CC BY
34
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.372
В.М. Борисов
инженер, Национальный лесотехнический университет Украины
И.Р. Кенс
канд. тех. наук, доцент, Национальный лесотехнический университет Украины
В.М. Ялечко
аспирант, Национальный лесотехнический университет Украины
ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДРЕВЕСИНЫ ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИМ ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ
Аннотация. В статье рассмотрена модель динамических искажений импульсного сигнала в канале звуковой карты компьютера. Использование модели позволяет расширить возможности применения ПК и других технических средств, имеющих существенные ограничения частотной характеристики снизу, и обеспечивает возможность контролировать состояние канала распространения сигнала в ходе эксперимента.
Ключевые слова: импульсный сигнал, канал распространения, динамические искажения, фильтр высоких частот.
V.M. Borisov, The National Forestry and Wood-Technology University of Ukraine
I.R. Kens, The National Forestry and Wood-Technology University of Ukraine
V.M. Yalechko, The National Forestry and Wood-Technology University of Ukraine
DYNAMIC DISTORTION OF SIGNALS IN INVESTIGATION OF WOOD DIELCOMETRIC PULSE
Abstract. In this paper we consider a model of dynamic distortion of the pulse signal in the sound card of the PC. Using the model allows more flexibility in applications the PC and other hardware with significant limiting the frequency response below, and provides the ability to monitor the state of the channel signal propagation during the experiment.
Keywords: pulse signal, the channel of distribution, dynamic distortion, high-pass filter.
Значительная часть первичной информации в физических экспериментах, обрабатываемой техническими средствами, имеет аналоговый характер. Ограниченность полосы пропускания является общей чертой каналов передачи аналоговых сигналов [1, 2], вызывающей искажения параметров испытательных сигналов. Поэтому изучение характера искажений является важной общетехнической задачей, успешное решение которой необходимо для наиболее интенсивного использования многих технических средств.
Различные аспекты передачи сигналов и изменения их параметров в канале распространения исследуются во многих областях знаний [1, 2, 3, 4, 5, 6]. В качестве испытательных в технике используются монохроматические, узкополосные и широкополосные сигналы. Импульсные прямоугольные сигналы относятся к последнему виду
METHOD
и отличаются простотой формы и способов получения.
В данной статье поставлена задача разработки модели динамических искажений импульсного сигнала, возникающих при диэлькометрических исследованиях свойств древесины и других диэлектриков, в канале звуковой карты (ЗК) компьютера. Описанный способ использования модели позволяет осуществить компенсацию искажений канала и восстановление формы сигнала.
Для исследования реакции любой системы необходимы генератор испытательного сигнала и средства анализа отклика системы. Программно удобно задавать тестовый сигнал в цифровой форме, для тестирования объекта исследования использовать аналоговый сигнал, а обработку результатов выполнять численными методами. При этом, переход от цифровой к аналоговой форме сигнала и обратно требует целого ряда усилителей, фильтров, преобразователей, тактовых генераторов, объединенных в единое функционально полное устройство [3]. Использование для этой цели набора отдельных специализированных приборов связано не только с накоплением аппаратных средств и финансовыми затратами, но требует согласования и синхронизации работы отдельных узлов, правильного выбора параметров для каждого испытания.
В состав звуковой карты компьютера входят высококачественные узлы ввода и вывода аналоговых сигналов: усилители, ЦАП, АЦП, ГТЧ ... [6], организовано удобное автоматизированное управление ими. Но возможности этих узлов не используются в полной мере из-за динамических искажений, вызванных ограничениями полосы пропускания канала и отсутствия метрологического обеспечения этого модуля ПК. В то же время широкое использование специализированных метрологических модулей ПК ограничивается их значительной стоимостью.
Комплексное использование возможностей ПК для поиска функциональных зависимостей между параметрами объекта, оценки степени коррелированности процессов проходящих в нём, выявления новых, а так же исследования особенностей известных явлений даёт неоспоримые преимущества в удобстве работы, широком выборе средств обработки результатов, автоматизации эксперимента. С точки зрения метрологии такие исследования можно отнести к первому этапу измерения - сбору априорной информации. Полученные данные будут полезны для разработки методики получения достоверной метрологической оценки при помощи специальных средств измерения. Для получения числовых оценок ЗК возможно также откалибровать и при необходимости аттестовать в качестве средства измерения мгновенных значений напряжения в ограниченном частотном диапазоне.
