Методы помехоустойчивого преобразования иммитанса в широком диапазоне частот и их реализация в универсальных виртуальных приборах

Методы преобразования иммитанса (комплексного сопротивления или проводимости) и средства их реализации находят широкое применение в различных областях науки и техники. Это связано с высокой информативностью иммитанса как комплексной величины, характеризующей свойства объектов различной физической природы.

Областями применения средств преобразования иммитанса (СПИ) в сфере науки являются физика [1, 2], электрохимия [3, 4], химия полимеров, микробиология [5, 6] и др. [7−9]. В медицине, например, эти методы применяются для целей диагностирования ряда заболеваний в области онкологии, стоматологии и пульманологии.

Среди основных областей применения СПИ в технике можно выделить такие отрасли промышленности как радиотехническая и электротехническая [10−11 и др.], а также производство радиокомпонентов и приборостроение. Применяются СПИ и во многих других областях производства, например, в пищевой и строительной промышленности для контроля качества продукции.

Еще одна сфера широкого применения методов преобразования иммитансапреобразование иммитанса датчиков различных физических (в том числе неэлектрических) величин в составе систем автоматического управления и контроля, а также технической диагностики. [10−14].

Первые СПИ появились в 1860-е гг. и строились они на основе мостовых цепей переменного тока, изобретенных и введенных в практику физического эксперимента Дж. К. Максвеллом, причем четырехплечая мостовая цепь постоянного тока, известная как мост Уитстона, была изобретена тремя десятилетиями ранее [15].

В течение нескольких десятилетий после появления первых СПИ, и прежде всего, мостовых цепей, они находили применение, главным образом, в практике лабораторных исследований. По мере роста числа разновидностей этих цепей все острее стала ощущаться необходимость их теоретического осмысления. В результате в 1930—1940;е гг. наряду с разработкой новых типов мостовых цепей начал заметно возрастать объем исследований, посвященных вопросам их теории [15, 16].

В 1950;е гг. стали появляться первые цифровые мосты переменного тока сначала с ручным, а затем и с автоматическим уравновешиванием. Примерно тогда же начали приобретать популярность высокоточные (в то время ручные) трансформаторные мостовые цепи с тесной индуктивной связью плеч, изобретенные и внедренные в серийное производство английской фирмой «Wayne Kerr». Первый в мире цифровой автоматический мост переменного тока типа 2871 (с четырехплечей мостовой цепью), предназначенный лишь для емкостных объектов исследования и работавший на частоте 1кГц, был выпущен швейцарской фирмой «Tettex Instruments» в первой половине 1960;х гг. При высокой точности измерения прибор обладал весьма низким быстродействием.

Первые цифровые автоматические мосты [17] были приборами, хотя и достаточно высокоточными, но медленно действующими и низкочастотными. Первый в СССР цифровой автоматический емкостный мост переменного тока Р570, разработанный в середине 1960;х гг. в ИЭД АН УССР и выпускавшийся киевским ПО «Точэлектроприбор», имел рабочую частоту 1кГц и время уравновешивания, хотя и меньшее, чем у моста типа 2871, но все же составлявшее 5.6 с.

Как правило, такие приборы работали на одной или нескольких фиксированных частотах, чаще всего на частотах 1 кГц или/и 120 Гц (в СССР — 50 Гц), и были ориентированы на потребности производства конденсаторов.

В 1970;е гг. появились высокочастотные приборы, работавшие на частоте 1 МГц и предназначенные для обслуживания радиодеталестроения, в основном, производства конденсаторов.

Дальнейший рост запросов потребителей СПИ привел к появлению в начале 1980;х гг. первых автоматических приборов, в частности, японского филиала американской фирмы «Hewlett-Packard», работавших в звуковом и ультразвуковом диапазонах с дискретным набором частот [18]. Несколько ранее появились ручные мосты, работавшие в непрерывном звуковом диапазоне частот, среди которых был и мост Р571, созданный на киевском ПО «Точэлектроприбор» .

