Измерение модулированных сигналов

В системах передачи связи измерительной информации информация передаётся с помощью сигналов высокой частоты путём видоизменения параметров высокочастотного напряжения по закону передаваемого сигнала, т.е модуляция сигнала. В зависимости от изменяемого параметра различают: амплитудную модуляцию, частотную модуляцию, фазовую модуляцию.

При амплитудной модуляции полезный сигнал преобразуется в изменение амплитуды несущего сигнала. Результирующий сигнал записывается выражением

,

где w - несущая частота;

W - моделирующая частота;

m – глубина модуляции, = .

Коэффициент амплитудной модуляции является основным параметром моделируемого сигнала. Он может изменяться посредством осциллографа или с помощью стрелочных или цифровых модуляторов.

.

Рисунок 6.1 - Амплитудная модуляция сигнала

Частотно – модулированный сигнал записывается следующим выражением:

,

где ;

;

m_f – индекс модуляции ;

F – модулирующая частота;

- девиация частоты (изменение частоты относительно начального значения).

Для измерения девиации применяется осциллографический, спектральный методы, а также метод, использующий частотное детектирование. Последний реализован в приборах непосредственной оценки для измерения девиации.

Метод непосредственной оценки.Для измерения коэффициента модуляции АМ-колебаний применяется метод двух вольтметров или метод двойного детектирования, на основе которого реализуются прямопоказывающие модулометры.

Метод состоит в измерении с помощью одного из вольтметров средневыпрямленного модулированного напряжения, а спомощью другого - макси­мального или минимального отклонения напряжения от средневыпрямленного значения (∆U_max или ∆U_min ). Упрощенная схема измерителя коэффициента модуляции приведена на рисунке 6.2. Нанагрузке R_H выделяется выпрямленное модулированное напряже­ние, содержащее постоянную составляющую, пропорциональную средневыпрямленному значению амплитудно-модулированного напряжения.

Рисунок 6.2 – Измеритель коэффициента амплитудной модуляции

Постоянная составляющая измеряется магнитоэлектрическим вольтметром (PV1), а пиковое значение переменной составляющей - с помощью пикового вольтметра с закрытым входом (PV2). Чтобы иметь возможность измерять коэффициент модуляции вверх и вниз, должно быть предусмотрено переключение полярности включения диода и магнитоэлектрического прибора (PV2). По прибору PV1 поддерживают постоянным средневыпрямленное значение АМ-напряжения, тогда показание пикового вольтметра можно проградуировать в значениях коэффициента модуляции. Погрешность измерения определяется уровнем напряжения, нелинейностью выпрямителя и точностью вольтметра. Основная погрешность составляет, примерно, 10 %.

В настоящее время на основе метода двух вольтметров созданы точные прямопоказывающие измерители коэффициента амплитудной модуляции. В этих приборах реализован ряд важных технических решений. Во-первых, поскольку при гетеродинном преобразовании частоты значение коэффициента амплитудной модуляции переносится на промежуточную частоту, при построений приборов используется принцип супергетеродинного приемника, благодаря чему обеспечивается широкий диапазон частот, помехоустойчивость, высокая чувствительность, возможность автоматической настройки. Во-вторых, вместо вольтметра средневыпрямленного значения применяется система стабилизации среднего уровня напряжения промежуточной частоты, так что уровень средневыпрямленного значения постоянен и точно известен, а измерение коэффициента модуляции производится с помощью одного вольтметра (аналогового или цифрового). Шкала или цифровое табло градуируется непосредственно в значениях т, %. Именно таков принцип действия у серийного измерителя коэффициента амплитудной модуляции С2-23.

Цифровые измерительные приборы

Основные понятия и определения

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) – средство измерения автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации,

показания которой представлены в цифровой форме (ГОСТ 16.263).

В отличие от аналоговых приборов, в ЦИП обязательно автоматически выполняются следующие операции:

- квантование измеряемой величины по уровню;

- дискретизация её по времени;

- кодирование информации.

Преимущества ЦИП перед аналоговыми приборами:

- удобство и объективность отсчета;

- широкий динамический диапазон при высоко разрешающей способности;

- возможность автоматизации процесса измерения, включая такие операции, как автоматический выбор полярности и пределов измерений;

- высокая точность результата измерения, практически недостижимая для аналоговых приборов;

- высокое быстродействие;

- высокая устойчивость влияния механических и климатических воздействий;

- возможность внедрения новейших достижений микроэлектронных технологий при конструировании и изготовлении.

Качество измерительной системы в целом сильно зависит от информационных параметров ЦИП, в частности, от точности и быстродействия. Благодаря своим возможностям они нашли широкое применение во всех областях промышленности. Они используются в устройствах измерения и системах автоматического управления, машиностроении, энергетике, навигационных системах.

Широкое применение ЦИП обусловлено улучшением всех технических параметров систем, что делает их применение универсальным.