Разработанный подход построения модели динамических искажений позволяет не только расширить возможности восстановления параметров импульсного сигнала, но и по характеру искажений контролировать состояние самого канала во время исследований. Модель динамических искажений импульсных сигналов в канале ввода-вывода позволяет использовать ПК как инструмент научных и технологических исследований материалов, в том числе древесины, а также систем управления.
В генерации испытательного сигнала, в приёме и обработке реакции объекта исследования принимают участие многие узлы ПК, изображенные на рисунке 1: память, генератор тактовых частот (ГТЧ), процессор, шина обмена данными, интерфейс - с помощью которых выполняются числовые операции, а также узлы ЗК: ЦАП, АЦП,
усилители (Ус1 и Ус2), аналоговые фильтры (АФ1 и АФ2), выполняющие операции преобразования формы сигнала и аналоговой обработки. Кроме того, для оптимизации электрического согласования ПК с объектом исследования применяются внешние устройства: датчик, входной и выходной усилители.
Рисунок 1 - Структурная схема диэлькометрического исследования образца древесины с использованием узлов ПК
Ограничение полосы пропускания ЗК снизу происходит в фильтре высоких частот (ФВЧ), образованном разделительными КС-цепочками. Состоящие из электролитических конденсаторов и переменной величины сопротивления образца эти фильтры вследствие особенностей образующих элементов характеризуются нестабильными по температуре и во времени параметрами.
Частотные характеристики внешних устройств несложно выполнить с полосой пропускания более широкой, чем полоса пропускания ЗК, что позволяет пренебречь динамическими искажениями сигнала в этих узлах. Динамические искажения сигналов зависят от настроек фильтров, температуры элементов ЗК, от характера подключенной нагрузки и имеют тенденцию к дрейфу. Наличие непредсказуемых факторов динамических искажений в канале генерирования вызывает необходимость контроля формы тестового сигнала во время проведения исследования.
Для осуществления такого контроля напряжение выходного усилителя подаётся на один из стереовходов ЗК. Сигнал, прошедший на этот вход, называется в дальней-
шем контрольным. Тестовый сигнал проходит те же узлы, но использует второй стереовход ЗК, и в приведенной на рисунке 1 схеме дополнительно проходит через образец, датчик и усилитель входного сигнала. Разница между формой заданного и контрольного сигнала определяет динамические искажения в канале ЗК и может использоваться для контроля характеристик канала. А разница тестового сигнала и контрольного характеризует объект исследования.
Для исследования свойств древесины была использована одна из простейших форм тестового импульсного сигнала - меандр с частотой 80 Гц. Выбор сигнала обоснован отсутствием постоянной составляющей, которую не может передавать ЗК, широкой полосой спектра сигнала и простой формой проявления динамических искажений.
Генерирование тестового сигнала - меандра, с периодом 2Ы0 отсчётов происходит в виде цифровой последовательности:
ио (п) = Ао * (-1)[п/щ, (1)
где А0 - амплитуда меандра; п - номер отсчета; N - число отсчётов в полупериоде меандра, [п /Ы0] - обозначает целую часть п /Ы0.
На рис. 2. показаны формы сигналов: за-данного в цифровой форме и аналогового контрольного. На принятом сигнале видны искажения: низкочастотные - по склону вершины импульса, и высокочастотные искажения - в виде затухающих колебаний на фронтах и спадах импульсов.
Для каналов распространения сигналов с ровной в полосе пропускания характеристикой, такой как у ЗК, динамические искажения определяются частотами и крутизной среза сквозной полосы пропускания.
В проводимых диэлькометрических исследованиях наиболее энергетически существенные искажения в канале возникали в фильтрах высоких частот (ВЧ), образованных разделительными конденсаторами и ограничивающие полосу пропускания канала снизу. При нагрузке усилителя образцом древесины, имеющего активное (или активно- емкостное) сопротивление, эти фильтры имеют первый порядок, а его искажения выражаются в передаче вершины меандра экспоненциальной функцией.
