PL212100B1

PL212100B1 - Sposób i urządzenie do pomiaru parametrów sygnałów stochastycznych oraz deterministycznych sygnałów harmonicznych

Info

Publication number: PL212100B1
Application number: PL383905A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Wieczorek
Original assignee: Politechnika Śląska
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2012-08-31
Also published as: PL383905A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do pomiaru parametrów sygnałów stochastycznych oraz deterministycznych sygnałów harmonicznych. Mierzone parametry sygnałów obejmują wartość średnią sygnału, wartość skuteczną składowej zmiennej, wartość skuteczną całego sygnału, moc składowej zmiennej sygnału, całkowitą moc sygnału. 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 pomiarów takich parametrów sygnałów jak wartość skuteczna, czy też średnia. Należą do nich na przykład obserwacje oscyloskopowe, analiza widma badanego przebiegu, czy też pomiar prawdziwej wartości skutecznej sygnału. Jedną z metod pomiaru wartości skutecznej jest konwersja sygnału w postaci elektrycznej na ciepło w elemencie grzejnym, a następnie pomiar stałoprądowej wartości napięcia z czujnika temperatury mierzącego temperaturę elementu grzejnego. Taka technika pomiarowa jest stosowana np. w patencie GB1429929A „Device for Measuring the RMS Value of an Electrical Signal”. Podobny sposób przedstawiono w patencie US4274143A „Recirculating RMS AC Conversion Method and Apparatus”. Inna metoda pomiarowa przedstawiona w patencie GB1521885A „RMS Converter” polega na porównywaniu mierzonego sygnału z sygnałem pseudolosowym generowanym wewnątrz urządzenia i zliczaniu otrzymanego ciągu impulsów w liczniku o zmiennym kierunku zliczania. Kolejny sposób pomiaru wartości skutecznej sygnału opisany został w patencie EP0916956A1 „RMS Converter for Obtaining Fast RMS Measurements”, a jego idea opiera się na próbkowaniu i przetworzeniu do postaci cyfrowej mierzonego sygnału i cyfrowym przetworzeniu zebranych próbek. Inna metoda również wykorzystująca przetwarzanie sygnału do postaci cyfrowej została przedstawiona w patencie DE19613736C1 „Verfahren zum Erzeugen eines dem Effektivwert eines periodischen elektrischen Signals proportionalen Mepsignals”.

Wszystkie z wyżej wymienionych metod wymagają dość znacznego zaangażowania sprzętowego, a dokładność takich pomiarów nie zawsze jest gwarantowana (np. pomiary oscyloskopowe) i co za tym idzie wyniki takich pomiarów często mogą być tylko traktowane jako zgrubne oszacowanie.

Znany jest sposób pomiaru parametrów sygnałów stochastycznych oraz deterministycznych sygnałów harmonicznych, w którym w kolejnych cyklach pomiarowych mierzony sygnał po wstępnym wzmocnieniu porównuje się w układzie komparatora z napięciem progowym. Sygnał wyjściowy z układu komparatora podaje się na wejście zezwalające układu licznika impulsów, w którym zlicza się impulsy z generatora częstotliwości wzorcowej w trakcie trwania impulsu bramkującego z układu bramkującego. Następnie po zakończeniu impulsu bramkującego odczytuje się z pomocą nadrzędnego układu sterująco-przetwarzającego liczbę zliczonych w układzie licznika impulsów.

Znane jest urządzenie do pomiaru parametrów sygnałów stochastycznych oraz deterministycznych sygnałów harmonicznych, które posiada układ wstępnie wzmacniający sygnał wejściowy, a wzmocniony sygnał doprowadzony jest do pierwszego wejścia komparatora. Ponadto urządzenie zawiera regulowane źródło napięcia, które zadaje napięcie progowe dla komparatora. Wyjście komparatora połączone jest do układu licznika zliczającego impulsy o częstotliwości wzorcowej, do którego jest również doprowadzone wyjście układu generującego sygnał bramkujący. Wyjście licznika podłączone jest do układu sterująco-przetwarzającego wyliczającego parametry mierzonych sygnałów.

Sposób według wynalazku polega na tym, że w pierwszym cyklu pomiarowym zadaje się pierwszą wartość napięcia progowego dla układu komparatora, po czym po czasie bramkowania TG odczytuje się przez nadrzędny układ sterująco-przetwarzający, korzystnie system mikroprocesorowy, liczbę impulsów zliczonych przez układ licznika i dzieli się ją przez pojemność Nmax układu licznika, a tak uzyskany iloraz używa się jako argumentu odwrotnej funkcji dystrybuanty charakteryzującej mierzony sygnał i uzyskuje się pierwszą wartość odwrotnej funkcji dystrybuanty odpowiadającą pierwszej zadanej wartości napięcia progowego, po czym powtarza się cykl pomiarowy drugi raz dla drugiej wartości napięcia progowego komparatora i uzyskuje się drugą wartość odwrotnej funkcji dystrybuanty odpowiadającą drugiej zadanej wartości napięcia progowego.

