Частотные преобразования

Помехозащищенность

Одно из направлений развития аналого-цифровой измеритель­ной техники связано с -повышением точности и уменьшением уров­ня преобразуемых аналоговых величин. При построении высоко­точных и высокочувствительных измерительных приборов возникает необходимость в решении вопросов защиты последних от влияния различного рода шумов и помех, которые появляются из-за разно­сти потенциалов точек заземления датчика и измерительного прибо­ра, электростатических и электромагнитных наводок.

Если общий уровень наложенных на измеряемую величину по­мех становится больше минимального приращения компенсирующей величины, чувствительность, разрешающая способность и точность прибора начинают ухудшаться.

(Повышение помехозащищенности аналого-цифрового преобразо­вателя осуществляется повышением отношения величины единицы младшего разряда к уровню помехи (шума) на его входе или выделением полезного сигнала из шума путем обработки результа­тов измерений смеси сигнала и помехи.

В первом случае защита устройства от помех производится ана - лаговой фильтрацией, экранированием, скруткой проводов, гальва­нической развязкой цепей датчика и измерительного прибора, раз­личными видами компенсации помех (например, с помощью мосто­вых цепей).

Неизбежность применения фильтра диктуется, кроме борьбы с помехами, еще и необходимостью устранения гармоник входного сигнала при переменной величине последнего, имеющих частоту вы­ше предельной расчетной, допускаемой выбранной частотой дискре­тизации. Обеим указанным целям удовлетворяют активные фильтры как имеющие хорошую крутизну среза (50—60 дб/октаву), так и обладающие малой инерционностью.

Вопросы, связанные с расчетом и конструированием активных фильтров, выходят за рамки данной книги.

Использование 'пассивных аналоговых фильтров на входе изме­рительного. преобразователя нежелательно, ибо R-, С-элементы фильтра увеличивают постоянную времени измерительной цепи и вносимая ими инерционность уменьшает максимальную скорость из­мерения. Особенно это неприемлемо в системах автоматического контроля, где происходит быстрое переключение от одной контроль­ной точки к другой.

i?-, lL-, С-фильтры изменяют 'полную величину преобразуемого напряжения. іНапример, при переключении измерительного входа пре­образователя от точки с высоким потенциалом к точке С НИЗКИ'М из-за того, что накопительные элементы фильтра не успели разря­диться, часть напряжения передается в новую контролируемую точку, что может привести к погрешностям и даже к выходу из строя элементов контролируемой цепи. Поэтому обычно между дву­мя замерами вход прибора заземляют.

Другим путем повышения помехозащищенности является выде­ление полезного сигнала из шумов путем статистической и нестати­стической обработки результатов измерения смеси сигнала и помехи.

Этот путь связан с изменением структуры самого аналого-циф­рового преобразователя. За счет введения избыточности появляется возможность значительно повысить помехозащищенность прибора.

'Известны несколько способов повышения помехозащищенности аналого-цифровых преобразователей введением избыточности в структуру аналого-цифрового преобразователя. В [Л. 18, 19] опи­сан двухканальный аналого-цифровой преобразователь поразрядного взвешивания, в котором используемый способ взвешивания позво­ляет компенсационным напряжениям многократно проходить зоны возможных значений измеряемой величины, вследствие чего значи­тельно уменьшается влияние на результаты измерения импульсных помех (на каждом такте сравнения допустима помеха, равная поло­вине соответствующей ступени); переходных процессов '(тактовая частота определяется длительностью переходных процессов млад­шей ступени), сбоев в работе. Однако количество оборудования увеличивается почти в два раза, что является недостатком этого устройства.

Известен и другой способ повышения помехозащищенности ана­лого-цифрового преобразования путем включения на выходе пре­образователя поразрядного взвешивания устройства обработки ре­зультатов измерения [Л. 20], состоящего из реверсивного счетчика- делителя, соединенного через логические схемы с триггерами памяти преобразователя, счетчика заданного числа измерений, задающего время обработки и управляющего выдачей результата обработки, и устройства синхронизации, запускающего счетчик заданного числа измерений.

Благодаря введению устройства обработки аналого-цифровой преобразователь позволяет измерять ^постоянные напряжения на фо­не периодических помех, содержащих нечетные гармоники со слу­чайными амплитудами и фазами и достаточно малой скоростью из­менения их частоты.

Если на входе преобразователя поступает сигнал т

U&X = Ux - f- ^ ^Лі. макс s^n ~Ь ^Рл)> п=1

где Ux— полезное напряжение; £/п. макс, фп — амплитуда и началь­ная фаза. помехи; п — номер гармоники (нечетной), то при сумми­ровании двух групп, івзятьіх через равные промежутки времени 2N мгновенных значений периодического сигнала, причем так, что одна группа N мгновенных значений смещена на полпериода основной гармоники сигнала помехи по отношению к другой группе из N мгновенных значений, в результате получается нуль.

Для произвольной гармоники N N

^ l/п. макс sln (nvtt + Чи) + ^ l/ц. макс sln (ncof, + <j>„) = 0;

v=0

при V = і.

В устройстве обработки результатов преобразования произво­дится подобное суммирование входного сигнала и деление получен­ной суммы на 2JV, в результате чего получается цифровое значение UXy не зависящее от частоты со, амплитуды Uu. макс и фазы фп гармоник.

Случайная погрешность после обработки уменьшается приблизительно

B аналого-цифровых преобразователях с частотным и время - импульсньгм кодированием возможность использования статистиче­ской обработки затруднена или исключена в силу того, что за вре­мя, в течение которого сигнал можно считать неизменным, должен быть обеспечен достаточный объем выборки, тогда как эти преоб­разователи наименее быстродействующие из всех типов.

В то же время в /преобразователях с частотным и время-им - пульсньгм кодированием очень просто выполняется усреднение, по­скольку оно может заключаться в простом накоплении импульсов в счетчике интегратора.

Эффективность подавления помехи в преобразователе аналоговой величины в частотный сигнал зависит от соотношения частоты по­мехи и времени измерения. Полное подавление помехи будет про­исходить при времени измерения, кратном периоду помехи.

'Механизм усреднения преобразователем помехи и шума заклю­чается в следующем. Частота выходного сигнала преобразователя аналоговой величины в частоту пропорциональна мгновенному зна­чению входного сигнала и наличие помехи, например вида ^n. MaKcsin(con^+<p), приводит к возникновению частотной модуля­ции выходного сигнала преобразователя. Подсчет числа выходных импульсов преобразователя счетчиком за время Гизм, равное пе­риоду помехи Тп, приводит к тому, что в конце измерения на счет­чике будет зафиксировано число, пропорциональное истинному из­меряемому напряжению, а амплитуда помехи в результате’усредне­ния равна нулю.

Наиболее опасной помехой из-за значительной ее величины яв­ляется помеха с частотой, питающей преобразователь сети. Выбором интервала измерения Гизм, равного Гизм=0,02т, можно полностью ослабить составляющие входного сигнала с частотой 50 гц и с выс­шими гармониками частоты сети.