После прохождения меандра через канал была получена иная последовательность, соответствующая контрольному сигналу Е(п), с измененной формой и с шумо-
Рисунок 2 - Формы сигналов: заданного и принятого в канале контроля
вой составляющей (рис. 2):
Е (п) = и(п) + иш(п), (2)
где и(п) -периодическая составляющая контрольного сигнала; иш(п) - значения аддитивной шумовой составляющей.
Чтобы выделить форму принятого контрольного сигнала из шумов реализация с Ык отсчетов были разбиты на К целых периодов с 2Ы0 отсчетов в каждом с учетом смещения начала первого периода п0:
К =
N - по
2Ыо
(3)
а значения контрольного сигнала Е(п) усреднялись по К периодам для каждого значения т с [1;2Ы0]:
У (т) =1 ¿Е (2^0 + т) = 1 ¿и(2Шо + т) +1 ¿иш (2кЫ0 + т). (4)
К к=1 К к=1 К к=1
В усреднённом сигнале У(т) составляющая и(п), систематически повторяющаяся с частотой тестового сигнала сохраняется, а случайные значения шумовой составляющей иш(п) (второе слагаемое) уменьшается с увеличением К
1 К
-Xиш(2кЫо + т) ^ 0; У(т) ^ ио(т). (4а)
К к=1
Для учета возможных нелинейных искажений форма сигнала на положительном и отрицательном полупериоде меандра усредняется суммированием:
1 2
где индекс / изменяется от 1 до Ы0.
Проведем аппроксимацию наклона вершины контрольного сигнала при помощи экспоненциальной кривой:
ие (/) = ле * е-1 /Ые, (6)
где Ае - амплитуда, а Ые - значение постоянной экспоненты.
Для частоты дискретизации 192 кГц и частоты тестового сигнала 80 Гц переходный колебательный процесс в использованном оборудовании занимал 51 отсчет, а при продолжительности полупериода 1200, индекс / в области монотонного спада импульса приобретал значения от 52 до 1149, а его длина составляла 1098 отсчетов.
Параметры аппроксимации Ае и Ые определяются из условия минимума среднеквадратичного отклонения аппроксимирующей кривой иэф от усредненных значений принятого контрольного сигнала Ууср(1):
Уср (/) ^ (У(/) - У(/ + N0)), (5)
1 1149
СТ^1098,5<У'»('')-Ае *е""е^(7)
В результате аппроксимации были получены значения амплитуды меандра и значение постоянной времени, которая характеризует искажения формы как контрольного, так и тестового сигнала в ЗК. Следует заметить, что хотя в формуле (7) используются значения индекса больше 51, в результате оптимизации определяется значение Ае, которое соответствует /=0; а значение Ые - не целое, а действительное. Вы-
бранная функция аппроксимации и способ определения ее параметров обеспечили в проведенных экспериментах значение коэффициента множественной детерминации спада вершины тестового импульса R2>0,99.
ЗК компьютера для обеспечения приема стереосигнала выполняют двухканаль-ными. Характеристики каналов имеют высокую степень идентичности, поэтому методы компенсации искажений контрольного канала должны быть эффективными и для тестового сигнала. Воспользовавшись моделью экспоненциального спада вершины импульса, можно восстановить форму каждого сигнала делением дискретных значений Е(п) на функцию аппроксимации иа(п) с единичной амплитудой при синхронизации фронта тестового сигнала с началом функции аппроксимации:
ив(п) = Е(п)/ие({(п)/N0}N0) = Е(п)/ e- i ^ , (8)
где ив (п) - восстановленная форма тестового сигнала {(^-п0 + п) / N0)} ^ - индекс функции аппроксимации синхронизированной по фронту тестового сигнала.
