PL211645B1

PL211645B1 - Sposób i urządzenie do pomiaru wartości skutecznej szumu białego

Info

Publication number: PL211645B1
Application number: PL383906A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Wieczorek
Original assignee: Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2012-06-29
Also published as: PL383906A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do pomiaru wartości skutecznej szumu białego. Urządzenie może znaleźć zastosowanie w takich dziedzinach jak elektronika, telekomunikacja, akustyka, pomiar temperatury, pomiar dużych rezystancji.

Przedmiot wynalazku może być w formie urządzenia przenośnego, jak i urządzenia stacjonarnego.

Znanych jest kilka metod pomiaru wartości skutecznej szumu. Należą do nich na przykład obserwacje oscyloskopowe, które umożliwiają tylko bardzo zgrubne oszacowanie wartości skutecznej. Znacznie dokładniejsze wyniki można uzyskać poprzez analizę widma przebiegu szumowego, jest to jednak metoda wymagająca zastosowania bardzo kosztownego i zarazem wielkogabarytowego sprzętu pomiarowego, co może być niemożliwe do zaakceptowania w wielu praktycznych zastosowaniach. Pomiar prawdziwej wartości skutecznej sygnału jest kolejną alternatywą, jednakże ze względu na to, że szerokość pasma mierzonych sygnałów o charakterze szumowym może być bardzo duża, to praktyczne zastosowanie znajdują tylko metody wykorzystujące elementy grzejne wraz z pomiarem temperatury. Taka metoda została opisana np. w opisie patentowym GB1429929A „Device for Measuring the RMS Value of an Electrical Signal. Inna metoda określania poziomu szumów jest przedstawiona w opisie patentowym US4204164A1 „Noise Detector Circuit, w którym komparator porównuje poziom sygnału wejściowego z sygnałem opóźnionym, co skutkuje wygenerowaniem sekwencji impulsów, których liczba w jednostce czasu jest zależna od poziomu szumów. Pomiar tą metodą daje tylko zgrubne pojęcie o poziomie szumów, a nie daje informacji o jego wartości skutecznej. Inne metody pomiaru podobnych właściwościach i wykorzystujące podobne podzespoły przedstawiono w opisach patentowych JP2000137048 „Noise Level Determining Circuif oraz WJP56151365A „Noise Detector. W opisie patentowym JP7260855 „Method and Apparatus for Measuring Noise and Method for Reducing Noise zaprezentowano sposób szacowania poziomu szumów generowanych przez układy cyfrowe przenikających do układów analogowych, jednakże metoda ta nie pozwala na określenie wartości skutecznej. Wymienione wyżej metody pomiaru sygnałów o charakterze szumowym, które umożliwiają określenie wartości skutecznej szumu, wymagają wykorzystania drogich i skomplikowanych urządzeń pomiarowych, natomiast metody dla których rozwiązanie układowe jest stosunkowo proste nie dają możliwości wyznaczenia wartości skutecznej sygnału.

Z analizy właściwości powyższych układów można zauważyć, że istnieje potrzeba stworzenia urządzenia, które zapewniałoby automatyczny pomiar parametrów szumu, takich jak wartość skuteczna składowej zmiennej (odchylenie standardowe) moc (wariancja) przy założeniu zerowej wartości średniej sygnału. Ponadto urządzenie takie powinno zapewniać odpowiednio dużą dokładność pomiarów przy jednoczesnej prostocie konstrukcji (prosty sprzętowo układ o relatywnie małym poborze energii).

Sposób według wynalazku polega na tym, że w nadrzędnym układzie sterująco-przetwarzającym, korzystnie systemie mikroprocesorowym, wyznacza się skuteczną wartość napięcia szumu białego tak, że dzieli się wartość napięcia progowego Up przez odwrotną funkcję Q^-1(.), której argument oblicza się tak, że dzieli się liczbę N zliczonych w układzie licznika impulsów przez pojemność Nmax układu licznika.

Sposób według wynalazku polega na tym, że sygnał mierzony ma postać, która charakteryzuje się normalnym rozkładem prawdopodobieństwa, korzystnie postać białego szumu gaussowskiego o zerowej wartości ś redniej.

Sposób według wynalazku polega na tym, że dopuszcza się dowolne zniekształcenie nieliniowe mierzonego sygnału w postaci białego szumu gaussowskiego powyżej napięcia progowego Up bez wpływu na dokładność wyznaczania wyników pomiarów.