В дальнейшем на передний план стали выступать проблемы расширения диапазона и увеличения числа рабочих частот, а также расширения функциональных возможностей СПИ, чего требовала практика применения разработанных приборов.

Первым в мире универсальным цифровым автоматическим мостом переменного тока стал мост типа 1683 американской фирмы «General Radio» [19] с временем измерения до 0,5 с, выпущенный в 1970 г. Примерно через год был выпущен на ПО «Точэлектроприбор» разработанный в ИПУ РАН первый в СССР универсальный цифровой автоматический мост Р5010 с временем уравновешивания не более 150 мс и с более широкими функциональными возможностями. В этом мосте впервые были применены бесконтактные токопереключающие ключи. Несколько лет спустя в ИПУ РАН был разработан совместно с СКВ киевского ПО «Точэлектроприбор» первый в мире многофункциональный цифровой автоматический мост Р5058, работавший на трех частотах (50 Гц, 1 кГц и 10 кГц) и имевший наивысшее быстродействие (реальное время уравновешивания на частоте 10 кГц не превышало 30 мс).

Бурный рост технологий интегральных микросхем, начавшийся в конце 1960;х гг., стимулировал дальнейшее развитие методов и средств преобразования иммитанса. Начиная с 1970;х гг. разработчики СПИ стали строить их на основе аналоговых и цифровых интегральных микросхем, а также с использованием микропроцессоров. Это существенно упростило реализацию большинства технических решений. В результате улучшились технические характеристики применяемых в приборах узлов, а вместе с ними и приборов в целом.

Развитие элементной базы позволило разработчикам помимо совершенствования известных типов приборов создавать новые на основе не востребованных ранее методов преобразования иммитанса. Так появились и утвердились на мировом рынке СПИ с неуравновешиваемыми цепями преобразования иммитанса на базе операционных усилителей. В этот же период сформировался и новый подкласс СПИ — анализаторы иммитанса.

В самое последнее время исследователи, с одной стороны, отвечая на запросы массового потребителя, а с другой, учитывая широкое распространение и огромные потенциальные возможности персональных компьютеров (ПК) в осуществлении цифровой обработки измерительной информации, начали разработки в области создания компьютеризированных, или точнее, компьютеросопряженных, так называемых виртуальных СПИ. Ведущая роль здесь принадлежит инициатору этих исследований ИПУ РАН [20−29].

Подводя итог историческому аспекту развития методов и средств преобразования иммитанса, отметим, что над решением многочисленных и сложных проблем построения в этой области исследователи работают уже более столетия. За это время решен ряд важных задач в области теории и синтеза цепей преобразования иммитанса, включая организацию процедур их уравновешивания. Предложен ряд принципов построения СПИ [30−37], найдено множество эффективных технических решений, связанных с их реализацией, что позволило достигнуть высоких метрологических и динамических характеристик СПИ.

Наиболее известны своими достижениями в области построения СПИ научные школы В. Ю. Кнеллера (г. Москва), Ф. Б. Гриневича (г. Киев), A.M. Мелик-Шахназарова и Т. А. Алиева (г. Баку), Г. А. Штамбергера, Б. И. Швецкого (г. Львов, г. Ивано-Франковск), В. М. Шляндина (г. Пенза). Большой вклад в теорию помехоустойчивых преобразований сигналов внесли И. М. Вишенчук, B.C. Гутников, Э. К. Шахов, В. Д. Михотин, Б. В. Чувыкин и др.

Говоря о современных СПИ в целом, включая работающие в диапазоне СВЧ анализаторы цепей, следует сказать, что их общий уровень весьма высок [38−41]. Их наивысшие показатели — класс точности 0,01.0,02, разрешающая способность по измеряемым параметрам и частоте соответственно 105.106 и 10−6.10~7, рабочий диапазон частот от единиц микрогерц до единиц гигагерц — убедительно говорят об этом.

Однако наивысшими данными по указанным показателям обладают лишь отдельные приборы. По совокупности же показателей каждый из них выглядит существенно скромнее. При этом сложность и дороговизна таких приборов (некоторые из них стоят многие десятки тысяч долларов) делают их практически недоступными широкому кругу исследователей, особенно в случае поисковых исследований, когда еще только выясняются возможности изучения объекта на основе исследования его иммитанса и выясняется его модель.