Классификация ЦИП

Основные метрологические свойства ЦИП без предварительных аналоговых преобразователей определяются способом преобразования непрерывной величины в код, так как дальнейшая передача и преобразования кода практически не вносят погрешности. Поэтому основной классификацией ЦИП (а также АЦП) является классификация по способу преобразования непрерывной измеряемой величины в код. Такая классификация позволяет судить о возможных свойствах прибора по принадлежности ЦИП к определенной группе классификации.

В зависимости от способа преобразования непрерывной величины в код выделяются следующие группы ЦИП.

ЦИП последовательного счета. Эти приборы основаны на использовании метода последовательного счета. Отличительный признак таких приборов состоит в том, что значение измеряемой величины сначала преобразуется в числоимпульсный код, который затем преобразуется в другие коды, удобные для управления отсчетным устройством и для выдачи кода в другие устройства.

ЦИП поразрядного уравновешивания (кодоимпульсные) основаны на ис-

пользовании метода сравнения и вычитания.

ЦИП считывания строятся с использованием метода считывания.

Кроме основной классификации, известны классификации по различным критериям.

По измеряемой величине ЦИП разделяются на вольтметры, частотомеры, фазометры, омметры, вольтомметры и т.д. В зависимости от степени усреднения значений измеряемой величины ЦИП делятся на приборы, измеряющие мгновенное значение, и приборы, измеряющие среднее значение за определенный интервал времени (интегрирующие). Кроме того, все ЦИП делятся на группы по точности, быстродействию, надежности. По режиму работы все ЦИП разделяются на приборы циклические (развертывающие или программные) и приборы следящие.

В циклических (развертывающих) приборах весь процесс преобразования протекает всегда независимо от значения измеряемой величины по заданной программе от начала до конца. В следящих ЦИП процесс преобразования начинается только при отклонении измеряемой величины от ранее измеренного значения на определенное приращение. Характер процесса преобразования зависит от значения отклонения измеряемой величины.

Для изучения метода и средств, используемых в ЦИП, рассмотрим одну из классификаций, изображенную на рисунке 7.1.

1 – с квантованием пространственных параметров; 2 - с квантованием частотно – временных параметров; 3 - с квантованием параметров интенсивности; 4 - с квантованием линейного перемещения; 5 - с квантованием углового перемещения; 6 - с квантованием последовательности импульсов; 7 - с квантованием частоты импульсов; 8 - с квантованием длительности импульсов; 9 - с квантованием последовательности времени; 10 - с квантованием параллельного времени

Рисунок 7.1 – Классификация ЦИП

В данной классификации все ЦИП разделены на две группы:

а) по методу восприятия информации;

б) по методу преобразование информации.

В первой группе приборов информация воспринимается непосредственно и без обратных, т.е с прямым преобразованием. Если входная величина уравновешивается выходной величиной и при этом используются эталонные величины, то эти приборы составляют группу уравновешивающих.

Для каждой физической величины можно найти сигналы другой физической величины, характеризующейся распределением в пространстве и во времени.

Выделяют три способа квантования (замена непрерывной величины дискретной):

а) квантование пространственных параметров;

б) частотно-временных параметров;

в) параметров интенсивности.

Принципы построения ЦИП

В основу построения ЦИП положен принцип замены непрерывной входной величины дискретной. В зависимости от алгоритма устанавливающего соответствие между аналоговой величиной и ее эталонными мерами, выделяют 3 метода преобразования.

Первый метод последовательного счета – метод при котором, входная величина уравновешивается суммой одинаковых минимальных эталонов, называемых квантами. Результат преобразования характеризуется числом квантов, зафиксированных в момент равенства сравниваемых входной величины и эталона. Момент равенства определяется одним уравновешивающим устройством.

Второй метод поразрядного кодирования – метод при котором, входная величина последовательно сравнивается с суммой эталонов имеющих значение 2ⁱ квантов, где i = 0,1,2,…N; N – число разрядов двоичного кода. При этом методе сравнение начинается со старшего эталона и последовательно добавляются младшие эталоны (разряды) до уравновешивания. В разряд записывается единица, если входная величина больше эталона, иначе записывается 0. В результате сравнения на выходе образуется двоичный код числа.

Третий метод считывания, при котором набор из 2ⁿ-1 эталонов. Младший эталон равен одному кванту, последующие эталоны увеличиваются в два раза относительно предыдущего. При этом методе входная величина сравнивается со всеми эталонами одновременно, что требует числа сравнивающих устройств равного числу эталонов. Результат отображается параллельным двоичным кодом.

Первый метод требует один эталон, например расстояние между миллиметровыми штрихами (1 мм), период муарового растра. Второй метод связан со значительным числом эталонов, например, увеличение тока в цепи достигаются подключением параллельно эталонных резисторов сопротивлением кратным 2ⁿ. В третьем методе необходимое число эталонов, например, дорожек на шкале каждая из которых имеет темные и светлые промежутки с дшироной равной эталону у младшего разряда, а у остальных ширина промежутков в два раза больше, чем у первого. Здесь требуется столько сравнительных устройств, сколько дорожек.

Цифровой частотомер

Цифровой частотомер предназначен для измерения среднего или мгновенного значения частоты периодического сигнала. Принцип действияцифрового частотомера заключается в подсчете числа периодов Т_х неизвестной частоты f_x за образцовый интервал времени (рисунок 7.2).

