Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



АУ 1 БП,

311 zirz

БПч ,:;> АУ,

Рис. 14.22. Структурная схема ЦАС с каскадной структурой организации параллельной работы

Однако и в этом случае рабочий диапазон частот на практике не превышает сотен герц.

Снизить требования к быстродействию операционных блоков ЦАС (расширить верхнюю границу частотного диапазона) можно также, используя процессоры БПФ с каскадной структурой организации параллельной работы q = log, N арифметических устройств (АУ,) и g - 1 блоков памяти (БП,) емкостью 2 комплексных слов каждый. Структурная схема такого устройства приведена на рис. 14.22.

Такая структура организации ЦАС позволяет полностью обработать одну группу выборочных значений за N тактов пересылки. Таким образом, время выполнения элементарной операции определяется соотношением

T„At/N = n/n,N. (14.56)

а верхняя граничная частота при заданном

n,n/-zN. (14.57)

Полученный в результате каскадной организации БПФ выигрыш в быстродействии позволяет расширить диапазон рабочих частот до единиц килогерц.

Существенное расширение диапазона рабочих частот в ЦАС можно получить при совмещении ввода информации и ее обработки. Такое совмещение достигается либо в результате использования буферного ОЗУ, либо в результате активного использования пауз между выборочными значениями исследуемого сигнала.

В ЦАС с буферной памятью независимо от реализуемого алгоритма обработки (БПФ или ДПФ) и структурной организации процессора обрабатывается одна группа выборочных значений N„[f] в течение времени ввода следующей группы отсчетов N„+i [/] в буферное ОЗУ, т. е. в течение времени Тд = NAt. Затем АУ переключается на обработку информации, накопленной в буферном ОЗУ, а освободившееся ОЗУ используется в режиме буфера для накопления следующей

группы выборочных значений N„+2 [У] и т. д.

Схема такого устройства отличается от приведенных на рис. 14.21 и 14.22 только наличием буферного оперативного запоминающего устройства (БОЗУ) и двух двухпози-ционных коммутаторов (ДК), осуществляющих переключение УВВ и АУ в каналах обмена информацией с ОЗУ и БОЗУ. Применение буферной ОЗУ увеличивает возможное время обработки одной группы выборочных значений в N раз, что в такой же пропорции уменьшает необходимое быстродействие операционных блоков АУ.

При реализации БПФ на основе процессора с каскадной структурой требуемое время для выполнения одной операции становится равным

Топ.б = 1/Пв, (14.58)

а верхняя граничная частота возрастает до значения

Фои.б (14.59)

и может достигать единиц мегагерц.

Циклический анализ спектра в реальном времени можно осуществить, применив ДПФ с активным использованием пауз между вводимыми выборочными значениями. Это позволяет существенно снизить требования к быстродействию АУ без применения буферной памяти и коммутации потоков выходной информации.

В табл. 14.4 для рассмотренных выше режимов и структур обработки приведены значения рабочего диапазона частот ЦАС, анализ которого обеспечивается в режиме реального времени при осуществлении элементарной операции комплексного умножения и суммирования за время т = 10~ с. Значения частоты /в даны в герцах.

Таким образом, основными характеристиками вычислительных анализаторов спектра являются: диапазон анализируемых частот Пв, число вычисляемых значений спектральной функции N и динамические характеристики, определяемые АЦП и входными цепями.



Таблица 14.4. Диапазоны частот ЦАС в режиме реального времени

Способы

Рабочий диапазон частоты ЦАС, Гц, в режимах

анализа

разделения

ввода и обработки

буферной памяти

активного использования пауз

Каскадный БПФ

0,5 102 0,5-103

0,5 103

0,5-106

0,5-103

Цифровые анализаторы спектра кроме спектральных характеристик обычно вычисляют статистические характеристики.

В качестве примера можно привести анализатор спектра цифровой СК4-71, предназначенный для измерения спектральных, корреляционных и статистических характеристик сигналов в реальном масштабе времени.

Анализатор спектра цифровой выполняет анализ сигналов, поступающих в аналоговом виде с диапазоном частот 0-50 кГц или в виде числовых рядов. Он позволяет измерять спектральные, корреляционные и ста-

тистические характеристики сигналов, обнаруживать сигналы, замаскированные в шумах, определять критические частоты передаточных функций и соответствующие им функции когерентности в сложных системах, исследовать непрерывные, переходные и одиночные процессы.