W nadrzędnym układzie sterująco-przetwarzającym, korzystnie systemie mikroprocesorowym, dzieli się różnicę pierwszej i drugiej wartości zadawanego napięcia progowego komparatora przez różnicę pierwszej i drugiej wartości odwrotnej funkcji dystrybuanty charakteryzującej badany sygnał i uzyskuje się wartość odchylenia standardowego mierzonego sygnału.

PL 212 100 B1

Ponadto w nadrzędnym układzie sterująco-przetwarzającym, korzystnie systemie mikroprocesorowym, wyznacza się iloczyn pierwszej wartości napięcia progowego komparatora i drugiej wartości odwrotnej funkcji dystrybuanty, następnie od wyniku odejmuje się iloczyn drugiej wartości napięcia progowego komparatora i pierwszej wartości odwrotnej funkcji dystrybuanty, po czym dzieli się otrzymany wynik przez różnicę drugiej i pierwszej wartości odwrotnych funkcji dystrybuanty i uzyskuje się wartość średnią mierzonego sygnału.

Urządzenie do pomiaru parametrów sygnałów stochastycznych oraz deterministycznych sygnałów harmonicznych charakteryzuje się tym, że na drugie wejście układu komparatora doprowadzone jest napięcie progowe ze źródła napięcia odniesienia, do którego podłączony jest nadrzędny układ steruj ąco-przetwarzający, korzystnie system mikroprocesorowy, natomiast wyjście komparatora doprowadzone jest do pierwszego wejścia zezwalającego EN1 układu licznika, a do drugiego wejścia zezwalającego EN2 układu licznika połączone jest wyjście układu generującego sygnał bramkujący, przy czym do wejścia zegarowego licznika podłączone jest wyjście generatora częstotliwości wzorcowej.

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że moc składowej zmiennej, całkowita wartość skuteczna i moc całkowita są wyliczane w nadrzędnym układzie sterująco-przetwarzającym, korzystnie systemie mikroprocesorowym, z uzyskanych po zakończeniu dwóch kolejnych cykli pomiarowych wartości średniej i odchylenia standardowego.

Dowolne zniekształcenie nieliniowe sygnału mierzonego występujące dla napięć powyżej górnego lub poniżej dolnego napięcia progowego nie wpływa na ostateczny wynik pomiaru.

Ponadto w sposobie według wynalazku mierzony sygnał może mieć większą częstotliwość niż częstotliwość układu generatora wzorcowego.

W urządzeniu według wynalazku czas trwania impulsu bramkującego TG na wyjściu układu bramkującego jest równy ilorazowi pojemności Nmax licznika i częstotliwości wzorcowej Fw.

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

Do wejścia 1 doprowadzany jest mierzony sygnał o charakterze stochastycznym lub deterministycznym harmonicznym i niezerowej wartości średniej, który po przejściu przez wstępny wzmacniacz 2 dochodzi do wejścia odwracającego układu komparatora napięcia 3. Wzmocniony sygnał mierzony porównywany jest z napięciem progowym o wartości UP ze źródła napięcia odniesienia 6. Wartość napięcia odniesienia jest ustawiana przez nadrzędny układ sterująco-przetwarzający 5. 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 Nmax układu licznika 4 i częstotliwości FG 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. Po dwóch pełnych cyklach pomiarowych przeprowadzonych dla dwóch różnych wartości napięcia progowego UP układ sterująco-przetwarzający 5 dokonuje wyliczenia parametrów badanego sygnału.

Sposób według wynalazku przewiduje wykorzystanie statystycznych zależności do określenia parametrów badanego sygnału. Dla każdego mierzonego sygnału harmonicznego deterministycznego oraz stochastycznego powinna być znana funkcja odwrotna jego dystrybuanty.

Wartość średnią (składową stałą) sygnału można wyrazić przez napięcia progowe komparatora i funkcje odwrotne dystrybuanty sygnału.

a odchylenie standardowe:

PL 212 100 B1 gdzie UL niższy próg napięciowy, UH wyższy próg napięciowy, AH odwrotna funkcja dystrybuanty odpowiadająca wyższemu progowi napięciowemu, AL odwrotna funkcja dystrybuanty odpowiadająca niższemu progowi napięciowemu.

Ostateczna interpretacja parametrów statystycznych badanego przebiegu jest następującawartość składowej stałej:

wartość skuteczna samej składowej zmiennej:

Urms(ac) ^{= σ}χ· i ostatecznie całkowita wartość skuteczna:

Urms ⁼ ·\[σϊ + 1¹%

Moc składowej zmiennej (na jednostkowej rezystancji) jest równa:

Pac ⁼ a moc całkowitą można wyrazić (również na jednostkowej rezystancji):

P = σ£ + μ£

Jako przykład sygnału mierzonego można rozważyć szum biały (normalny rozkład prawdopodobieństwa) o niezerowej wartości średniej. Wtedy

gdzie:

NL - liczba impulsów zliczona przez licznik przy napięciu progowym Ul,

NH - liczba impulsów zliczona przez licznik przy napięciu progowym UH,

Nmax - pojemność licznika.