Оценивая возможности современных СПИ, отметим, что большинство из доступных приборов обладают недостаточно широким частотным диапазоном. Как правило, ведущие фирмы перекрывают широкий частотный диапазон с помощью нескольких приборов (как минимум, двух), что доставляет пользователю серьезные неудобства. Поэтому весьма актуальна задача создания недорогих универсальных приборов с широким диапазоном частот (порядка 104.107Гц).

Кроме того, современные серийно выпускаемые СПИ отличаются достаточно высоким уровнем тестового сигнала, обычно не менее десятков вольт, в то время как в ряде научных исследований требуется проведение исследований при сверхнизком уровне тестового сигнала, составляющем сотни микровольт и менее. Так, анализ реальных условий функционирования СПИ, например, при выполнении экспериментов с нелинейными объектами, в частности, с живыми тканями, свидетельствует о необходимости их функционирования в условиях крайне малого отношения сигнала/помеха, достигающего значений 10—3 и менее. Здесь на передний план выступает проблема подавления помех, и прежде всего, сетевой помехи, которая в зависимости от характера объекта исследования, его физической природы и условий эксперимента может существенно (на несколько порядков) превышать уровень полезного сигнала.

Не менее важной (особенно с точки зрения повышения быстродействия СПИ в области инфранизких частот) является проблема подавления экспоненциальных переходных процессов, неизбежно возникающих в цепях преобразования иммитанса при подключении объекта исследования к цепи преобразования, при переключении частоты тестового сигнала, а также при изменении постоянного напряжения (тока) смещения. В последнем случае уровень экспоненциальной помехи также может существенно превышать уровень полезного сигнала.

Для решения указанных проблем лучше всего подходят виртуальные приборы, состоящие из недорогого преобразователя, сопрягаемого с ПК, и специализированного программного обеспечения. Такой подход к построению.

СПИ позволяет создавать простые в реализации виртуальные СПИ (ВСПИ), имеющие технические характеристики на уровне лучших автономных приборов и обладающие при этом существенно большими возможностями в плане обработки, отображения и хранения информации, а также автоматизации процессов преобразования иммитанса, что одинаково важно как в области научного эксперимента, так и в промышленности.

Создание ВСПИ (работы в этом направлении ведутся в ИПУ РАН под общим руководством В. Ю. Кнеллера с участием автора больше двух десятилетий [24−28]) представляет собой концептуально иную задачу, нежели разработка автономных СПИ, и требует особого подхода к их построению, а также решения ряда научных задач. Виртуальные СПИ по сравнению с автономными приборами открывают новые возможности для эффективного решения многих задач, однако эти возможности необходимо также оптимально реализовать, т. е. решить ряд задач, связанных с технической реализацией важнейших узлов преобразователя.

Нужно отметить еще один фактор, стимулирующий исследования в этой области, и связанный с многообразием и сложностью объектов исследования, их многомерностью, разнообразием их схем замещения, преобразуемых величин и их соотношений, а также с многообразием условий эксперимента. Практика показывает, что решить большое число разнообразных задач небольшим числом типов серийных приборов не удается, так что разработчику приходится находить компромисс между желанием охватить возможно большее число задач и необходимостью обеспечить условия для их решения.

Таким образом, можно выделить класс приборов для решения типовых задач: проблемно-ориентированные — для решения задач преобразования иммитанса при контроле или исследовании конкретного класса объектов (например, полупроводниковых материалов, процессов, связанных с ростом микроорганизмов, электрохимических процессов), а также функционально-ориентированные — для преобразования определенного набора параметров комплексных величин без указания объектов исследования. Функционально-ориентированные приборы также имеют некоторую специализацию, хотя и не декларированную четко. Например, большая группа таких приборов ориентирована на измерение параметров электрои радиоэлементов (измерители/преобразователи RLC), другая — на преобразование параметров, характеризующих качество различных электронных устройств и блоков, в том числе нелинейных (измерители/анализаторы параметров цепей). В результате ситуация такова, что для решения многих научных и производственных задач преобразования параметров объектов на переменном токе просто не существует подходящих серийных приборов. И здесь виртуальные приборы открывают широкие перспективы, поскольку для них адаптация к новым задачам или к изменению условий функционирования связана не столько с реализацией аппаратной части, сколько с доступным и для пользователя изменением программ.

