Общая структура измерительного тракта (канала). Виды сигналов.
Полезный сигнал, шумы и помехи. Ошибки квантования. Алиасинг. Отношение сигнал/шум.
Полезный сигнал - Сигнал, охватывающий требуемый частотный спектр и используемый для связи в проводниках.
Полезный регистрируемый сигнал представляет собой пространственно-временной объект, характеризующийся интервалом времени записи и формой тока, а также расположением приемных и питающих электродов.
Под помехой понимается комбинация искажений и шумов.
Задачей обработки является подавление помех, выделение полезной составляющей и устойчивое получение информативных характеристик сигнала. Для эффективной борьбы с помехами необходимо обладать сведениями об их природе и их свойствах. Помехи можно разделить на:
- методические помехи
- помехи сторонних источников
- аппаратурные помехи.
Аппаратурные помехи можно, в свою очередь, разделить на:
- помехи, вызванные генераторным устройством
- измерительным устройством
- генераторно-измерительным взаимодействием.
В электронике шум - случайное колебание в электрическом сигнале
Существуют 3 главных источника шума.
1. Тепловой шум является результатом конечного сопротивления материалы полупроводника. В любом отрезке проводника имеется определенный электрический шум из-за тепловых колебаний атомов.
2. Дробовой шум возникает всякий раз, когда носители тока пересекают барьер на p-n-переходе. Совокупный эффект от многих носителей дает случайные флуктуации тока. Мощность дробового тока прямо пропорциональна току.
|
|
|
3. Фликер -шум или 1/f – шум вызван случайными колебаниями процесса диффузии в транзисторе. Спектральная плопность мощности этого шума обратно пропорциональна частоте, так что энергия шума сосредоточена главным образом на низких частотах.
ошибка квантования — Ошибка, вызванная несоответствием формы выходного (квантованного) и входного(аналогового) сигналов. Зависит от величины шага квантования и частоты дискретизации. Ошибка квантования является случайной величиной, поэтому ее часто называют шумом квантования
В зависимости от типа аналого-цифрового преобразования могут возникать из-за округления (до определённого разряда) сигнала или усечения (отбрасывания младших разрядов) сигнала.
Ошибки квантования формируют нежелательный сигнал, выражающийся как широкодиапазонный шум, равномерно распределенный по всему спектру - от 0 Гц до половины частоты дискретизации, известной как частота Найквиста.
Алиасинг, наложение — в статистике, обработке сигналов и смежных дисциплинах эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации.
|
|
|
Алиасинг — одна из главных проблем при аналого-цифровом преобразовании видео- и аудиосигналов. Неправильная дискретизация аналогового сигнала приводит к тому, что высокочастотные его составляющие накладываются на низкочастотные, в результате чего восстановление сигнала во времени приводит к его искажениям. Для предотвращения этого эффекта частота дискретизации должна быть достаточно высокой и сигнал должен быть надлежащим образом отфильтрован перед оцифровкой.
Алиасинг в компьютерной графике — эффект «ступенчатости» изображения, против которого используются различные алгоритмы сглаживания.
Два разных синусоидальных сигнала, при оцифровке неотличимых: высокочастотный с частотой {\displaystyle f>f_{s}/2}(красный) и низкочастотный {\displaystyle f_{s}-f} (синий).
Отношение сигнал/шум (ОСШ; англ. signal - to - noise ratio, сокр. SNR) — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.
где P — средняя мощность, а A — среднеквадратичное значение амплитуды. Оба сигнала измеряются в полосе пропускания системы.
Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы.
|
|
|
{\displaystyle \mathrm {SNR(dB)} =10\log _{10}\left({P_{\mathrm {signal} } \over P_{\mathrm {noise} }}\right)=20\log _{10}\left({A_{\mathrm {signal} } \over A_{\mathrm {noise} }}\right)} 
32.Измерительный тракт и его параметры.
Общая структура измерительного тракта (канала). Виды сигналов.
Находится в блоке средств измерений.
Назначение: восприятие информации о состоянии объекта и внешней среды и преобразование этой информации в форму, удобную для передачи и последующей обработки. Следовательно, они должны содержать элементы восприятия и элементы преобразования.
ПП – первичный преобразователь.
ИП – измерительный преобразователь.
У – усилитель.
АФ – аналоговый фильтр.