Полученная функция ив(п) передает амплитуду и фронт импульса, затухающие колебания переходного процесса, возникающие в фильтре низких частот, свойства шумовой составляющей, но имеет плоскую вершину характерную для меандра (рис. 3а). Для проверки адекватности модели искажений в фильтре высоких частот (ФВЧ) сквозного канала вместо образца подключались резисторы различных номиналов. Изменение номинала резистора влияло не только на значение тока, который воспринимался датчиком тока, но одновременно меняло постоянную времени ФВЧ и, соответственно, значения Ае и Ne модели искажений вершины импульса. При всех использованных значениях резистора в диапазоне от 0,47 до 15 МОм восстановления плоской вершины меандра происходило с точностью до уровня шума. Таким образом, известная форма заданного тестового сигнала, наличие канала контроля формы тестового сигнала, выбранная модель и способ компенсации искажений ФВЧ позволяют восстановить форму тестового сигнала в канале измерения.
Для быстрого и удобного определения параметров моделей была составлена программа в среде МДТЬДБ. Программа позволяет оценить параметры Ае и Ne, описывающие амплитуду меандра и постоянную времени экспоненты, а так же провести восстановление тестового сигнала для дальнейшего анализа. Высокая достоверность и точность восстановления опробована на практике в работе со сложными импульсными сигналами, включающими токи поляризации древесины и других диэлектриков.
Использование истокового повторителя во входном каскаде внешнего выходного усилителя Ус-вых позволяет сделать пренебрежимо малыми искажения меандра в цепи генерирования сигнала. Тогда появляется возможность сравнения восстановленного в ПК контрольного сигнала с сигналом Ус-вых зарегистрированного измерительным прибором. Совпадение с точностью до уровня шума показаний цифрового осциллографа 7БТ 302 [7] с отсчётами восстановленного сигнала ЗК, доказывают возможность применения ПК в качестве доступного технологического и метрологически достоверного средства контроля диэлектрических свойств материалов, а так же и при других исследованиях.
Список литературы:
1. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы: в 2-х частях. Ч. 1: Пер. с английского. М.: Мир, 1988. - 336 с., ISBN 5-03-000977-9
2. Полищук Е.С., Дорожовец М.М., Яцук В.А. и др.., Метрология и измерительная техника, Учебник под ред. проф. Е.С. Полищука. - Львов: "Бескид Бит", 2003. - 544 с., ISBN966-96071-8-3
3. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. Учебник для вузов. Изд.4-е, переработанное. М., «Энергия», 1975. - 752 с.
4. Желбаков И.Н., Кончаловский В.Ю., Солодов Ю.С. Метрология, стандартизация, сертификация: лекции. - Московский энергетический институт. - Москва. - 2004
5. Ермолаев В.Т., Масленников Р. А., Хоряев А. В. Применение пороговой техники для оценки импульсной характеристики канала связи, Радиофизика, Вестник Нижегородский университета им. Н.И. Лобачевского, 2004. № 1. С. 72-79
6. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М: Высш. школа, 1973. - 752 с.
7. Цифровой осциллограф ZET 302. Паспорт. Инструкция по эксплуатации. ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы». Зеленоград, 2010.
List of references:
1. Sibert U.M. Circuits, Signals and Systems. MIT Press, Cambridge, Massa chusetts, London, England, 1986 in two parts. Part 1: Russian translation: Moscov. - Mir, 1988.
2. Polishhuk E.S., Dorozhovec M.M., Jacuk V.A. and others. Metrology and measurement technology, textbook, ed. prof. ES Polishchuk., Lvov, "Beskids Beat", 2003. 544 p.
3. Zeveke G.V., lonkin P.A., Netushil A.V., Strahov S.V. Basic circuit theory. Textbook for high schools. Izd.4edition, revised. M., "Energy", 1975. 752 p.
4. Zhelbakov I.N., Konchalovskij V.Ju., Solodov Ju.S. Metrology, standardization, certification lectures. Moscow Energy Institute. Moscow. 2004
5. Ermolaev V.T., Maslennikov R.A., Horjaev A.V. The use of technology is horny for estimating the impulse response of the communication channel, Radiophysics, Nizhny Novgorod University Bulletin. NI Lobachevsky, 2004, № 1, p. 72-79
6. Bessonov L.A. Theory of Electrical Engineering, M, High. School, 1973. 752 p.
7. Digital Oscilloscope ZET 302. Passport. User manual. CJSC "Digital technology and metrology systems", Zelenograd, 2010.