С учетом всего этого ВСПИ должны обладать следующими свойствами:

— изменяемыми в широких пределах функциональными возможностями, позволяющими адаптироваться к особенностям преобразования параметров исследуемого объекта: изменять частоту и уровень тестового сигнала, значение тока и/или напряжения смещения, варьировать алгоритмы отбора и обработки измерительной информации в целях оптимального обеспечения подавления различного рода помех, достижения требуемой точности и быстродействия;

— широкими возможностями обработки, хранения и представления измерительной информациидопускать использование существующих универсальных и специализированных программных продуктов для расчетов и моделирования;

— невысокой стоимостью приобретаемых приборов (на порядок ниже нежели у соответствующих автономных приборов), особенно важной при предварительной оценке гипотезы, когда отсутствует полная уверенность в том, что направление исследования выбрано верно;

— высокой технологичностью при серийном изготовлении, в том числе и на малых производствах, при персонале с невысокой инженерно-технической квалификацией.

Подводя итог вышеизложенному, кратко остановимся на общей характеристике диссертационной работы, содержащей пять глав и заключение.

Целью работы являются разработка и исследование методов помехоустойчивого преобразования иммитанса в широком диапазоне частот и их оптимальная реализация в универсальных виртуальных приборах, используемых для научных и технических исследований, а также в составе систем технического контроля и управления.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить ряд задач, основными из которых являются:

— разработка методов преобразования и цифровой обработки сигналов, оптимальных для применения в универсальных широкополосных ВСПИ;

— разработка методов подавления переходных процессов и помех в процессе фазочувствительного преобразования;

— разработка ряда виртуальных ВСПИ, отличающихся от существующих приборов изменяемыми в широких пределах функциональными возможностями, позволяющими адаптироваться к особенностям исследуемого объекта, а также невысокой стоимостью и технологичностью при серийном производстве.

В работе в процессе исследований применялись методы функционального и спектрального анализа, методы теории электрических цепей, методы теории цифровых фильтров.

Научная новизна работы заключается в:

— разработанной концепции построения универсальных широкополосных СПИ, и прежде всего ВСПИ, на основе помехоустойчивого фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока;

— предложенном методе фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока, основанном на представлении их в виде массивов интегральных дискрет и допускающем гибкую адаптацию функции преобразования СПИ (ВСПИ) к частоте тестового сигнала и характеру помех при минимальных аппаратурных затратах на его реализацию;

— разработанных методах повышения эффективности подавления сетевой помехи в процессе фазочувствительного преобразования, позволяющих осуществлять преобразование иммитанса при малом значении отношения сигнал/помеха в широком диапазоне частот тестового сигнала;

— методе синтеза фазочувствительных преобразований, обеспечивающих подавление экспоненциальных помех, а также помех, представимых полиномом конечной степени, в сочетании с другими избирательными свойствами.

Практическая ценность работы заключается в:

— разработанных принципах построения помехоустойчивых широкополосных ВСПИ с широкими функциональными возможностями;

— разработанных методах повышения помехоустойчивости широкополосных ВСПИ, сочетающих в себе простоту реализации и широкие адаптивные возможности;

— создании и внедрении в научное производство недорогих универсальных широкополосных ВСПИ с характеристиками, соответствующими уровню лучших автономных приборов, а по ряду показателей превышающих его.

Достоверность полученных результатов подтверждается приведенными математическими доказательствами, экспериментальными исследованиями, результатами моделирования основных положений диссертационной работы программными средствами, а также результатами их практической реализации в многочисленных конкретных приборах.