Urządzenie do pomiaru wartości skutecznej szumu białego charakteryzuje się tym, że układ licznika 4 zliczający impulsy z generatora częstotliwości wzorcowej 7 ma pierwsze wejście EN1 zezwalające zliczanie, do którego doprowadzony jest sygnał z wyjścia układu komparatora 3, ma drugie wejście EN2 zezwalające zliczanie, do którego doprowadzony jest sygnał z układu generującego sygnał bramkujący 8.

Urządzenie do pomiaru wartości skutecznej szumu białego charakteryzuje się tym, że układ licznika zlicza impulsy z układu generatora wzorcowego tylko wtedy, gdy stan sygnału wyjściowego z układu komparatora jest aktywny i jednocześnie stan sygnału bramkującego z układu bramkującego jest aktywny i jednocześnie stan sygnału kasującego z układu bramkującego jest nieaktywny.

PL 211 645 B1

Urządzenie do pomiaru wartości skutecznej szumu białego charakteryzuje się tym, że czas trwania sygnału bramkującego z układu bramkującego jest równy ilorazowi pojemności układu licznika i częstotliwości sygnału zegarowego z układu generatora wzorcowego.

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że jego konstrukcja jest prosta, łatwa do wykonania z wykorzystaniem układów scalonych, przez co rozmiary urządzenia i pobór energii są zminimalizowane. Prostotę układu udało się osiągnąć poprzez zastosowanie cyfrowego przetwarzania sygnałów.

Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu urządzenia.

Do wejścia 1 doprowadzany jest mierzony sygnał o charakterze szumu białego i zerowej wartości średniej, który po przejściu przez wstępny wzmacniacz 2 dochodzi do wejścia nieodwracającego układu komparatora napięcia 3. Wzmocniony sygnał mierzony porównywany jest z napięciem progowym o wartości U_p ze źródła napięcia odniesienia 6. Układ licznika 4 zlicza impulsy z generatora częstotliwości wzorcowej 7 tylko wtedy, gdy jego oba wejścia zezwalające na zliczanie EN1 i EN2 znajdują się w stanie aktywnym, a wejście Reset kasujące stan układu licznika 4 znajduje się w stanie nieaktywnym. Sygnał z układu komparatora napięcia 3 jest dołączony do wejścia EN1 układu licznika 4 i jest aktywny wtedy, gdy na wejściu nieodwracającym układu komparatora 3 panuje większe napięcie niż na wejściu odwracającym. Układ bramkujący 8 generuje impuls bramkujący doprowadzony do wejścia EN2 układu licznika 4. Stan aktywny tego impulsu trwa przez czas równy ilorazowi pojemności N_max układu licznika 4 i częstotliwości F_G sygnału zegarowego z układu generatora wzorcowego 7. Układ bramkujący 8 generuje również przed rozpoczęciem cyklu pomiarowego impuls kasujący doprowadzony do wejścia Reset układu licznika 4. Sygnały wyjściowe układu bramkującego 8 są generowane w sposób zsynchronizowany z sygnałem zegarowym z układu generatora częstotliwości wzorcowej 7. Każdy kolejny cykl pomiarowy inicjowany jest przez nadrzędny układ sterująco-przetwarzający 5, który generuje stosowny sygnał dla układu bramkującego 8. Po zakończeniu cyklu pomiarowego, który kończy się wraz z przejściem sygnału bramkującego ze stanu aktywnego w nieaktywny, nadrzędny układ sterująco-przetwarzający 5 odczytuje stan układu licznika 4 i na tej podstawie dokonuje wyliczenia wartości skutecznej mierzonego sygnału szumu.

Sposób według wynalazku przewiduje wykorzystanie statystycznych zależności do określenia parametrów badanego sygnału. Dla sygnału będącego szumem białym (normalny rozkład prawdopodobieństwa) o zerowej wartości średniej zależność pomiędzy wartością skuteczną URMS mierzonego sygnału (odchyleniem standardowym σ_χ), a napięciem progowym U_p i liczbą N zliczonych impulsów w układzie licznika 4 o pojemności Nmax jest określone zależnością:

U = σ u' '-'RMS ^_ux ^_ _Qii N gdzie Q^-1(.) jest funkcją odwrotną funkcji Q(.). Funkcja Q(.) ma postać:

Q(a)=-y^ je² du

Alternatywnie wartość skuteczną URMS można wyrazić przez odwrotną funkcję błędu:

^URMS ^{= σ} x ⁼ ^Up

V2erf ^-1| 1Moc szumu białego o zerowej wartości średniej wydzielona na jednostkowej rezystancji jest równa wariancji sygnału:

Niepewność pomiarowa sposobu według wynalazku zależy od długości cyklu pomiarowego wyrażonej pojemnością licznika Nmax i od wartości napięcia progowego Up w porównaniu do odchylenia standardowego σ_χ badanego sygnału. W ogólności niepewność pomiarowa jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z Nmax.

