СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ФОРМЫ СИГНАЛА

УДК 519.8.654
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ФОРМЫ СИГНАЛА
Ю.Н. Кликушин, К.Т. Кошеков, Б.В. Кошекова
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF SIGNAL WAVEFORM
Y.N. Klikushin, K.T. Koshekov, B.V. Koshekova
Описана интеллектуальная система автоматического регулирования формы временной реализации сигнала. Предложена библиотека инструментов виртуального генератора периодических сигналов прямоугольной, синусоидальной, треугольной и пилообразной формы. В отличие от аналогичных генераторов, входящих в стандартную библиотеку среды ЬаЬУ1Е\, уровень нелинейных искажений сигналов в предлагаемом приборе удалось снизить от 5 до 100 раз.
Ключевые слова: регулирование формы сигнала, нелинейные искажения, ЬаЬУШУУ.
The intelligent system of automatic control of the signal time realization waveform is described. The library of tools of virtual periodic signal generator of square-wave, sinusoidal, trigonal and saw-shape waveform is offered. Unlike the analogous generators included in the standard Lab VIEW library the offered device enables to make the level of non-linear distortions of signals up to 5-100 times less.
Keywords: signal waveform control, harmonic distortion, LabVIEW.
Различные виртуальные (компьютерные) приборы (ВП) находят широкое применение не только для решения учебных и научно-исследовательских задач. В настоящее время отчетливо наблюдается рост интереса к ВП как средствам промышленных систем.
Качество подобных систем во многом зависит от качества источников сигналов, используемых как эталоны при настройке, калибровке и поверке измерительных каналов. Одним из основных требований к источникам образцовых сигналов является требование малости уровня нелинейных искажений (порядка десятых долей %) в максимально широком частотном диапазоне (от долей Гц вплоть до частоты, равной половине частоты дискретизации).
В среде графического программирования ЬаЬ-У1Е\ имеются виртуальные инструменты - генераторы периодических сигналов. На их основе можно создавать ВП, пригодные для моделирования.
Однако, чтобы использовать их в качестве источников образцовых сигналов промышленных
Кликушин Юрий Николаевич - д.т.н., профессор кафедры информационно-измерительной техники Омского государственного технического университета; iit@omgtu.ru.
Кошеков Кайрат Темирбаевич - к.т.н., доцент, декан факультета энергетики и машиностроения Северо-Казахстанского государственного университета; кко-shekov@mail.ru.
Кошекова Бибигуль Викторовна - старший преподаватель кафедры радиоэлектроники и телекоммуникаций Северо-Казахстанского государственного университета; kkoshekov@mail.ru.
систем, необходимо решить проблему, связанную с ростом нелинейных искажений вследствие изменений фазировки отсчетов при вариации частоты сигнала. Визуально данный эффект проявляется на некоторых частотах в виде срезания верхушек сигнала. По форме - это аналогично ограничению амплитуды сигнала выходными каскадами усилителя, входящими в насыщение на высоких частотах при большом уровне выходной мощности.
1. МРАжЬег ЛУ-типа для измерения распределение мгновенных значений сигнала
Для уменьшения уровня нелинейных искажений генераторов периодических сигналов предлагается использовать систему автоматического регулирования формы сигнала Данное предложение отличается от известных решений [1], основанных на спектральных оценках уровня нелинейных искажений с помощью коэффициента гармоник тем, что, во-первых, форма сигнала измеряется непосредственно с помощью специальных средств идентификационных измерений - идентификационных тестеров (МРАе&ег), подробно описанных,
Klikushin Yury Nikolaevich - PhD, professor of information and measuring equipments department of Omsk State Technical University; iit@omgtu.ru.
Koshekov Kayrat Temirbaevich - PhD, associate professor, dean of power and mechanical engineering faculty of North Kazakhstan State University; kkoshekov@mail.ru.
Koshekova Bibigul Viktorovna - senior lecturer of radio electronics and telecommunications department of North Kazakhstan State University; kkoshekov@mail.ru.
Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», выпуск 9 33
в монографии [2] или публикации [3]. В рассмотренной системе автоматического регулирования формы сигнала используется ЫРА^ет NF-^ипa, измеряющий распределение мгновенных значений сигнала. Его математическая модель связана с вычислением отношения размаха сигнала к его среднеквадратичному отклонению:
-|2
IdP = NF =
Размах сигнала
N
СКО сигнала
тах{х(}-тіпЦ}
= KfN.
и трактует обработку значений {X] сигнала как преобразование количества информации объема N на входе системы регулирования в количество информации объема NF на выходе.
Во-вторых, для перевода имени генерируемого сигнала в числовой эквивалент, равный эталонному значению его формы, применяется внутренняя база данных (БД) (рис. 1). Эта БД формируется по результатам предварительных измерений формы тех сигналов, которые предполагается использовать в генераторе.
