Преобразование сигналов в измерительных системах

В инженерной практике необходимо уметь не только генерировать сигналы, но и «проводить» их через различные звенья ИС. Сигналы измерительной информации преобразуются в различных физических звеньях измерительной цепи. Они подвергаются функциональному преобразованию, модуляции, дискретизации, квантованию, детектированию, фильтрации, сравнению, запоминанию, восстановлению. Рассмотрим, как осуществляются некоторые из перечисленных преобразований.

Модуляция синусоидально изменяющихся сигналов.

Материальный носитель становится сигналом в процессе модуляции. Необходимость модуляции в СИ возникает, если требуется повысить точность обработки измерительного сигнала. Модуляция применяется для передачи информации, содержащейся в измеряемой величине, по измерительной цепи или каналу связи, соединяющему входные и выходные преобразователи. Воздействие измерительного сигнала x (t) на какойлибо стационарный сигнал называют модуляцией.

Выделение из модулированного сигнала составляющей, пропорциональной измеряемому сигналу, называют детектированием.

В качестве стационарного сигнала, называемого носителем, чаще всего выбирают гармоническое колебание (6.1), которое определяется амплитудой х₀, частотой со₀ и фазой ф₀. Любой из этих параметров при осуществлении амплитудной, частотной или фазовой модуляции может быть информативным.

Амплитудная модуляция имеет широкое применение в измерительной технике. Она используется в многочисленных измерительных устройствах, в которых применяются мосты, питаемые переменным током, всевозможные датчики с индуктивными, емкостными и тензометрическими преобразователями и т. п.

Пусть носителем информации является напряжение.

Введя модулирующую функцию /(t), получим следующее выражение при амплитудной модуляции:

где AU — величина наибольшего приращения модулируемого параметра — амплитуды.

При амплитудной модуляции огибающая амплитуд несущей частоты должна повторять форму модулирующей функции /(t).

Рассмотрим этот вопрос при условии, что носителем информации служит переменный ток /. В этом случае смодулированное (несущее) колебание имеет вид.

Введя модулирующую функцию X (t), получим следующее выражение при амплитудной модуляции:

где А/ — наибольшее приращение тока (модулируемого параметра).

Выражение (6.2) перепишем в виде.

где т_ш = А/ / I — коэффициент модуляции или глубина модуляции.

При амплитудной модуляции огибающая амплитуд несущей частоты должна повторять форму модулирующей функции x (t). Этот процесс не будет сопровождаться искажениями, если |х (0 | < 1, а глубина модуляции 0 < т_АМ < 1.

Характер изменения амплитуды несущей частоты, вызванный модулирующим воздействием x (t), представлен на рис. 6.5, б.

Рис. 6.5. Форма AM-, ЧМи ФМ-сигналов при импульсной модуляции.

Частотная модуляция используется в измерительной технике главным образом в различных телеизмерительных устройствах с проводными или радиоканалами связи, а также в радиотелеметрии.

Измерительные устройства с частотной модуляцией находят широкое применение для измерения расстояний. Например, радиовысотомеры непрерывного излучения позволяют измерять высоты до 1500 м, что важно при взлете и посадке самолетов.

Роль частотной модуляции возрастает в связи с комплексной автоматизацией производственных процессов на базе ЭВМ. Технически целесообразно не преобразовывать аналоговые величины в дискретные, а создавать преобразователи, на выходе которых получались бы непосредственно дискретные величины. Осуществить такие измерительные устройства можно, включая параметрические преобразователи (Я, L, С) в частотозависимые цепи LC-, или ЯС-генераторов, частота которых становится при этом функцией измеряемой величины. Основная трудность заключается в получении высокой линейной зависимости / = F[x (t)L так как только при этом условии подсчет числа колебаний (импульсов) в единицу времени даст значения измеряемой величины, а подсчет числа колебаний за произвольный промежуток времени — интегральное значение. Таким образом, проблема создания частотных измерительных преобразователей (модуляторов) весьма актуальна.

При частотной модуляции модулирующая функция x (t) воздействует непосредственно на несущую частоту.

где Дш — амплитуда частотного отклонения или девиация.

Модулируемое колебание имеет вид (рис. 6.5, в).

В этом выражении частота со переменна и поэтому в процессе измерения получает бесконечно малые приращения.

Подставив значение частоты из выражения (6.3), получим.

Для измерительных устройств, преобразующих измеряемую величину в пропорциональное ей изменение частоты, существенно значение величины т_чм =Лоо/со, которую называют относительным изменением частоты, или глубиной частотной модуляции. В СИ оптимальным значением, обеспечивающим получение минимальной погрешности за счет расширения частотного спектра, считают значение т = 5…15%. Для обеспечения таких значений т преобразователи (Я, L, С), используемые в цепях частотной модуляции, должны иметь значительные относительные изменения параметра, составляющие 10…30%.

Фазовая модуляция в измерительной технике чаще всего применяется при измерении неэлектрических величин. Этим методом можно, например, определить расход (скорость) жидкости, измеряя разность фаз ультразвуковых колебаний, распространяющихся от излучателя как в направлении потока, так и против него.

Модуляция фазы позволяет получить частотную модуляцию с высокой стабильностью несущей частоты. Фазовая модуляция осуществляется за счет изменения угла сдвига колебаний несущей частоты относительно начальной фазы немодулированных колебаний.

Мгновенное значение переменного тока носителя можно представить в виде.

где 0 — мгновенное значение фазы.

При модуляции по фазе амплитуда и частота носителя постоянны, а мгновенная фаза колебаний изменяется в соответствии с законом изменения измеряемого сигнала.

Подставляя мгновенное значение фазы 0 в (6.4), получим (рис. 6.5, г):

Постоянную величину, являющуюся максимальным отклонением прих (0 = 1, называют девиацией фазы или коэффициентом фазовой модуляции.

Фазовый угол немодулированного колебания линейно растет со временем и равен со₀?. При модуляции к этому углу добавляется приращение Дсрх (?).

Таким образом, при модуляции по фазе нужно измерять мгновенную фазу 0. Это возможно только путем сопоставления фазы полученного переменного сигнала с фазой 0_б какоголибо опорного переменного сигнала. Поэтому при модуляции по фазе приходится дополнительно передавать базовый переменный сигнал с мгновенной фазой.

Разность фаз является однозначной функцией измеряемой величины.