PL 211 645 B1

W tabeli 1 przedstawiono zestawienie skutecznej wartości względnej niepewności pomiarowej

5_rmS[%] oraz maksymalnej wartości względnej niepewności pomiarowej δ_Π3Χ[%] dla wartości bezwzględnej napięcia progowego z przedziału \U_p\ e< 0.25σ_x ; 2.5σ_χ > i długości cykli pomiarowych N_max.

Napięcie progowe Up może być dobrane z szerszego zakresu, jednakże proponowany zakres zmienności zapewnia utrzymanie względnej niepewności pomiarowej na najniższym możliwym poziomie. Dla doboru bezwzględnej wartości napięcia progowego U_p z zakresu < 0.25σ_>ί ; 2.5 σ_χ > dopuszczalne wartości zliczone przez licznik wyniosą w przybliżeniu od 0.006 Nmax do 0.4 Nmax oraz od 0.6 Nmax do 0.994 Nmax. Wartości zliczonych impulsów spoza przedstawionych zakresów również pozwalają wyznaczyć końcowy wynik pomiaru, jednakże mogą prowadzić do wzrostu względnej niepewności pomiarowej.

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że zniekształcenia nieliniowe wnoszone przez wzmacniacz wstępny na poziomie wyższym niż napięcie progowe zupełnie nie wpływają na ostateczny wynik pomiaru. Przesterowanie sygnału również zupełnie nie wpływa na ostateczny wynik pomiaru.

Tabela 1. Skuteczna wartość względnej niepewności pomiarowej 5_rmS[%] i maksymalna wartość względnej niepewności pomiarowej <S_max[%] w zależności od długości cykli pomiarowych <S_max i dla różnych przedziałów dopuszczalnych znormalizowanych napięć progowych.

^Nmax	\U_P._NORM\ ε<0.25σ ; 2.5σ >
δRMs[%]	δΓΠ3χ[%]
10·⁷	0.0724	0.3
10·⁶	0.1998	1.4
10^-5	0.6968	2.2

Zastrzeżenia patentowe

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pomiaru wartości skutecznej szumu białego, w którym mierzony sygnał po wstępnym wzmocnieniu porównuje się w układzie komparatora z napięciem progowym UP, po czym sygnał wyjściowy układu komparatora podaje się na wejście zezwalające układu licznika impulsów zliczającego impulsy z generatora impulsów o częstotliwości wzorcowej w trakcie trwania impulsu bramkującego o czasie TG z układu bramkującego, a następnie po zakończeniu impulsu bramkującego odczytuje się z pomocą nadrzędnego układu sterująco-przetwarzającego liczbę N zliczonych w układzie licznika impulsów, znamienny tym, że w nadrzędnym układzie sterująco-przetwarzającym, korzystnie systemie mikroprocesorowym, wyznacza się skuteczną wartość napięcia szumu białego tak, że dzieli się wartość napięcia progowego Up przez odwrotną funkcję Q^-1(.), której argument oblicza się tak, że dzieli się liczbę N zliczonych w układzie licznika impulsów przez pojemność Nmax układu licznika.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sygnał mierzony ma postać, którą charakteryzuje się normalnym rozkładem prawdopodobieństwa, korzystnie postać białego szumu gaussowskiego o zerowej wartości średniej.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dopuszcza się dowolne zniekształcenie nieliniowe mierzonego sygnału w postaci białego szumu gaussowskiego powyżej napięcia progowego UP bez wpływu na dokładność wyznaczania wyników pomiarów.
4. Urządzenie do pomiaru wartości skutecznej szumu białego, które posiada układ wstępnie wzmacniający sygnał wejściowy, układ komparatora porównujący wzmocniony sygnał doprowadzony do wejścia pierwszego z napięciem progowym doprowadzonym do wejścia drugiego z układu źródła napięcia progowego, układ licznika zliczający impulsy o częstotliwości wzorcowej, układ generujący impulsy o częstotliwości wzorcowej, układ generujący sygnał bramkujący, układ sterująco-przetwarzający wyliczający wartość skuteczną białego szumu gaussowskiego, znamienne tym, że układ licznika 4 zliczający impulsy z generatora częstotliwości wzorcowej 7 ma pierwsze wejście EN1 zezwalające zliczanie, do którego doprowadzony jest sygnał z wyjścia układu komparatora 3, ma drugie wejście EN2 zezwalające zliczanie, do którego doprowadzony jest sygnał z układu generującego sygnał