32

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ОСНОВИ ТЕОРІЇ І ФУНКЦІОНАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАННЯ ЧАСУ ЗАПІЗНЮВАННЯ СИГНАЛІВ, НЕЧУТЛИВИХ ДО ФАЗОВИХ СПОТВОРЕНЬ ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНИХ КАНАЛІВ

Спеціальність: Радіовимірювальні прилади

Гуцало Олександр Гнатович

Вінниця, 1999 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Серед радіовимірювальних засобів, які використовуються при розробці, настроюванні і експлуатації радіолокаційних, телевізійних та гідроакустичних систем, а також цифрових систем зв'язку і кореляційної обробки сигналів, найбільш вагоме значення мають засоби вимірювання (ЗВ) фазового часу запізнювання (ФЧЗ) та групового часу запізнювання (ГЧЗ) сигналів.

Дослідженням в області вимірювання ФЧЗ та ГЧЗ сигналів присвячена значна кількість робіт вітчизняних наукових шкіл, які очолюють С.М. Маєвський, В.В. Молебний, С.І. П'ятін, Ю.О. Скрипник, В.Я. Суп'ян. Необхідно також відзначити важливу роль у розвитку даної області вимірювання закордонних наукових колективів і особисту роль вчених А.В. Бальчюнайтіса, А.А. Гіліса, В. Діркзена, В. Кохана, Ф. Кенінга, Н. Найквіста, А.А. Свейкати, К.І. Сметаніна, І.Т. Турбовича.

Однією з найважливіших задач, на розв'язання якої були спрямовані зусилля вчених, було підвищення точності вимірювання ФЧЗ і ГЧЗ сигналів. Ця задача розв'язувалась, головним чином, на основі структурних методів підвищення точності, які, в значній мірі, досліджені вченими К.Л. Куліковським, П.П. Орнатським, Ю.О. Скрипником, Ю.М. Тузом.

Враховуючи досягнення в даній області вимірювання, необхідно відзначити, що основним недоліком відомих ЗВ ФЧЗ сигналів є неоднозначність вимірювання, а ЗВ ГЧЗ - методична похибка. Крім цього, відомим ЗВ, а також засобам їх метрологічного забезпечення властива значна чутливість до фазових спотворень сигналів у перетворювальних каналах, яка призводить до зниження їх точності.

У зв'язку з відзначеними недоліками, виникла необхідність у розв'язанні актуальної в даній області вимірювання науково-технічної теми, пов'язаної з розробкою ЗВ ФЧЗ і ГЧЗ сигналів та засобів їх метрологічного забезпечення з підвищеною точністю. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у Вінницькому державному технічному університеті згідно з тематичними планами проведення госп. договірних робіт (номер державної реєстрації 01860106643, номер державної реєстрації 01860127709, темі №3141) та тематичними планами проведення НДДКР за рахунок коштів державного бюджету, узгодженими з Міністерством освіти України (номер державної реєстрації 0193U029454), які пов'язані з розробкою ЗВ ФЧЗ і ГЧЗ сигналів.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка основ теорії і функціонального проектування ЗВ ФЧЗ і ГЧЗ сигналів та пристроїв їх перевірки, яким властива нечутливість до фазових спотворень перетворювальних каналів.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:

- розроблено основи теорії фазових і амплітудних спотворень сигналів складної спектральної структури, обумовлених не лінійністю фазочастотних характеристик (ФЧХ) та нерівномірністю амплітудно-частотних характеристик (АЧХ) чотириполюсників;

- розроблено основи функціонального проектування ЗВ ФЧЗ сигналів, які забезпечують уникнення неоднозначності вимірювання;

- розроблено алгоритми розрахунку ГЧЗ сигналів складної спектральної структури, на основі яких синтезовано структури ЗВ, які забезпечують уникнення методичної похибки і характеризуються нечутливістю до фазових спотворень перетворювальних каналів;

- розроблено основи функціонального проектування ЗВ ГЧЗ імпульсних сигналів і підтверджена ефективність вимірювання частотних характеристик (ЧХ) ГЧЗ каналів зв'язку за методом двох-тонального амплітудно-модульованого (АМ) сигналу;

- розроблено основи функціонального проектування ЗВ не ідентичності ЧХ ГЧЗ чотириполюсників;

- розроблено методи атестації зразкових мір часу запізнювання сигналів і принципи побудови на їх основі пристроїв перевірки ЗВ ФЧЗ і ГЧЗ сигналів.

Наукова новизна одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в розробці теоретично обґрунтованих основ функціонального проектування ЗВ ФЧЗ і ГЧЗ сигналів та пристроїв їх перевірки, які нечутливі до фазових спотворень перетворювальних каналів.

В роботі отримані наступні наукові результати:

1. Встановлено перевагу двох-тональних АМ сигналів перед одно-тональними, яка полягає в тому, що їх використання забезпечує підвищення точності вимірювання ЧХ ГЧЗ чотириполюсників, ФЧХ яких апроксимується поліномом четвертого степеня;

2. Вперше розроблено алгоритми розрахунку ФЧЗ сигналів та частоти вимірювального сигналу, при якій забезпечується уникнення неоднозначності вимірювання;

3. Здійснено подальший розвиток функціонального проектування ЗВ ФЧЗ та ГЧЗ сигналів, які характеризуються підвищеною точністю;

4. Вперше розроблено алгоритми розрахунку ГЧЗ та нові принципи побудови приймальних пристроїв ЗВ нерівномірності ЧХ ГЧЗ каналів зв'язку, особливість яких полягає в тому, що такі пристрої функціонують без опорного генератора на приймальному пункті;

5. Доведено, що ЗВ ЧХ ГЧЗ, розроблені на основі двох-тонального АМ сигналу, характеризуються підвищеною завадо-захищеністю.

6. Здійснено подальший розвиток функціонального проектування ЗВ не ідентичності ЧХ ГЧЗ чотириполюсників, які характеризуються нечутливістю до фазових спотворень перетворювальних каналів;

7. Розроблено методи атестації зразкових мір (ЗМ) часу запізнювання сигналів і нові принципи побудови на їх основі пристроїв перевірки ЗВ ФЧЗ і ГЧЗ.

Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в розробках нового класу - засобів вимірювання ФЧЗ сигналів простої спектральної структури при їх проходженні через чотириполюсники з різними формами АЧХ і ФЧХ.

Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в розробках нового класу:

- засобів вимірювання ФЧЗ сигналів простої спектральної структури при їх проходженні через чотириполюсники з різними формами АЧХ і ФЧХ;

- засобів вимірювання ГЧЗ сигналів;

- засобів вимірювання нерівномірності ЧХ ГЧЗ каналів зв'язку, приймальні пристрої яких функціонують без опорного генератора на приймальному пункті;

- засобів вимірювання не ідентичності ЧХ ГЧЗ, які базуються на використанні двох-тонального АМ сигналу;

- пристроїв перевірки ЗВ ФЧЗ і ГЧЗ сигналів.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в госп. договірних НДР, а також використовуються у навчальному процесі Вінницького державного технічного університету та Державної академії легкої промисловості України:

- засобів вимірювання ГЧЗ сигналів;

- засобів вимірювання нерівномірності ЧХ ГЧЗ каналів зв'язку, приймальні пристрої яких функціонують без опорного генератора на приймальному пункті;

- засобів вимірювання не ідентичності ЧХ ГЧЗ, які базуються на використанні двох-тонального АМ сигналу;

- пристроїв перевірки ЗВ ФЧЗ і ГЧЗ сигналів.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в госп. договірних НДР, а також використовуються у навчальному процесі Вінницького державного технічного університету та Державної академії легкої промисловості України. Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на Всесоюзній нараді «Точные измерения электрических величин: переменного тока, напряжения, мощности, энергии и угла сдвига фаз» (Ленінград, 1988), Всесоюзній НТК «Современные проблемы фазоизмерительной техники и её приложения» (Красноярськ, 1989), Регіональній НТК «Современные методы измерений в диапазоне ВЧ и СВЧ» (Новосибірськ, 1991), третій НТК «Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах та конверсії виробництва» (Хмельницький, 1995), Міжнародній НТК «Приборостроение - 97» (Вінниця - Сімеїз, 1997), шостій НТК "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах" (Хмельницький, 1999), щорічних НТК професорсько-викладацького складу Вінницького державного технічного університету (Вінниця, 1985-1999).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в монографії, 14 статтях у наукових фахових журналах, одній статті у збірнику наукових праць, 30 авторських свідоцтвах на винаходи СРСР та 10 тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг дисертації.

Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та чотирьох додатків.

Дисертація має загальний обсяг 374 сторінки, з яких основний зміст викладений на 312 сторінках друкованого тексту, містить 74 рисунки на 62 сторінках та 6 таблиць. Список використаних джерел складається з 190 найменувань. Додатки на 40 сторінках містять відомості про розроблені ЗВ ФЧЗ і ГЧЗ сигналів, свідоцтва і протоколи метрологічної атестації, аналіз спектрального складу обмеженої адитивної суміші гармонічного сигналу і розподіленої завади та акти впровадження результатів роботи.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, сформульована головна мета, доводиться наукова новизна і практична цінність роботи, а також впровадження та апробація результатів.

Перший розділ присвячений аналізу відомих основ функціонального проектування ЗВ часу запізнювання сигналів та пристроїв їх перевірки, за результатами якого виявлено їх недоліки і сформульовано основні задачі, які входять в коло дослідження.

Другий розділ присвячений розробці основ теорії фазових і амплітудних спотворень сигналів складної спектральної структури, обумовлених впливом нерівномірності амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) та не лінійності фазово-частотної характеристики (ФЧХ) досліджуваного чотириполюсника (ДЧ). На основі теоретичного аналізу впливу не лінійності ФЧХ ДЧ на точність вимірювання ГЧЗ показано, що при використанні одно-тонального АМ сигналу методична похибка, обумовлена тільки непарними похідними фазового зсуву, починаючи з третьої, або парними похідними ГЧЗ, починаючи з другої і залежить від степеня полінома, що апроксимує характеристику. При цьому, якщо ФЧХ ДЧ апроксимується поліномом третього або четвертого степеня, то методична та відносна похибки визначаються відповідно за виразами:

(1)

(2)

Де:

- істинний ГЧЗ;

- друга похідна істинного ГЧЗ.