Д – дискретизатор.
КВ – квантователь
Здесь надо нарисовать общую схему регистрации и преобразования сигнала, как мы делали для задач, но в целом эта пойдет
Характеристики измерительного тракта:
- входное напряжение (+, -, +/-)
- частотные характеристики (в каком диапазоне частот работает)
- какой сигнал регистрирует
- какие используются датчики
- динамический (?) диапазон (Дб) (отношение самой маленькой величины к самой большой, приблизительно 40-90)
- чувствительность (мВ)
Для начала необходимо на носитель нанести требования с помощью первичного преобразователя, т.е. сформировать сигнал. Например, термометр – носитель требования, сигнал – высота столбика. (Физические носители – напряжение, ток, и т.п.)
|
|
|
Далее необходимо измерить физический сигнал. Измерительный преобразователь сравнивает код с некоторой мерой (например, на входе напряжение, на выходе 0,1 мВольт). На выходе ИП естественный сигнал.
Далее сигнал необходимо усилить. Усилитель усиливает сигнал в заданном диапазоне. На выходе усилителя унифицированная величина, поэтому его называют унифицирующий усилитель или преобразователь (существуют ГОСТ, определяющий некоторые стандарты интервала измерений величины). Иногда он еще выполняет функциональное преобразование. Все усиления происходят с помощью усилителя постоянного тока или операционного усилителя.
Далее необходима фильтрация сигнала, которая выполняется аналоговым фильтром. Его основные функции:
1. очищение сигнала от помех;
В измерительных трактах используется ФНЧ. Они позволяют бороться с высокочастотными помехами, т.к. на высоких частотах K=0, а на низких K=1.
2. исключение эффекта наложения спектров.
Эффект возникает при дискретизации сигнала. Дискретизация по времени приводит к увеличению числа копий.
2w0 = 2П/Т – для того, чтобы избежать наложение спектров.
На практике, фильтр обрезает часть спектра, тем самым гарантируется, что частот > w0 не будет.
Сигнал– материальный носитель информации, т.е. это носитель с нанесенным на него информацией.
Его характеристики:
1. структурный параметр – это его временная или пространственная характеристика;
2. информационный – это параметр, отражающий различные значения сигнала.
3. Электронные генераторы гармонического сигнала.
Устройства, преобразующие с помощью усилительных приборов энергию источника питания в энергию электрических колебаний заданной формы и частоты, называются генераторами.
Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. Генератор преобразует энергию источника постоянного напряжения в энергию переменного выходного сигнала.
Различают два режима возбуждения генератора. При так называемом мягком режиме колебания (сигнал на выходе) возникают после подключения генератора к источнику питания самопроизвольно. Мягкий режим называют также режимом самовозбуждения. При жестком режиме для возникновения колебаний требуется внешний начальный сигнал.
Всегда стремятся получить мягкий режим самовозбуждения. Генераторы, как и избирательные усилители, выполняют с колебательными LC-контурами и частотно-зависимыми RC-цепями.
Электронные генераторы гармонических колебаний классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения.
В зависимости от частоты генераторы подразделяют на низко частотные (0,01—100 кГц), высокочастотные (0,1—100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше100 МГц).
По способу возбуждения различают генераторы с независимым внешним возбуждением и с самовозбуждением. Последний вид генераторов называют автогенераторами. Генераторы с независимым внешним возбуждением являются, по существу, усилителями мощности с соответствующим частотным диапазоном, на вход которых подаются электрические сигналы от автогенераторов. Электронные генераторы могут работать в любом из режимов А, В или С, но обычно в них используется режим С ввиду возможности получения наибольшего к. п. д.
Генераторы синусоидальных колебаний выполняют с колебательным LC-контуром и частотно-зависимыми RC-цепями. LC-генераторы предназначены для генерирования сигналов высокой частоты (свыше нескольких десятков килогерц), а RC-генераторы используются на низких частотах (вплоть до единиц герц).
Генераторы LC-типа основаны на использовании избирательных LC-усилителей, обладающих узкой полосой пропускания.
Схемная реализация LC-генераторов достаточно разнообразна. Они могут отличаться способами включения в усилитель колебательного LC-контура и создания положительной обратной связи.
Из RC-цепей наибольшее распространение получила схема моста Вина.
34.Генератор сигнала на транзисторах.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 146; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!