В практике измерений отдельные характеристики процессов обычно измеряются с помощью специализированных приборов: анализаторов спектра, измерителей корреляционных и статистических характеристик, измерителей нелинейных искажений и гтараме-тров цепей и др. Анализатор СК4-71 представляет собой качественно новый тип аппаратуры, в которой специфические функции многочисленных приборов моделируются с помощью программ: для изменения характера функционирования достаточно вызова соответствующей программы без аппаратурного переустройства системы. Комплекс программ анализатора спектра позволяет сочетать в одном приборе практически все функциональные возможности, необходимые для всестороннего анализа различных сигналов (рис. 14.23).

Работа анализатора спектра цифрового основана на вычислительном принципе определения параметров сигналов. Структурная

Восстановление сигнала по спектру

Фазовая характеристика

Диаграмма Боде

Диаграмма Найквиста

Передаточ-jHMnynbCHafl ная функция

реакция

Цифровой анализатор сигналов (аппаратурное и математическое обеспечение)

Модуль спектра

Фазовый спектр

Квадратурные состав-1- ляюшие

Спектр в комплексной плоскости

Спектр мощности

Взаимный спектр

Функция когерентности

Усреднение спектров

Кепстр

Измерение параметров сигналов

Цифровая фильтрация

Операция, обратная свертке

Идентификация сигналов

Спектральный анализ периодических, случайных и редко повтор$по-

щихся процессов

Функция распределения

Анализ статистических характеристик

Гистограммы мгновенных значений

Одномерное распределение вероятностей

Корреляционный анализ

Характеристическая функция

Корреляционная функция

Взаимная корреляционная функция

Рис. 14.23. Функциональные возможности цифрового анализатора спектра



Вход а

Канай а1

Усилитель-™-ацп

Устройство управления

Вход Б

Канал б1

Усилитель-*НЧ-ЦП

Блок ввода с перфоленты

Вычислительное устройство

"Г~

Устройство ввода цифровых данных

[-Цифровой графопостроитель

- ЦПУ

Перфоратор

Цифровой магнитофон Дисковый накопитель Внешняя ЦВМ

Ос цилпографиче-ский индикатор

Х-У-самописец

Рис. 14.24. Структурная схема анализатора спектра СК4-71

схема анализатора СК4-71 приведена на рис. 14.24.

Входные аналоговые сигналы по одному {А) или двум {А, Б) каналам поступают на соответствуюшие усилители с переменным коэффициентом усиления, которые приводят различные пределы входных сигналов (от 0,125 до 8 В) к постоянному значению, необходимому для нормального функционирования последующих трактов. Далее сигналы поступают на фильтр нижних частот ФНЧ, где происходит вьщеление полосы частот, подлежащей анализу. По команде оператора фильтр может быть выключен. С выхода фильтров сигналы поступают на АЦП, где преобразуются в параллельный 10-разрядный двоичный код. Возможна работа как одного, так и обоих каналов. В последнем случае выборки мгновенных значений сигнала берутся одновременно в обоих каналах, что позволяет сохранить в цифровом коде информацию о фазовых соотношениях сигналов, необходимую для измерения взаимных характеристик. Частота выборки определяется кварцевым генератором и может изменяться оператором в пределах от 0,2 Гц до 1(Ю кГц. Эта частота определяет отсчетный масштаб прибора во временной и частотной областях.

Тракт сигнала от входа усилителей до выхода АЦП имеет калиброванные значения коэффициента передачи во всем диапазоне частот и уровней напряжений. Информация о значении коэффициента передачи и частота выборки вводятся в вычислительное устройство и учитываются при формировании конечного результата.

Цифровое вычислительное устройство работает в соответствии с заложенной в него программой. Программа состоит из ряда

подпрограмм, организующих ту или иную вычислительную операцию (вычисление спек-.тра, корреляционной функции, построение гистограммы и др.). Вызов необходимой подпрограммы осуществляется с устройства управления. Результаты вычислений выводятся на индикаторное или регистрирующее устройство. Все результаты сопровождаются масштабным коэффициентом для перевода их в физические единицы.

При анализе сигналов, представленных в цифровом виде (в виде числового ряда), данные вводятся непосредственно в цифровое вычислительное устройство с помощью устройства ввода числовых данных: с наборного табло пульта управления в десятичном коде или с перфоленты.

Основные технические характеристики цифрового анализатора спектра СК4-71

Диапазон частот.....О Гц -

50 кГц,

Динамический диапазон, дБ 60 Пределы входных напряжений 80 мВ -8 В

Число входов......2

Число выборок сигналов, анализируемых прибором. . ..32 - 4096

Основные режимы работы:

спектральный, статистический и корреляционный анализ;

измерение амплитудного и фазового спектров;

измерение передаточных функций электрических, механических, термических и других сигналов;

измерение свертки двух сигналов;

измерение спектра мошности, взаимного спектра и функции когерентности;

измерение корреляционных функций;

измерение гистограмм амплитуд.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 [149] 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0132