На прикладі проходження одно-тонального АМ сигналу через багато каскадний резонансний підсилювач з n однаковими одно-контурними каскадами, ФЧХ якого описується виразом:

(3)

Де:

h - узагальнене розстроєння, показано, що відносна похибка визначається за виразом:

(4)

Аналіз виразу (4)показує, що максимальне значення відносної похибки відповідає нульовому розстроєнню і визначається смугою пропускання , частотою модуляції і функцією , яка визначає ступінь зростання згасання контурів. При зростанні розстроєння відносна похибка зменшується і досягає нульового значення при , потім змінює свій знак на протилежний, досягаючи мінімального значення при , а далі знову наближається до нуля. Якщо ДЧ поряд з не лінійністю ФЧХ характеризуються і нерівномірністю АЧХ, то методична похибка за рахунок цього фактора буде визначатися за виразом:

(5)

Де:

(6)

(7)

Враховуючи, що:

(8)

(9)

Матимемо:

(10)

При цьому відносна похибка за рахунок нерівномірності АЧХ ДЧ буде описуватися виразом:

(11)

Де:

- відносна крутість ЧХ ГЧЗ ДЧ;

- відносна крутість АЧХ ДЧ.

Показано, що коли АЧХ багато-каскадного резонансного підсилювача описується виразом:

(12)

То вираз для відносної похибки набуває вигляду:

(13)

Аналіз виразу (13) показує, що відносна похибка за рахунок нерівномірності АЧХ залежить від числа каскадів багато-каскадного резонансного підсилювача і досягає максимального значення при .

На основі виразів (1), (4), (10), (13) виведені співвідношення, якими описуються методична та відносна похибки за рахунок впливу нерівномірності АЧХ і не лінійності ФЧХ багато-каскадного резонансного підсилювача:

(14)

(15)

Із аналізу виразу (15) видно, що при будь-якому числі каскадів багато-каскадного резонансного підсилювача відносна похибка досягає максимального значення при. Цей вираз має практичне значення при розробці ЗВ ЧХ ГЧЗ, оскільки при можна знайти максимальне значення частоти модуляції, при якій відносна похибка за рахунок не ідеальності частотних характеристик підсилювача не буде перевищувати заданої величини:

(16)

З метою зменшення впливу АЧХ і ФЧХ ДЧ на точність вимірювання ЧХ ГЧЗ, запропоновано метод вимірювання, який базується на використанні двох-тонального АМ сигналу.

Показано, що при проходженні двох-тонального АМ сигналу через ДЧ і його детектуванні, сигнали модулюючих частот будуть описуватись виразами:

(17)

(18)

Де:

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

При відсутності згасання спектральних складових вимірювального сигналу можна прийняти, що . Тоді вирази (17) і (18) набувають:

(25)

(26)

Виміряний ГЧЗ на кожній модулюючій частоті, з урахуванням співвідношень (22) і (24) буде визначатися за виразами:

(27)

(28)

Де:

та - методичні похибки, обумовлені не лінійністю ФЧХ ДЧ, які в загальному вигляді описуються виразами:

 (29)

(30)

Підставивши вирази (29) і (30) відповідно у вирази (27) і (28), і знайшовши різницю одержаних виразів, матимемо:

(31)

(32)

З порівняння виразів (29) і (31), (30) і (32) видно, що різниця методичних похибок при модулюючій частоті відрізняється від істинної методичної похибки на величину , а при модулюючій частоті .

При цьому алгоритм розрахунку ГЧЗ буде мати вигляд:

(33)

(34)

Аналогічним чином показано, що коли ДЧ характеризується також і нерівномірністю АЧХ , то різниця методичних похибок за рахунок цього фактора з урахуванням виразів (21) і (23) буде визначатися за виразом:

 (35)

(36)

З урахуванням виразів (31), (32), (35) і (36), алгоритм розрахунку ГЧЗ буде мати вигляд:

(37)

(38)

Де:

та - визначаються за виразами:

(39)

(40)

На основі проведеного аналізу встановлено, що при апроксимації АЧХ ДЧ поліномом не вище третього, а ФЧХ поліномом не вище четвертого степеня, розрахунок ГЧЗ за алгоритмами (37) і (38) здійснюється без методичних похибок, обумовлених впливом цих характеристик.

На основі проведеного аналізу фазових і амплітудних спотворень двох-тонального АМ сигналу з подавленою несучою частотою показано, що максимальні додаткові похибки вимірювання ГЧЗ, зумовлені паразитними частотами визначаються відповідно за виразами:

(41)

(42)

(43)

Де:

- коефіцієнт залишку сигналу несучої частоти.

Проведений також аналіз фазових і амплітудних спотворень одно-тональних частотно-модульованих (ЧМ) та симетричних відносно початку відліку імпульсних сигналів. При цьому встановлено, що фазові спотворення одно-тональних ЧМ сигналів є однаковими з фазовими спотвореннями одно-тональних АМ сигналів, що свідчить про однакові похибки вимірювання ГЧЗ, а фазові спотворення імпульсних сигналів, обумовлені, головним чином, перехідними процесами.

Третій розділ присвячений розробці основ функціонального проектування ЗВ ЧХ ФЧЗ чотириполюсників. Розроблено різновиди принципів побудови ЗВ ЧХ ФЧЗ, які базуються на компенсаційному методі з додатковим прямим та зворотним зміщенням частоти вимірювального сигналу і проведений аналіз амплітудно-фазових похибок таких ЗВ, обумовлених не ідеальністю характеристик функціональних вузлів та розкидом коефіцієнтів передачі каналів. Показано, що для підвищення точності індикації нульового значення інтегрованої напруги при вимірюванні ЧХ ФЧЗ чотириполюсників з великим динамічним діапазоном зміни амплітуди, доцільно використати вимірювальний сигнал, сформований шляхом одно-смугової модуляції високочастотного сигналу:

Та низькочастотним сигналом:

У цьому сигналі - однієї з бічних смуг через ДЧ А3 з великим згасанням, сигнал на його виході набуває вигляду:

(44)

При перетворенні частоти сигналу (44) з частотою високочастотного сигналу U₁(t), який надходить через фазообертач А2 і виділенні сигналу модулюючої частоти, матимемо:

(45)

Сигнал (45) підсилюється з модулюючим сигналом, а помножена напруга інтегрується інтегратором А5 і фіксується індикатором А6.

