Классификация измерительных сигналов

Сигнал — материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным.

Измерительный сигнал — это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине. Основные понятия, термины и определения в области измерительных сигналов устанавливает ГОСТ 16 465–70.

Измерительные сигналы чрезвычайно разнообразны. Их классификация по различным признакам:

• · По характеру измерения информативного и временного параметров из-мерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые.
• · По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых с течением времени не изменяются, и переменные, значения которых меняются во времени. Постоянные сигналы являются наиболее простым видом измерительных сигналов.
• · По степени наличия априорной информации переменные измерительные сигналы делятся на детерминированные, квазидетерминированные и случайные.

Аналоговый сигнал — это сигнал, описываемый непрерывной или кусочно-непрерывной функцией Ya (t), причем как сама эта функция, так и ее аргумент t могут принимать любые значения на заданных интервалахY ?(Ymin; Ymax) иt ?(tmin; tmax).

Дискретный сигнал — это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. В первом случае он может принимать в дискретные моменты времени nТ, где Т= const — интервал (период) дискретизации, n = 0; 1; 2;…— целое, любые значения Yд (nT) ?(Yniin; Ymax), называемые выборками, или отсчетами. Во втором случае значения сигнала Ya (t) существуют в любой момент времени t ?(tmin; tmax), однако они могут принимать ограниченный ряд значений hi= nq, кратных кванту q.

Цифровые сигналы — квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы Yu (nT), которые описываются квантованными решетчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени пТ лишь конечный ряд дискретных значений— уровней квантования h1, h2, … hn.

Случайный сигнал — это изменяющаяся во времени физическая величина, мгновенное значение которой является случайной величиной.

Случайным процессом X (t) называется процесс (функция), значение которого при любом фиксированном значении t = tQ является случайной величиной X (t0). Конкретный вид процесса (функции), полученный в результате опыта, называется реализацией. При проведении серии опытов можно получить группу или семейство реализаций случайной функции. Семейство реализаций случайного процесса является основным экспериментальным материалом, на основе которого можно получить его характеристики и параметры.

Наибольшее значение имеют следующие характеристики случайного процесса:

? математическое ожидание

Математическое ожидание — это средняя функция, вокруг которой группируются реализации (см. рис.1).

Многие параметры случайного процесса получают путем вычисления простейших функций от математического ожидания.

? дисперсия (разброс реализаций случайной величины).

Рис. 1.

Корень квадратный от дисперсии называют среднеквадратичным отклонением (СКО): измерительный сигнал помеха шум.

Если сечения случайного процесса описываются одним и тем же законом распределения, то математическое ожидание и дисперсия являются числами (параметрами).

Если, то говорят, что такой процесс имеет нулевое среднее; процесс называется центрированным. Математическое ожидание называют первым моментом случайной величины, дисперсию — вторым моментом. Момент n-ого порядка определяется соотношением.

Если для случайного процесса заданы двумерные плотности вероятности, что бывает необходимо при анализе быстроменяющихся процессов, то определяют так называемую ковариационную функцию.

которая определяет математическое ожидание произведений случайных функций в моменты и .

При имеем.

т.е. при нулевом интервале между и ковариационная функция определяет математическое ожидание от квадрата случайной величины. Разность между случайной величиной и её математическим ожиданием определяет флуктуации (изменения) сигнала. Для описания флуктуаций определяется автокорреляционная функция процесса При получаем т. е. автокорреляционная функция в этом случае равна дисперсии. Часто применяют нормированную корреляционную функцию.

где .

Все эти функции, , — характеризуют связь между значениями случайного процесса, разделенными промежутком времени. Чем медленнее меняется случайная функция, тем больше, в пределах которого эти функции не равны нулю, т. е. наблюдается статистическая связь между ними.

Помеха-это сигнал, однородный с измерительным сигналом и действующий одновременно с ним. Его присутствие приводит к появлению погрешности измерения.

Классификация помех возможна по ряду признаков:

• · По месту возникновения помехи делятся на внешние и внутренние. При-чиной возникновения внешних помех являются природные процессы и работа различных технических устройств. Последние создают так называемые инду-стриальные помехи. Внутренние помехи обусловлены процессами, происходящими при работе самого средства измерений.
• · В зависимости от вида включения источников помехи и измерительного сигнала в эквивалентных схемах средств измерений различают помехи общего вида (синфазные) и помехи нормального (последовательные) вида. Источник помехи общего вида включен между общими точками (корпусами) схем объекта измерений и СИ. Источник помехи нормального вида включен последовательно во входную цепь СИ.
• · По виду частотного спектра помехи делятся на белый и розовый шумы. Спектральные составляющие белого шума равномерно распределены по всему частотному диапазону. У розового шума спектральная мощность, приходящаяся на декаду частоты, постоянна.
• · По основным свойствам помехи можно разделить на три вида: флуктуа-ционные, сосредоточенные и импульсные.

Флуктуационные помехи представляют собой хаотическое, беспорядочное изменение во времени сигнала, однородного с измеряемым, в каком-либо месте средства измерений. Такие помехи часто называют шумом.

Пример— внутренние шумы измерительных электронных усилителей. Различают следующие виды шумов:

* тепловой (шум Джонсона), по своим свойствам близкий к белому шуму.

Тепловой шум генерируется любым резистором, находящимся в измерительной цепи. Значение его состоит в том, что он устанавливает нижнюю границу на-пряжения шумов любого измерительного преобразователя, имеющего выходное сопротивление;

• * дробовый, обусловленный движением электронов— дискретных носителей электрического тока. Он имеет равномерный спектр, т. е. является белым;
• * фликкер-шум. К данному виду относят шумы, у которых спектральная мощность на декаду частоты примерно постоянна, т. е. розовые шумы, например шум постоянного резистора, пропорциональный протекающему через него току, шум тока базы транзистора и др.

Влияние флуктуационной помехи уменьшается при усреднении суммы измерительного сигнала и помехи. Максимальное уменьшение влияния флуктуационной помехи на результат измерения возможно в том случае, когда спектральная плотность помехи постоянна в пределах полосы пропускания средства измерений, т. е. помеха имеет характер белого шума.

Сосредоточенными называют помехи, основная часть мощности которых сосредоточена на отдельных участках диапазона частот, меньших полосы пропускания СИ. Помехи, наводимые в измерительных цепях СИ от промышленной силовой сети частотой 50 Гц, являются сосредоточенными. Эффективность их подавления в значительной мере определяется достоверностью априорных данных о частотном спектре.

Импульсными помехами называется регулярная или хаотическая последо-вательность импульсных сигналов, однородных с измерительным сигналом. Источниками таких помех являются цифровые и коммутирующие элементы СИ или работающего рядом с ними устройства. Характерный пример импульсных помех— помехи от устройств зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Импульсные и сосредоточенные помехи часто называют наводками. Поскольку основным следствием действия помехи является появление погрешности измерения, то стараются устранить или, по крайней мере, ослабить их действие на средства измерений.