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 x badanego sygnału. W ogólności niepewność pomiarowa jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z Nmax. Napięcie progowe UP przybiera w kolejnych cyklach pomiarowych wartości UH i UL, które mogą być dobierane z szerszego zakresu, jednakże utrzymanie względnej niepewności pomiarowej na najniższym możliwym poziomie wymusza pewne ograniczenia. Przykładowo dla szumu białego proponowany zakres zmienności napięć progowych mieści się w przedziale <0.25 x; 2.5 x>. Dla doboru bezwzględnej wartości napięcia progowego UP z zakresu <0.25 x; 2.5 x> dopuszczalne wartości zliczone przez licznik wyniosą w przybliżeniu od 0. 006Nmax do 0.4Nmax oraz od 0.6Nmax do 0.994Nmax. Wartości zliczonych impulsów spoza przedstawionych zakresów również pozwalają wyznaczyć końcowy wynik pomiaru, jednakże mogą prowadzić do wzrostu względnej niepewności pomiarowej.

Claims

1. Sposób_pomiaru_parametrów_sygnałów_stochastycznych oraz w_deterministycznych sygnałów harmonicznych, w którym w kolejnych cyklach pomiarowych mierzony sygnał po wstępnym wzmocnieniu porównuje się w układzie komparatora z napięciem progowym, po czym sygnał wyjściowy układu komparatora podaje się na wejście zezwalające układu licznika impulsów zliczającego impulsy z generatora częstotliwości wzorcowej w trakcie trwania impulsu bramkującego z układu bramkującego, a następnie po zakończeniu impulsu bramkującego odczytuje się z pomocą nadrzędnego układu sterująco-przetwarzającego liczbę zliczonych w układzie licznika impulsów, znamienny tym, że w pierwszym cyklu pomiarowym zadaje się pierwszą wartość napięcia progowego dla układu komparatora, po czym po czasie bramkowania TG odczytuje się przez nadrzędny układ sterującoprzetwarzający, korzystnie system mikroprocesorowy, liczbę impulsów zliczonych przez układ licznika i dzieli się ją przez pojemność Nmax układu licznika, a tak uzyskany iloraz używa się jako argumentu odwrotnej funkcji dystrybuanty charakteryzującej mierzony sygnał i uzyskuje się pierwszą wartość odwrotnej funkcji dystrybuanty odpowiadającą pierwszej zadanej wartości napięcia progowego, po czym powtarza się cykl pomiarowy drugi raz dla drugiej wartości napięcia progowego komparatora i uzyskuje się drugą wartość odwrotnej funkcji dystrybuanty odpowiadającą drugiej zadanej wartości napięcia progowego.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w nadrzędnym układzie sterująco-przetwarzającym, korzystnie systemie mikroprocesorowym, dzieli się różnicę pierwszej i drugiej wartości zadawanego napięcia progowego komparatora przez różnicę pierwszej i drugiej wartości odwrotnej funkcji dystrybuanty charakteryzującej badany sygnał i uzyskuje się wartość odchylenia standardowego mierzonego sygnału.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w nadrzędnym układzie sterująco-przetwarzającym, korzystnie systemie mikroprocesorowym, wyznacza się iloczyn pierwszej wartości napięcia progowego komparatora i drugiej wartości odwrotnej funkcji dystrybuanty, następnie od wyniku odejmuje się iloczyn drugiej wartości napięcia progowego komparatora i pierwszej wartości odwrotnej funkcji dystrybuanty, po czym dzieli się otrzymany wynik przez różnicę drugiej i pierwszej wartości odwrotnych funkcji dystrybuanty i uzyskuje się wartość średnią mierzonego sygnału.

4. Urządzenie do pomiaru parametrów sygnałów stochastycznych oraz deterministycznych sygnałów harmonicznych, które posiada układ wstępnie wzmacniający sygnał wejściowy, przy czym wzmocniony sygnał doprowadzony jest do pierwszego wejścia komparatora, a ponadto układ posiada regulowane źródło napięcia zadające napięcie progowe, układ licznika zliczający impulsy o częstotliwości wzorcowej, układ generujący sygnał o częstotliwości wzorcowej, układ generujący sygnał bramkujący, układ sterująco-przetwarzający wyliczający parametry mierzonych sygnałów, znamienne tym, że na drugie wejście układu komparatora 3 doprowadzone jest napięcie progowe ze źródła napięcia odniesienia 6, do którego podłączony jest nadrzędny układ sterująco-przetwarzający 5, korzystnie system mikroprocesorowy, natomiast wyjście komparatora 3 doprowadzone jest do pierwszego wejścia zezwalającego EN1 układu licznika 4, a do drugiego wejścia zezwalającego EN2 układu licznika 4 połączone jest wyjście układu generującego sygnał bramkujący 8, przy czym do wejścia zegarowego licznika 4 podłączone jest wyjście generatora częstotliwości wzorcowej 7.