 (46)

Шляхом зменшення частоти модуляції W до значення W₁, досягається нульове значення інтегрованої напруги:

(47)

Для виділення сигналу з частотою W₁ фаза високочастотного сигналу U₁(t) зсувається на кут j і зменшенням частоти модуляції W₁ до W₂ повторно встановлюється нульове значення інтегрованої напруги.

Оскільки частоти модуляції і в незначній мірі відрізняються між собою, то можна прийняти, що:

Тобто:

(48)

Прирівнявши ліві частини виразів (47) і (48), після необхідних перетворень, матимемо:

(49)

Для забезпечення однозначності вимірювання ЧХ ФЧЗ за розглянутою схемою, необхідно фазовий зсув Dj і різницю частот W₁-W₂ вибирати з умов:

(50)

(51)

Де:

- поріг чутливості індикатора нульового значення інтегрованої напруги.

Виходячи з цих умов, початкове значення частоти модуляції і фазового зсуву буде визначатися за виразами:

(52)

Особливість розглянутої схеми полягає в тому, що згасання ДЧ не впливає на точність вимірювання ЧХ ФЧЗ, а уникнення похибки із-за кінцевого порога чутливості індикатора нульового значення інтегрованої напруги, досягається за рахунок підсилення сигналів з малими фазовими спотвореннями.

Розроблено принцип побудови багатофункціонального ЗВ, призначеного для вимірювання ФЧХ, їх не ідентичності, ЧХ ФЧЗ і їх не ідентичності двоканальних радіоелектронних пристроїв.

Особливість розробленого ЗВ полягає в тому, що формування вимірювального сигналу здійснюється шляхом автоматичного підстроювання частоти генератора G1. Крім цього, така схема забезпечує вимірювання відзначених характеристик без похибок, обумовлених фазовими спотвореннями сигналу в перетворювальних каналах.

Проведено аналіз похибок непрямих методів вимірювання при умові, що ФЧЗ сигналу є неперервною диференційованою функцією фазового зсуву і частоти і виведено критерій малих похибок, використання якого дозволяє виділити ту величину, точність прямого вимірювання якої не має сенсу підвищувати, оскільки це не приводить до підвищення точності результату непрямого вимірювання.

Четвертий розділ присвячений розробці основ функціонального проектування ЗВ ЧХ ГЧЗ чотириполюсників. На основі двох-частотного АМ сигналу, формування якого здійснюється за методом частотного синтезу і комутаційного методу вимірювання, розроблено ЗВ ЧХ ГЧЗ чотириполюсників, який характеризується підвищеною точністю як за рахунок високої стабільності частоти вимірювального сигналу та його нехтовно малих не лінійних спотворень, так і за рахунок нечутливості до фазових спотворень, що вносяться перетворювальними каналами:

(53)

При проходженні сигналу (53) через ДЧ, з урахуванням впливу нерівномірності ФЧХ, сигнал на його виході набуває вигляду:

(54)

Де:

і - фазові зсуви, що вносяться ДЧ на частотах і .

При детектуванні сигналу (54) у перший півперіод комутації амплітудним детектором U3 і виділенні ФНЧ Z3 обвідної, матимемо:

(55)

Де:

- фазовий зсув, що вноситься вимірювальним каналом.

Одночасно сигнал (53) детектується амплітудним детектором U4 в опорному каналі, обвідна якого на виході ФНЧ Z4 описується виразом:

(56)

Де:

- фазовий зсув, що вноситься опорним каналом.

Мікропроцесорним фазометром А3 вимірюється різниця фаз сигналів (55) і (56), яка відповідає ГЧЗ, що визначається за виразом:

(57)

Де:

- похибка вимірювання ГЧЗ, обумовлена не ідентичністю ФЧХ вимірювального і опорного каналів.

Виключення похибки з результату вимірювання здійснюється в другий півперіод комутації.

При цьому сигнал на виході вимірювального каналу буде описуватися виразом:

 (58)

Виміряна мікропроцесорним фазометром А5 різниця фаз сигналів (58) і (56) буде відповідати значенню похибки, яка визначається за виразом:

(59)

За результатом розрахунку мікропроцесорним фазометром А5 двох вимірювань визначається ГЧЗ сигналу в ДЧ А2. На основі двох-тонального АМ сигналу розроблено принцип побудови ЗВ ЧХ ГЧЗ з підвищеною точністю і постійною роздільною здатністю, призначеного для контролю чотириполюсників з зосередженими параметрами. На вхід ДЧ А3 надходить двох-тональний АМ сигнал, який описується виразом:

(60)

Де:

(61)

(62)

Після проходження через ДЧ, сигнал на його виході з урахуванням впливу тільки не лінійності ФЧХ і необхідних перетворень набуває вигляду:

 (63)

Де:

(64)

(65)

При лінійному детектуванні сигналів (60) і (63) у кожному півперіоді комутації АК SA1 амплітудним детектором U3, матимемо:

(66)

(67)

Де:

- коефіцієнт передачі амплітудного детектора.

Виділені із спектрів сигналів (66) і (67) вузько-смуговими фільтрами Z1 і Z2 складові напруги з частотами і , будуть описуватися виразами:

(68)

(69)

(70)

(71)

Де:

- фазові зсуви, що вносяться вузько-смуговими фільтрами.

При у перший і другий півперіоди комутації АК SA1, перетворювачем частоти U2 здійснюється перетворення частот кожного із сигналів (69) і (71), з частотою опорного сигналу. Виділені фільтром Z3 складові напруги з частотою будуть описуватися виразами:

(72)

(73)

Де:

- фазовий зсув, що вноситься вузько-смуговим фільтром Z3.

У положенні перемикача SA2, мікропроцесорним фазометром А4 у кожний півперіод комутації АК SA1 вимірюється різниця фаз між кожним із сигналів (68) і (70) та опорним сигналом з частотою . За результатом розрахунку різниці двох вимірювань, матимемо:

(74)

У протилежному положенні перемикача SA2 мікропроцесорним фазометром А4 у кожний півперіод комутації АК SA1 вимірюється різниця фаз між кожним із сигналів (72) і (73) також відносно опорного сигналу з частотою . За результатом розрахунку різниці двох вимірювань, матимемо:

(75)

На основі проведеного аналізу розроблено алгоритм розрахунку ГЧЗ при збереженні постійної роздільної здатності, який описується виразом:

(76)

Показано також, що практична реалізація подвійного перетворення частоти одно-тонального АМ сигналу забезпечує уникнення похибки, обумовленої паразитною частотною (фазовою) модуляцією.

Розглянуто різновиди нових принципів побудови ЗВ ГЧЗ імпульсних сигналів, які базуються на автоматичному введенні в ДЧ, що знаходиться в режимі короткого замикання на виході, серії радіоімпульсів з синусоїдною обвідною і з частотою заповнення високочастотного сигналу, подвоєний час запізнювання яких вимірюється вимірювачем часових інтервалів з похибкою, що не перевищує значення:

Проведено аналіз точності вимірювання нерівномірності ЧХ ГЧЗ каналів зв'язку тональної частоти за методом двох-тонального АМ сигналу. Розглянуто варіанти реалізації цього методу як без опорного генератора на приймальному пункті, так і з використанням квазісинхронного опорного генератора.

Показано, що вимірювання ЧХ ГЧЗ каналів зв'язку за методом двох-тонального АМ сигналу доцільно здійснити в двох варіантах.

Перший варіант реалізується шляхом перетворення в приймальному пристрої сигналів модулюючих частот і помноженням сигналу меншої модулюючої частоти у число разів, яке дорівнює відношенню модулюючих частот.

При цьому, виміряний ГЧЗ на кожній модулюючій частоті визначається за виразами:

(77)

Розв'язавши систему рівнянь (77) відносно , матимемо:

(78)

(79)

(80)

(81)

Другий варіант реалізується шляхом перетворення сигналів модулюючих частот і поділом сигналу більшої модулюючої частоти у число разів, яке також дорівнює відношенню модулюючих частот, з наступним помноженням виміряного ГЧЗ у те ж число разів.

При цьому виміряний ГЧЗ визначається за виразами:

(82)

Розв'язавши систему рівнянь (82) відносно ,матимемо:

(83)

(84)

(85)

При порівнянні за точністю розроблених варіантів виявлено, що другий варіант характеризується більш високою точністю, оскільки крім виключення методичної похибки він забезпечує також постійну роздільну здатність вимірювання за рахунок роботи індикаторного блока, яким служить мікропроцесорний фазометр на одній модулюючій частоті.

На основі другого варіанта приймального пристрою розроблено ЗВ нерівномірності ЧХ ГЧЗ каналів зв'язку.

Розглянуто також принцип побудови ЗВ нерівномірності ЧХ ГЧЗ каналів зв'язку з використанням методу періодичного порівняння фазових зсувів вимірювальних сигналів з фазовим зсувом сигналу квазісинхронного опорного генератора, підстроювання частоти якого здійснюється системою фазового автоматичного підстроювання частоти (ФАПЧ).

Проведена оцінка точності вимірювання нерівномірності ЧХ ГЧЗ за методом періодичного порівняння, з урахуванням таких важливих факторів, як смуга захоплення частоти опорного генератора, фільтруюча здатність опорного тракту і час встановлення фази опорного сигналу в режимі захоплення. Показано, що смуга захоплення суттєво залежить від фазового зсуву каналу формування вимірювального сигналу і при значенні що наближається до нуля. Встановлення фази опорного сигналу в режимі захоплення проведено на основі динамічного стану системи ФАПЧ, який у загальному вигляді описується диференціальним рівнянням, яке в операторній формі має вигляд:

(86)

Де:

- миттєва різниця фаз між вхідними сигналами фазового детектора (ФД);

- нормована характеристика ФД;

- коефіцієнт передачі інтегрувального фільтра;

- смуга утримання;

- початкове розстроєння частоти вимірювального сигналу відносно частоти опорного сигналу.

Оскільки і в процесі вимірювання залежать від ГЧЗ, то при пилкоподібній формі характеристики ФД їх можна описати виразами:

(87)

(88)

Де:

- коефіцієнт, який характеризує відносне зменшення смуги утримання;

- - власна смуга утримання системи ФАПЧ.

На основі виразів (86), (87) і (88) виведено неоднорідне лінійне диференціальне рівняння другого порядку, яким описується характер перехідного процесу:

(89)

Де:

t, a і g_n - безрозмірні величини, виражені через власні параметри системи ФАПЧ у вигляді співвідношень:

(90)

Розв'язок рівняння (89) має вигляд:

(91)

Де:

С₁ і Q₁ - постійні інтегрування, які визначаються початковими умовами.

