Оброблення результатів вимірювання фази періодичних сигналів автогенераторних перетворювачів фізичних величин

Abstract

Проблема вимірювання фази сигналів є перспективним науково-технічним напрямком, але загальною тенденцією її вирішення є нерозривний розвиток методології обробки інформації і програмно-апаратної частини контрольно-вимірювальної техніки, що використовується в таких галузях, як радіофізика, радіонавігація, прецезійне вимірювання шорсткості, розмірів, дефектів поверхонь та кристалів, детектування, в тому числі, зашумлених ФМ-сигналів. На сьогодні використовуються такі методи вимірювання різниці фаз сигналів, як компенсації фази, перетворення різниці фаз у часовий інтервал, кореляційні методи, метод перетворення у ряд Фур’є з подальшим виділенням фазової складової, а також цифрові методи, найпоширенішими з яких є метод часових воріт та метод дискретної лічби імпульсів вимірювального сигналу.

Більшість описаних методів розроблено для вимірювання фази гармонічних та квазігармонічних сигналів. Однак, в реальних умовах вимірювання, вимірювальний канал є джерелом шумів, вихідний вимірювальний сигнал має спотворену форму і потребує фільтрації, що призводить до необхідності застосування складних фільтрувальних систем, або застосування програмного забезпечення, що реалізує алгоритм фільтрації сигналів. Ця проблема також може виникати за релаксаційного режиму роботи вимірювального автогенератора та порушення режиму живлення. З метою спрощення апаратної частини та зменшення кількості математичних операцій, які збільшують час вимірювання та знижують чутливість вимірювання, в роботі продемонстровано розроблений чисельний метод розрахунку фази вимірювального сигналу автогенераторних перетворювачів фізичних величин на фоні дії адитивних шумів каналу розповсюдження сигналу, в тому числі і паразитної амплітудної модуляції, усуваючи при цьому необхідність розгляду спектрального складу сигналу і громіздких розрахунків перетворення Фур’є.

The problem of phase measuring is a promising scientific and technical direction, but the general tendency of its solution is the inextricable development of the methodology of information processing and software and hardware part of the control and measuring equipment used in such fields as radiophysics, radio navigation, precision measurement of roughness, size and defects, surfaces and crystals, detecting, including noisy FM signals. At present, the following methods for measuring the phase difference of signals, such as phase compensation, phase difference transformation in time intervals, correlation methods, Fourier series transformation method with subsequent phase separation, as well as digital methods, the most common of which is the time gate method and method of a discrete number of pulses of a measuring signal.

Most of the described methods are designed to measure the phase of harmonic and quasi-harmonic signals. However, in real-world measurement, the measuring channel is a source of noise; the output measurement signal is distorted and requires filtration, which requires the use of complex filter systems, or application software that implements a signal filtering algorithm. This problem can also occur due to the relaxation mode of the measuring self-generator and violation of the power supply. In order to simplify the hardware and reduce the number of mathematical operations that increase the measurement time and reduce the sensitivity of the measurement, a numerical method for calculating the phase of the measurement signal of self-generator converters of physical quantities in the background of the action of the additive noise of the signal propagation channel, including parasitic amplitude modulation, is demonstrated. , thus eliminating the need to consider the spectral composition of the signal and the cumbersome calculations of the Fourier transform.

Проблема измерения фазы сигналов является перспективным научно-техническим направлением, общей тенденцией решения которой является неразрывное развитие методологии обработки информации и программно-аппаратной части контрольно-измерительной техники, которая используется в таких отраслях, как радиофизика, радионавигация, прецизионные измерения шероховатости, размеров и дефектов поверхностей и кристаллов, детектирования, в том числе, зашумленных ФМ-сигналов. В настоящее время используются такие методы измерения разности фаз сигналов, как компенсация фазы, преобразование разности фаз во временной интервал, корреляционные методы, метод преобразования в ряд Фурье с последующим выделением фазовой составляющей, а также цифровые методы, самыми распространенными из которых являются методы временных ворот и дискретного счета импульсов измерительного сигнала.

Большинство описанных методов разработаны для измерения фазы гармонических и квазигармонических сигналов. Однако, в реальных условиях измерения, измерительный канал является источником шумов, выходной измерительный сигнал которого имеет искаженную форму и требует фильтрации, что приводит к необходимости применения сложных фильтрующих систем, или применения программного обеспечения, реализующего алгоритм фильтрации сигналов. Эта проблема может возникать и в случае релаксационного режима работы измерительного автогенератора, а также нарушения режима питания. С целью упрощения аппаратной части и уменьшения количества математических операций, которые увеличивают время измерения и снижают чувствительность измерения, в работе предложен разработанный численный метод измерения фазы сигнала автогенераторных преобразователей физических величин на фоне действия аддитивных шумов канала распространения сигнала, в том числе и паразитной амплитудной модуляции, исключая при этом необходимость рассмотрения спектрального состава сигнала и громоздких расчетов преобразования Фурье.