Основные положения, выносимые на защиту: концепция построения помехоустойчивых широкополосных многофункциональных виртуальных средств преобразования иммитанса;

— метод помехоустойчивого фазочувствительного преобразования сигналов на основе цифровой обработки интегральных дискрет в широком диапазоне частот тестового сигналаметоды подавления сетевой помехи, позволяющие осуществлять преобразование иммитанса при низком значении отношения сигнал/помеха в широком диапазоне частотметоды синтеза импульсных характеристик фазочувствительных преобразований, обеспечивающих подавление экпоненциальных помех, а также помех, представимых полиномом конечной степени;

Основные результаты.

1. Разработана структура широкополосного универсального помехоустойчивого ВСПИ, характеризующаяся многофункциональностью в сочетании с простотой реализации и малыми инструментальными погрешностями.

2. Предложены способы реализации основных узлов ВСПИ, оптимальные в смысле минимума аппаратурных затрат и инструментальных погрешностей.

3. Разработано универсальное программное обеспечение ВСПИ, позволяющее использовать их как в качестве функционально-ориентированных приборов с широкими функциональными возможностями, так и в качестве проблемно-ориентированных СПИ для решения специфических задач исследований.

4. Разработан и внедрен в практику научных исследований широкий ряд ВСПИ, представляющих собой конкретную практическую реализацию результатов решения поставленных в диссертационной работе задач.

Заключение

.

На основе проведенного анализа современного состояния теории и тенденций развития СПИ предложена концепция построения СПИ, ориентированная на создание нового подкласса СПИ — универсальных широкополосных помехоустойчивых ВСПИ. Выбран метод преобразования иммитанса, максимально отвечающий основным положениям предлагаемой концепции — метод косвенного преобразования иммитанса на основе избирательного ФЧП, обладающий универсальностью как в отношении характера ТС, так и характера ОИ, а также простотой технической реализации, учета и коррекции погрешностей основных узлов СПИ.

Выявлен класс наиболее эффективных в плане частотной избирательности и простоты аппаратурной реализации преобразований «вектор-скаляр» в широком диапазоне частот ТС — линейные ФЧП, реализующие скалярное произведение исследуемого и опорного сигналов.

Выявлены ограничения на форму опорных сигналов ФЧП, позволяющие уставить пределы манипулирования ею с целью обеспечения требуемых избирательных свойств ФЧП.

Предложен метод реализации ФЧП на основе интегральной дискретизации сигналов, в наибольшей степени отвечающий концепции построения широкополосных помехоустойчивых универсальных СПИ. Данный метод сочетает в себе широкие возможности классической дискретизации периодических сигналов с высокой помехозащищенностью каждого отсчета, позволяет весьма гибко и достаточно просто манипулировать формой опорного сигнала ФЧП и весьма прост в реализации.

Показано, что основным наиболее эффективным методом преобразования иммитанса в широком диапазоне частот является метод преобразования иммитанса при синусоидальном ТС, а эффективность метода преобразования иммитанса с полигармоническом ТС проявляется только в области инфранизких частот, когда существенный абсолютный выигрыш в быстродействии при определенных условиях оправдывает понижение точности преобразования.

Именно при реализации указанных наиболее эффективных методов преобразования иммитанса — при синусоидальном ТС во всем диапазоне частот и полигармоническом ТС в инфранизкочастотном диапазоне (режим повышенного быстродействия) — возможности метода реализации ФЧП на основе интегральной дискретизации сигналов раскрываются наиболее полно.

Показано, что наиболее эффективным методом подавления СП в СПИ является метод фильтрации исследуемого сигнала в процессе ФЧП, а оптимально организованная процедура ФЧП предполагает возможность гибкой вариации формы опорного сигнала и его длительности в зависимости от частоты ТС в широких пределах.

Предложено разбиение диапазона частот ТС на поддиапазоны в зависимости от сложности решения данной проблемы, и в каждом из них предложен оптимальный подход к реализации помехоустойчивого ФЧП.