Якщо прийняти за критерій закінчення перехідного процесу допустиме відхилення перехідної фази опорного сигналу від усталеного значення, то вираз для кількісної оцінки максимального часу встановлення фази в режимі захоплення буде мати вигляд:

(92)

Аналіз виразу (92) показує, що максимальний час встановлення фази опорного сигналу в режимі захоплення зменшується при зростанні ГЧЗ і зменшенні початкового розстроєння і визначається лише першим доданком у фігурних дужках цього виразу, оскільки другий доданок на порядок менший першого, а тому ним можна знехтувати.

Проведений аналіз систематичних похибок ЗВ ЧХ ГЧЗ при обмеженні вимірювального і опорного сигналів та дії завад. Показано, що при дії нормальних шумів систематична похибка визначається за виразом:

(93)

Де:

- деякий коефіцієнт;

і - різниця між значеннями кореляційних інтегралів у реальних та ідеальних умовах, яка викликає виникнення похибки .

Показано також, що систематичну похибку можна визначити, знайшовши різницю математичного очікування виміряного та істинного значень ГЧЗ:

 (94)

Де:

- математичне очікування .

На основі теорії випадкових процесів проведена оцінка завадо-захищеності вимірювання ЧХ ГЧЗ за методом двох-тонального АМ сигналу для випадків, коли індикаторним блоком служать цифровий мікропроцесорний фазометр середніх значень фазових зсувів та вимірювач часових інтервалів. Доведено, що в першому випадку сумарна випадкова похибка складається з похибок, обумовлених випадковим часовим положенням початку і кінця вимірювального інтервалу відносно часового положення імпульсів, які кодуються.

У другому випадку показано, що при нормальному законі розподілу, максимальні значення випадкових похибок при одно-тональному та двох-тональному АМ сигналах визначаються відповідно за виразами:

(95)

(96)

Де:

s - середньоквадратичне відхилення (СКВ) завади.

При , вираз (96) набуває вигляду:

(97)

Якщо прийняти методичні похибки рівними в обох випадках, то виграш у завадо-захищеності буде визначатися за виразом:

(98)

Показано, що при усередненні результатів багатократних вимірювань максимальні значення випадкових похибок при одно-тональному та двох-тональному АМ сигналах визначаються за виразами:

(99)

(100)

Кількість вимірювань при умові рівності методичних похибок у кожному випадку буде визначатися за виразами:

(101)

(102)

З виразу (98), а також відношення виразів (101) і (102) видно, що вплив випадкових похибок, обумовлених завадами, зменшується в число разів, яке дорівнює відношенню модулюючих частот, а число вимірювань скорочується в те ж число разів у квадраті. Значна увага приділена функціональному проектуванню ЗВ не ідентичності ЧХ ГЧЗ чотириполюсників, яке ґрунтується на використанні одно-тонального АМ сигналу та комутаційного методу. Проведена оцінка динамічної похибки вимірювання не ідентичності ЧХ ГЧЗ, яка обумовлена перехідними процесами при вимірювальні сигналів.

Показано, що при співпаданні частоти обвідної з середньою частотою вимірювального каналу, модуль і перехідна фаза при сигналах описуються виразами:

(103)

(104)

Де:

W - відношення амплітуд обвідної і опорного сигналу;t - постійна часу вимірювального каналу.

Виходячи з допустимої динамічної похибки вимірювання ГЧЗ при умові, матимемо:

(105)

Розв'язавши нерівність (105) відносно , знайдемо:

 (106)

З аналізу виразу (106) видно, що перший доданок не залежить від , а тому для визначення , при якому час встановлення фази буде максимальним, досліджено на екстремум другий доданок. Якщо похідну під знаком другого логарифма прирівняти до нуля, то матимемо:

(107)

Розв'язавши рівняння (107) відносно при умові, що:

(108)

З урахуванням виразу (108), виведено вираз для випадку максимального часу встановлення фази:

(109)

Тоді вираз (109) набуває вигляду:

(110)

З урахуванням добротності вимірювального каналу і смуги його пропускання, вираз (110) буде мати вигляд:

(111)

Розглянуто також випадок, коли частота обвідної не співпадає з частотою вимірювального каналу, і з урахуванням допустимої динамічної похибки розроблено алгоритм розрахунку часу встановлення фази сигналу, який описується виразом:

(112)

Де допустима динамічна похибка:

П'ятий розділ присвячений розробці методів атестації зразкових мір (ЗМ) часу запізнювання сигналів і функціональному проектуванню пристроїв перевірки. На основі аналізу відомих методів атестації ЗМ часу запізнювання сигналів показано, що розрахований шляхом відношення кінцевих приростів ГЧЗ є середньоарифметичним значенням фазових зсувів двох близьких частот, який відрізняється від істинного значення ГЧЗ на величину методичної похибки, яка залежить від частотного інтервалу. З метою синтезу ЗМ з лінійною залежністю часу запізнювання від частоти, проведений аналіз стійкості дробово-раціональних апроксимацій ідеальної функції затримки. Показано, що коли ідеальна функція затримки, розкладається у степеневий ряд виду:

(113)

Тоді для її апроксимації може бути використана дробово-раціональна функція, яка має вигляд:

(114)

Проведений аналіз показав, що і є узагальненими поліномами Бесселя (УПБ), точний зв'язок яких з апроксимуючими дробово-раціональними функціями встановлюється виразами:

(115)

(116)

(117)

(118)

Із аналізу виразів (117) і (118) видно, що і будуть невід'ємними. Крім того, при b > 0 або n > 1 виконується умова дробово-раціональна функція, що апроксимує буде стійкою. Отже, область корисності апроксимуючих функцій, які можуть бути реалізовані фізично, можна задати умовою:

n - 2 m n (119)

Таким чином, стійкі функції, що апроксимують , характеризуються як передаточні функції степеня:

Які одержані задаванням у нулі m фазових і амплітудних умов рівності, мають добру характеристику часу запізнювання, рівномірну амплітудну характеристику і добрі перехідні властивості, а тому вони мають практичне використання при синтезі ЗМ з лінійною залежністю часу запізнювання від частоти.