Входной сигнал неизвестной частоты поступает на УФ, на выходе которого образуются прямоугольные импульсы с той же частотой. ГОИВ, состоящий из ГИ и ФВИ, формирует образцовый интервал времени, равный 1 с. На время T₀ ключ открыт и импульсы неизвестной частоты поступают на счетчик. Поскольку Т₀ = 1с, то количество импульсов, посчитанное счетчиком за одну секунду, и есть частота измеряемого сигнала. Диаграммы, соответствующие схеме работы прибора, приведены на рисунке 7.3.

N = T₀ / T_x = T₀ f_x.

Относительная погрешность измерения определяется по выражению

d_кв = 1 / N = 1 / T₀ f_x.

УФ – устройство формирования; ФВИ – формирователь временных интервалов; ГИ – генератор импульсов; К – ключ; СЧ – счетчик; ЦИ – цифровая индикация; ГОИВ – генератор образцовых интервалов времени

Рисунок 7.2 – Структурная схема цифрового частотомера

Частотомерами, построенными по данной схеме, нецелесообразно измерять низкие частоты, поскольку это приводит к большой погрешности измерений. Частотомеры мгновенного значения используют на низких и инфранизких частотах. Принцип действия их основан на измерении периода с последующим вычислением частоты.

Рисунок 7.3 – Временные диаграммы работы частотомера

Цифровой периодометр

Цифровые измерители временных интервалов предназначены для измерения периода гармонических или импульсных сигналов. Принцип действия их основан на подсчете числа периодов t₀ импульсов образцового сигнала, с образцовой частотой f₀, заполняющих интервал Т_х. Структурная схема прибора приведена на рисунке 7.4.

Измеряемый сигнал подается на формирователь, на выходе которого образуются импульсы, синхронизированные во времени с моментами времени измерения знака входного сигнала от «-» к «+». Данные импульсы изменяют состояние триггера, который в свою очередь открывает ключ, и импульсы от генератора импульсов поступают на счетчик, с приходом второго импульса на формирователь триггер возвращается в исходное состояние и тем самым закрывает ключ, прекращая подачу импульсов от генератора к счетчику.

Количество импульсов, подсчитанное счетчиком, пропорционально интервалу времени или периоду входного сигнала. Если пренебречь нестабильностью частоты f₀, то основной погрешностью является погрешность квантования временного интервала Т_X. С другой стороны погрешность тем менее, чем выше частота f₀. Для уменьшения погрешности квантования применяют усреднение результата за N периодов (чаще 10). Временные диаграммы, поясняющие работу прибора, приведены на рисунке 7.5.

Ф-формирователь; Тг – триггер; К-ключ; ГИ- генератор импульсов; Сч- счетчик; ЦИ- цифровая индикация.

Рисунок7.4 – Структурная схема цифрового периодометра

Рисунок 7.5– Временные диаграммы работы периодометра

Цифровой фазометр

В современной технике широко распространены фазовые методы измерения, которые обладают высокой точностью и помехоустойчивостью, они используются для измерения характеристик импульсных устройств точных измерений углов и перемещений. Используется в дальномерах и других приборах, принцип действия которых заключается в преобразовании измеряемого сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами с преобразованием импульсного напряжения во временной интервал, который затем измеряется числоимпульсным методом. Структурная схема и соответствующие временные диаграммы приведены на рисунке 7.6.

;

Рисунок 7.6 – Структурная схема и временная диаграмма фазометра

Входные сигналы, разность фаз которых j поступает на формирователь Ф₁ Ф₂, на входах формирователей образуются импульсы при изменении знака входного сигнала от (–) к +. Временной интервал каждого импульса с формирователей поступает на триггер, при приходе импульса от Ф₁ триггер переключается, тем самым открывает ключ, при приходе импульса от Ф₂ триггер переключается в исходное состояние и закрывает ключ. Таким образом, ключ открыт на время t_х, равное разности фаз между 2 сигналами. В это время импульс от генератора через ключ проходит на счетчик, таким образом посчитанное счетчиком количество импульсов пропорционально времени сдвига фаз 2-х сигналов. Основным недостатком ЦФ мгновенного значения является ограниченность частотного диапазона со стороны верхних частот. Для измерения параметров ВЧ сигналов используют ЦФ среднего сдвига, в нем усредняют измеренное значение за N периодов в течение заданного времени. Диапазон измерения до 100 кГц погрешность 0,01 %.

Если сравнить все рассмотренные схемы, то видно, что они состоят из одинаковых узлов, поэтому частотомеры и измерители временных интервалов в большинстве случаев строятся в виде одного универсального прибора, называемого электронно-счетным частотомером или частотомером- хронометром.

Посредством переключателей могут устанавливаться следующие виды измерения: частоты, периода или промежутка времени, отношения частот, а также подсчета количества импульсов за определенный промежуток времени. Частотомеры делятся на НЧ и ВЧ до 10 МГц и до 500 МГц.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: