таблицы на 36 страницах, 96 страниц приложений.

В первой главе показано состояние проблемы повышения точности и быстродействия средств регистрации и осциллографирования измерительных сигналов. Проведен анализ методов уменьшения влияния помех на результаты измерений и сформулированы основные принципы повышения эффективности регистрации и выделения формы измерительных сигналов на фоне помех. Показаны специфические особенности процесса цифровой регистрации периодических, повторяющихся и однократных сигналов и влияние объема априорной информации о сигнале и помехе в осциллогра-фических измерениях. Выбраны и обоснованы показатели эффективности для цифровых регистраторов формы сигналов. Сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе разработан и исследован метод интегрирующего цифрового преобразования и регистрации формы периодических сигналов в условиях имеющейся априорной неопределенности относительно их информационных параметров и действия внешних помех. Показана эффективность использования интегрирующих преобразований, производимых

-li-

no времени и по множеству реализаций над зашумленным сигналом непосредственно в процессе регистрации и совмещенных с основными этапами работы цифрового осциллографа: синхронизацией и оперативным согласованием частотно-временных параметров. Предложенные методы позволили повысить точность регистрации формы измерительных сигналов в 2-3 раза уже при 5...10 накопленных периодах. Разработаны структуры РШР и рассмотрены варианты построения отдельных функциональных блоков, реализующих рекомендованные методы.

В третьей главе разработан и исследован метод интегрирующего цифрового преобразования и регистрации формы повторяющихся сигналов на фоне помех. Показана эффективность применения для данного класса сигналов обработки корреляционного типа, осуществляемой на этапе синхронизации накопления отдельных квазипериодов в реальном масштабе времени. Предложенные модифицированные методы уменьшения погрешности несинхронности накопления и дополнительные возможности повышения эффективности регистрации и выделения формы измерительных сигналов позволяют повысить точность в 7-8 раз уже при 10 накопленных квазипериодах. Приведены варианты структурных реализаций.

В четвертой главе разработан и исследован метод интегрирующего цифрового преобразования и регистрации редкоповторяющихся (однократных) сигналов со значительным уровнем помех. В нем оперативно совмещены процессы адаптивного согласования интервала регистрации с длительностью полезного сигнала и сглаживания случайной составляющей с помощью весовой обработки. Предложены алгоритмы интегрирующего преобразования на основе временной свертки сигнала и различных весовых функций. Проведен сравнительный анализ их сглаживающих свойств, в зависимости от отношения сигнал/помеха, вида плотности распределения мощности помехи (равномерного, нормального и экспоненциального), ширины временного сглаживающего окна, последовательности и количества

производимых преобразований. Дана оценка их эффективности, с учетом оперативности вычислений. Показано, что эффективность проведения процедур сглаживания, особенно на предварительном этапе регистрации повышается в несколько раз. Приведены варианты структурно-алгоритмических реализаций.

В пятой главе рассмотрены вопросы практической реализации аппаратных и программных средств методов интегрирующего цифрового преобразования и регистрации форм измерительных сигналов. Представлены краткие характеристики внедренных моделей ИЦР:

на базе приборов цифровой осциллографии (ОЦР-8, ОЦР-10, ОЦР-12, ОЦА-1, ОЦМ-7, ОЦР-14,14А, 14Б, 14М);

на базе систем цифровой осциллографии (МЦР-1, ОЦП-16, СЦО-17, СЦО-18, СЦО-20, СЦО-21);

на базе специализированных комплексов для оперативного частотно-временного анализа и селекции форм сложных сигналов (Модули временного анализа и обработки "Виток", "Ореол", "Вышка");

на базе микропроцессорных средств, сопрягаемых с ЭВМ (ОЦП-16; одноплатные программируемые высокоскоростные регистраторы ОПСР - 60, 100, 200, 400 МГц; одноплатные многофункциональные высокопроизводительные регистраторы ОМПР — "ИХЭС");

на базе устройств аналогового ввода сигналов для персональных компьютеров (программное обеспечение по моделированию цифровых осциллографов и высокоинформативных измерительных систем).

Показаны перспективы развития СЦО.

В приложениях представлены: I - список и фотографии внедренных моделей и серийных образцов средств ЦО; II - результаты имитационного моделирования ИЦО; III - перечень НИР и акты внедрения результатов диссертации.

Подобные работы
Слепцов Тимофей Владимирович
Повышение эффективности информационно-измерительных систем определения технических характеристик автоматизированных электроприводов
Хмельницкий Денис Валентинович
Повышение эффективности информационно-измерительных систем обработки слабоконтрастных документов
Васильев Андрей Михайлович
Повышение эффективности распределенных информационно-измерительных систем гибких автоматизированных производств
Сидоров Алексей Константинович
Повышение эффективности диагностики информационно-измерительных и управляющих систем при испытаниях робототехнических комплексов
Иванов Виктор Эдуардович
Алгоритмы и средства классификации моноимпульсных сигналов на основе дискретного вейвлет-преобразования в информационно-измерительных системах
Бордюков Антон Геннадьевич
Адаптивная фильтрация квазигармонических помех в информационно-измерительных системах с время-импульсным преобразованием
Комшилова Кира Олеговна
Процессорные информационно-измерительные системы с время-импульсным преобразованием
Шаталов Игорь Евгеньевич
Сопровождение объектов с применением частотно-временных преобразований в информационно-измерительных системах
Зенина Елена Геннадьевна
Моделирование преобразований сигналов в оптико-электронных измерительных сканирующих системах
Григорьев Алексей Сергеевич
Метод повышения помехоустойчивости телеизмерительных информационных систем

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net