Для наихудшего случая, когда отношение сигнал/помеха весьма мало, а гармоники ТС и гармоники СП занимают одну частотную полосу, предложен метод синтеза ИХ дискретизатора, обеспечивающего на этапе получения интегральных дискрет подавление СП до 80 дБ. При этом общее подавление СП в процессе ФЧП на основе интегральной дискретизации может составлять 120−140 дБ.

Анализ избирательных свойств подавления СП методом синхронизации циклов преобразования напряжением сети, позволил очертить сферы его эффективного применения, предложить модификацию этого метода, позволяющую существенно повысить подавление СП. Метод обладает важным достоинством: избирательный эффект здесь достигается за счет манипулирования формой ТС, и, следовательно, манипулирование формой опорного сигнала может быть использовано для достижения других избирательных эффектов.

Показано, что линейное ФЧП сигналов как средство подавления экспоненциальных помех более эффективно, чем метод определения составляющих синусоидального сигнала на фоне экспоненциальных или полиномиальных помех, основанный на решении системы уравнений, полученной в результате дискретизации исследуемого сигнала.

Введено понятие полинома влияния экспоненциального сигнала, характеризующего чувствительность ФЧП с решетчатыми опорными сигналами к экспоненциальным помехам и позволяющее повысить эффективность анализа избирательных свойств ФЧП, а также формализовать синтез опорных сигналов (ИХ) ФЧП с желаемыми свойствами.

Предложен метод синтеза решетчатых ИХ ФЧП, обеспечивающих высокое подавление экспоненциальных помех с действительными постоянными времени и проанализированы частотно-избирательные свойства полученных ФЧП. Проведен сравнительный анализ их основных избирательных свойств и избирательных свойств ФЧП на основе классических временных окон.

Предложен простой метод модификации синтезированных ИХ ФЧП с целью наделения их дополнительными избирательными свойствами.

Сформулирован критерий инвариантности ФЧП к помехам, представимым полиномом конечной степени, и предложены методы синтеза одноуровневых и многоуровневых решетчатых и кусочно-постоянных опорных сигналов ФЧП, обеспечивающих высокое подавление помех, представимых полиномом конечной степени.

Благодаря реализации разработанных методов в реальных СПИ создан ряд приборов — ВСПИ, обладающих, несмотря на простоту аппаратной части, техническими характеристиками на уровне лучших современных автономных анализаторов иммитанса.

В заключение кратко сформулируем основные результаты работы.

1. Разработана концепция построения универсальных широкополосных ВСПИ на основе помехоустойчивого фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока.

2. Предложен метод фазочувствительного преобразования сигналов переменного тока, основанный на представлении их в виде массивов интегральных дискрет, допускающий гибкую адаптацию заложенной в ВСПИ функции преобразования к частоте тестового сигнала и характеру помех при минимальных аппаратурных затратах на его реализацию.

3. Предложены методы повышения подавления сетевой помехи в процессе фазочувствительного преобразования, позволяющие осуществлять преобразование иммитанса при низком значении отношения сигнал/помеха в широком диапазоне частот.

4. Проведен анализ эффективности подавления сетевой помехи методом синхронизации циклов преобразования иммитанса напряжением сети, позволивший выявить пределы эффективного применения данного метода, а также усовершенствовать его.

5. Предложены способы подавления экпоненциальных помех в процессе фазочувствительного преобразования, позволившие существенно повысить быстродействие преобразователей иммитанса в области инфранизких частот.

6. Предложены способы реализации фазочувствительного преобразования, обеспечивающего высокое подавление помех, представимых полиномом конечной степени, позволившие существенно повысить быстродействие виртуальных преобразователей иммитанса в области инфранизких частот.

7. Разработаны и исследованы широкополосные перестраиваемые цепи преобразования иммитанса в активные величины и простой фазочувствительный АЦП, обеспечивающие адаптацию алгоритма преобразования иммитанса к особенностям объекта исследования.

8. На основе проведенных исследований разработан ряд виртуальных средств преобразования иммитанса, предназначенных для научных исследований и функционирования в составе систем управления и промышленного контроля.