Запропоновано нові принципи побудови засобів атестації ЗМ, які базуються на періодичному використанні АМ сигналу з двома модулюючими частотами та двох-тонального АМ сигналу з подавленою несучою частотою. Проведений аналіз запропонованих принципів побудови показав, що при використанні двох-тонального АМ сигналу з подавленою несучою частотою зберігається постійна роздільна здатність і підвищується точність атестації, за рахунок уникнення методичних похибок, обумовлених нерівномірністю АЧХ і не лінійністю ФЧХ ЗМ, що атестується.

Запропонований також принцип побудови засобу атестації дисперсійних ультразвукових ліній часу запізнювання сигналів, який забезпечує підвищення точності, за рахунок зменшення додаткового впливу прямого сигналу на затриманий сигнал. Показано, що з урахуванням сучасних досягнень у точності вимірювання періоду частоти, запропонований засіб атестації може бути рекомендований, як зразковий засіб першого розряду точності. З метою визначення температурної нестабільності часу запізнювання ЗМ, запропоновано метод, який базується на нагріванні ЗМ першого і другого розрядів точності. При цьому показано, що час запізнювання сигналу в ЗМ другого розряду точності визначається за часом запізнювання сигналу в ЗМ першого розряду точності і виміряним приростом різниці фаз порівнюваних сигналів, який характеризує температурну нестабільність часу запізнювання.

Значна увага приділена функціональному проектуванню пристроїв перевірки (ПП) не лінійності ЧХ часу запізнювання ЗМ, а також удосконаленню ПП, які базуються на використанні приладів із зарядовим зв'язком та ЗМ, якими служать фазові контури першого і другого порядків. Показано, що використання плавно-змінних і дискретних ліній часу запізнювання на основі фазових контурів другого порядку, забезпечує перевірку ЗВ ФЧЗ на частоті 1кГц із СКВ від 0,83 нс до 27,8 нс.

На основі використання дисперсійних ЗМ і комутаційного методу, розроблено принцип побудови установки для перевірки ЗВ ГЧЗ, яка забезпечує підвищення точності за рахунок виключення похибок, що вносяться вимірювальним каналом і проведений аналіз процесу встановлення фази вихідного сигналу та визначення частоти перемикання автоматичного комутатора, при якій динамічна похибка буде мінімальною. Показано, що максимальний час встановлення фази описується виразом:

(120)

Тоді вираз (120) набуває вигляду:

(121)

Враховуючи, що постійну часу можна виразити через смугу пропускання вимірювального каналу і його добротність, матимемо:

(122)

Де:

F - частота обвідної вихідного сигналу;

F - смуга пропускання вимірювального каналу.

Оскільки час встановлення фази вихідного сигналу повинен бути не менше півперіоду перемикання автоматичного комутатора, то можна записати:

(123)

Звідки:

(124)

(125)

Таким чином, знаючи частоту обвідної вихідного сигналу і смугу пропускання вимірювального каналу ЗВ ГЧЗ, що перевіряється, можна визначити за виразом (124) частоту перемикання автоматичного комутатора, при якій динамічна похибка буде мінімальною.

Запропоновано також метод перевірки ЗВ ГЧЗ у динамічному режимі, який базується на використанні зразкових дисперсійних ЛЗ з лінійно-наростаючою і лінійно-спадною залежностями часу запізнювання від частоти та подвійному перетворенні частоти вихідного сигналу ЗВ, що перевіряється з частотою допоміжного сигналу. Такий метод забезпечує підвищення точності перевірки за рахунок компенсації фазових спотворень сигналу.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено основи теорії впливу не лінійності ФЧХ і нерівномірності АЧХ чотириполюсників на фазові та амплітудні спотворення одно- і двох-тональних АМ сигналів та алгоритми розрахунку ГЧЗ. Виявлено, що вимірювання ЧХ ГЧЗ чотириполюсників за методом двох-тонального АМ сигналу забезпечує виключення методичної похибки, обумовленої не лінійністю ФЧХ при її апроксимації поліномом четвертого степеня.

2. Розроблено алгоритми розрахунку необхідного числа модулюючих частот, при яких забезпечується відсутність методичної похибки, обумовленої не лінійністю ФЧХ чотириполюсника при її апроксимації поліномом будь-якого парного або непарного степеня.

3. Розроблено основи теорії впливу не лінійності ФЧХ чотириполюсників на фазові спотворення двох-тональних АМ сигналів з подавленою несучою частотою і алгоритми розрахунку похибок вимірювання ГЧЗ, обумовлених парними і непарними бічними парами частот та залишком сигналу несучої частоти. Виявлено, що вимірювання ЧХ ГЧЗ чотириполюсників за методом двох-тонального АМ сигналу з подавленою несучою частотою здійснюється без методичної похибки, зумовленої нерівномірністю АЧХ чотириполюсника.