8lgnal "Тур*
Рис. I. Структурная схема генератора периодических сигналов с управляемой формой сигнала
В-третьих, сравнение измеренного значения идентификационного показателя формы выходного сигнала генератора и эталонного идентификационного показателя, поступающего с выхода БД, осуществляется с помощью идентификационного компаратора, состоящего из вычитающего и порогового устройств. Выход компаратора подключается ко входу управления генератора сигналов. Наличие БД, которая по заданному типу сигнала определяет необходимое эталонное значение идентификационного параметра МР0 и задает погрешность сравнения для компаратора, позволяет классифицировать заявляемый генератор как интеллектуальное средство измерения.
2. Сравнительные исследования
В соответствие со структурной схемой (рис. 1) был разработан виртуальный прибор (рис. 2, 3), с помощью которого проведены сравнительные исследования характеристик двух генераторов - без и с коррекцией нелинейных искажений.
Данный ВП содержит стандартный генератор Lab VIEW (Signal Generator by Duration), предлагаемый генератор (GenCorr.vi) с коррекцией нелинейных искажений, два IdP-тестера iVF-типа, предназначенные для измерения формы выходных сигналов этих генераторов. Указанные инструменты помещены в общий цикл типа While-Loop, с помощью которого формируется частотная характеристика (ЧХ) генераторов. В идеальном случае ЧХ должна представлять собой прямую линию, идущую параллельно оси абсцисс (частот) в диапазоне от 0 до частоты, равной половине частоты дискретизации.
BISK
Рис.2. Виртуальный прибор для сравнительной оценки уровня нелинейных искажений генераторов периодических сигналов без и с коррекцией формы
1ч I,™ «...ь*. I-™
. и*: _ i—
шшшм
Рис. 3. Форма частотной характеристики откорректированного генератора
На дисплее панели управления (рис. 2) показана ЧХ генератора без коррекции нелинейных искажений. При этом отчетливо видны вариации ЧХ в виде бросков показаний /аР-тестера. Эти вариации измеряются и сравниваются с показаниями ЧХ генератора с коррекцией в виде отношения среднеквадратических погрешностей (индикатор Numeric) и в виде отношения максимальных погрешностей (индикатор Numeric-2). Если указанные отношения превышают
1, то можно считать коррекцию эффективной. Результаты измерения эффективности коррекции представлены в табл.1.
Из данных табл. 1 следует, что по всей совокупности форм сигналов, погрешности откорректированного генератора от 5 до 100 раз меньше, чем у прототипа. Это подтверждается и визуально
84
Вестник ЮУрГУ, № 3, 2009
Система автоматического регулирования формы сигнала
видом ЧХ (рис. 3) откорректированного генератора. На рис. 4-6 приведены программные коды, соответствующие различным системам.
15Д5йИШеіІІЕЗиаЕив:
наш
Рис. 4. Программный код ^VF-тестера, измеряющего форму сигналов
Заключение
Таким образом, поскольку эффективность предлагаемого способа коррекции нелинейных искажений достаточно высока, его можно рекомендовать к применению, по крайней мере, в модельных генераторах периодических сигналов среды Lab VIEW.
В библиотеку инструментов системы автоматического регулирования формы временной реализации сигналов синусоидальной (sin), треугольной (tri), прямоугольной (squ) и пилообразной (saw) формы входят виртуальные подприборы, перечисленные в табл. 2.
Описанный подход может быть использован также для коррекции формы распределения вероятностей генераторов случайных сигналов.
Литература
/. Измерения в электронике: справочник / Под ред. В. А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987.-511 с.
2.Кликушин, Ю. Н. Методы и средства идентификационных измерений сигналов: монография / Ю. Н. Кликушин, К. Т. Кошеков. - Петропавловск: СКГУ им. М. Козыбаева, 2007. -186 с.
3. Кликушин, Ю. Н. Классификационные шкалы для распределений вероятности / Ю. Н. Кликушин //Журнал Радиоэлектроники ИРЭ РАН. - 2000. -№ 11.
Поступила в редакцию 20 марта 2008 г.
... лГ
Рис. 5. Программный код (ЫР-сотгесСу1) БД и компаратора системы автоматического регулирования формы сигналов генератора
Рис. б. Программный код (вепСогг.щ) генератора периодических сигналов с коррекцией нелинейных искажений
Результаты измерения эффективности коррекции
Таблица 1
№ Вид сигнала Эффективность коррекции
По среднему квадрату По максимальному отклонению
N= 1000 N= 10000 JV = 1000 N= 10000
1 Sin 133 106 474 106
2 Cos 120 116 453 376
3 Tri 6 5 17 17
4 Squ 60 83 104 96
5 Saw 8 7 22 25
Таблица 2
Виртуальные подприборы
№ Наименование ВП Назначение Структура программного кода
1 Signal Generator by Duration Генерация сигналов без коррекции нелинейных искажений Стандартная библиотека Lab VIEW
2 NF-tester Измерение формы сигналов Предлагаемая библиотека (рис. 4)
3 NF-correct.vi Внутренняя БД и идентификационный компаратор системы автоматического регулирования формы сигналов Предлагаемая библиотека (рис. 5)
4 GenCorr.vi Генерация сигналов с коррекцией нелинейных искажений Предлагаемая библиотека (рис. 6)
Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», выпуск 9
85