4. Досліджено нові принципи побудови ЗВ ЧХ ФЧЗ чотириполюсників та їх не ідентичності. Доведено, що вибір частоти зміщення вимірювального сигналу за розробленим алгоритмом, забезпечує уникнення неоднозначності вимірювання.

5. Розроблено оптимальні структурні схеми ЗВ ГЧЗ одно-тональних, двох-тональних і імпульсних сигналів, які забезпечують підвищення роздільної здатності, виключення методичної похибки та похибки, обумовленої паразитною частотною (фазовою) модуляцією.

6. Проведено структурний синтез приймальних пристроїв ЗВ нерівномірності ЧХ ГЧЗ каналів зв'язку, за результатами теоретичного аналізу і експериментальних досліджень яких виявлено, що найбільша точність вимірювання досягається при розробці приймальних пристроїв без опорного генератора, що підтверджено також розробленими алгоритмами розрахунку ГЧЗ.

7. Розроблено принцип побудови нечутливого до фазових спотворень перетворювальних каналів ЗВ не ідентичності ЧХ ГЧЗ, який базується на періодичному порівнянні фазового зсуву обвідної одно-тонального АМ сигналу з її початковим фазовим зсувом і виведено алгоритм розрахунку часу встановлення фази сигналу на виході вимірювального каналу, при якому динамічна похибка буде мінімальною.

8. Розроблено і теоретично обґрунтовано метод атестації ЗМ часу запізнювання сигналів, який базується на використанні двох частотних інтервалів і забезпечує підвищення точності атестації.

9. Розроблено і теоретично обґрунтовано автоматизований метод атестації ультразвукових ліній часу запізнювання сигналів, який забезпечує підвищення точності атестації за рахунок зменшення впливу прямого сигналу на затриманий.

10. Розроблено схему перевірки ЗВ ЧХ ФЧЗ, яка забезпечує його відтворення на частоті 1 кГц від нуля до 1 м/с з середньоквадратичним відхиленням від 0,83 до 27,8 нс, що відповідає зразковим засобам перевірки першого розряду точності.

11. Розроблено схему установки, яка забезпечує автоматизацію перевірки ЗВ ЧХ ГЧЗ в діапазоні частот 0,01-10 МГц з часом запізнювання від 0,1 до 250 мкс і відносною похибкою ±0,2%.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гуцало О.Г. Методи підвищення точності засобів вимірювання групового часу запізнювання сигналів і їх метрологічне забезпечення. - Вінниця: «УНІВЕРСУМ - Вінниця», 1997. - 132 с.

2. Гуцало О. Г. Вплив не ідеальності частотних характеристик на точність вимірювання групового часу запізнювання сигналів // Вісник ВПІ. - 1994. - №2 (3). - С. 76-80.

3. Гуцало О.Г. Атестація зразкових мір групового часу запізнювання сигналів // Вісник ВПІ. - 1994. - №3 (4). - С. 62-65.

4. Гуцало О.Г. Дослідження стійкості дробово-раціональних апроксимацій ідеальної функції затримки // Вісник ВПІ. - 1994. - №4 (5). - С. 41-44.

5. Скрипник Ю.О., Гуцало О.Г. Структурні методи підвищення точності засобів вимірювання групового часу запізнювання сигналів // Техническая электродинамика. - 1995. - №2. - С. 73-75.

6. Гуцало О.Г. Оцінка завадостійкості вимірювання групового часу запізнювання за методом двох-тонального сигналу // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1997. - №1. - С. 117-120.

7. Гуцало О.Г. Аналіз динамічної похибки комутаційного методу вимірювання не ідентичності частотних характеристик групового часу запізнювання чотириполюсників // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1997. - №2. - С. 104-108.

8. Гуцало А.И., Кичак В.М. Повышение точности измерения частотных характеристик группового времени запаздывания четырёхполюсников // Радиотехника. Всеукраинский межвед. научн. техн. сб. - 1998. - Вып. 106. - №98. - С. 140-144.

9. Гуцало О.Г. Аналіз систематичних похибок засобів вимірювання частотних характеристик групового часу запізнювання чотириполюсників. - 1998. - №3. - С. 53-59.

10. Гуцало О.Г. Метрологічне забезпечення засобів вимірювання частотних характеристик групового часу запізнювання чотириполюсників // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1998. - №4. - С. 97-100.

11. Гуцало О.Г. Вимірювання частотних характеристик групового часу запізнювання каналів зв'язку // Вісник ВПІ. - 1999. - №2. - С. 86-89.

12. Гуцало О.Г. Вимірювання не ідентичності частотних характеристик групового часу запізнювання чотириполюсників // Вісник ВПІ. - 1999. - №3. -С. 87-90.

13. Гуцало О.Г. Вимірювання частотних характеристик групового часу запізнювання чотириполюсників в імпульсному режимі // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1999. - №1. - С. 52-54.

14. Гуцало О.Г. Вимірювання частотних характеристик групового часу запізнювання чотириполюсників // Вісник ЖІТІ. - Технічні науки. - 1999. - №9. - С. 154-157.

15. Гуцало О.Г. Вимірювання частотних характеристик фазового часу запізнювання чотириполюсників з великим загасанням // Вісник ВПІ. -1999. - №4. - С. 87-90. радіовимірювальний фазовий чотириполюсник

16. Гуцало А.И., Юсеф Н.М. Принципы построения измерительных преобразователей фазового и группового времени задержки сигналов // Сб. Радиотехнические устройства контроля и обработки информации. - К.: УМК ВО, 1992. - С. 59-64.

Размещено на Allbest.ru