Многоканальный портативный анализатор сигналов



жүктеу 127.01 Kb.
Дата18.10.2018
өлшемі127.01 Kb.

Приборы для анализа и регистрации сигналов.

В.А.Кондрашев, А.В.Циберев, А.С.Чащин


Описанные в статье приборы разработаны и изготовлены по двум основным причинам. Первая заключается в том, что для выполнения некоторых исследовательских работ требуются измерительные средства, которых просто не существует на текущий момент. Вторая, что оборудование, которое в принципе можно заказать, подчас оказывалось настолько дорогим, что его приобретение не имело смысла. И не только потому, что не хватало средств, но и потому что на той же элементной базе можно сделать «под себя» изделие оптимально, то есть и дешевле, и попросту лучше для решаемой задачи. Положительным моментом является и то, что выбранные технические решения подошли не только нам, но нашли применение и у ряда заказчиков, поэтому представленные приборы выпущены уже малыми партиями и продолжают совершенствоваться с каждым сведущим образцом.
Многоканальный анализатор сигналов.

в

Варианты комплектации портативного анализатора. Слева двухканальный анализатор с 16-тью входами для датчиков, 2-мя микрофонными входами и входом акустического интенсиметра, справа 4-х канальный с 16-ью входами для датчиков и 4-мя микрофонными, входом интенсиметра и выходом программируемого генератора.


Переносной анализатор блочного типа разработан для решения измерительных и исследовательских задач на стендах, в экспедициях, полевых условиях. Размещается анализатор в кофре, в его состав входят: ноутбук, блок управления и анализа двухканальный (БУАН-2), усилитель заряда/напряжения многоканальный (УЗ-8), усилитель заряда дифференциальный (УЗ-8Д) – в выносном исполнении, блок ввода сигналов многоканальный (БВС – в конфигурации от 16 до 132 каналов), аккумуляторный блок (с обеспечением питания конденсаторных микрофонов). Состав и количество блоков в комплекте - по заказу. Внесен в Госреестр как средство измерений. Комплект является полномасштабным многоканальным анализатором сигналов с расширяемым набором функций анализа и цифровым многоканальным регистратором данных.

Ядро анализатора - блок БУАН-2 предназначен для измерения нормируемых виброшумовых характеристик, предварительной обработки сигналов и управления входными цепями (УЗ-8 или УЗ-8Д, дополнительным БУАН). Обеспечивает сбор информации, передачу данных на регистрацию в цифровом виде, предварительную фильтрацию сигналов, спектральный (третьоктавный и октавный анализ в реальном режиме времени), другие виды анализа сигналов по одному или двум каналам, в том числе синхронно, требующие реального режима работы с данными.




Вариант исполнения БУАН-2 с выходом программируемого генератора.

Усилитель заряда УЗ-8.

Технические характеристики БУАН.

1. Два линейных и два зарядовых входа (до 20кГц);

- цифровое управление внешними усилителями заряда УЗ-8;

- параллельный и последовательный порты для передачи данных и загрузки команд;

- выход генератора (опция);

- вход акустического интенсиметра (опция).

2. Запись оцифрованного сигнала (16 разрядов) с нормируемыми метрологическими характеристиками (ГОСТ 8.009, ГОСТ 22261 и ГОСТ 17168) синхронно по 2 каналам (или 4-м при дополнительном блоке БУАН) на винчестер.

3. Программно управляемые коэффициенты усиления: 0, 6, 12, и 20 дБ с погрешностью ±0,1 дБ.

4. Пределы допустимой основной погрешности на частоте 1000 Гц при нормальных условиях эксплуатации ±0,1дБ.

5. Суммарная неравномерность АЧХ по ГОСТ 8.256 в полосе частот от 0,7 до 18 000Гц относительно частоты 1000Гц не более ±0,3 дБ.

6. Пределы допускаемой дополнительной погрешности, обусловленные изменением температуры и влажности в рабочих условиях ±0,05 дБ.

7. Уровень собственного шума при усилении 20 дБ в 1/3 октавных полосах частот с центральными частотами в диапазонах от 0,8 до 1000 Гц и от 1000 Гц до 10 кГц не более 5 и 15 мкВ соответственно для линейных входов и не более 1,5 и 3,5 мкВ для микрофонных входов.

8. Величины высших гармоник не более 0,03% во всем рабочем диапазоне входных сигналов (до 80мВ для микрофонных входов и 0,8В для линейных входов).

9. Характеристики 1/1 и 1/3 октавных фильтров в частотном диапазоне от 0,7 до 12 000 Гц соответствуют требованиям 1 класса точности по ГОСТ 17168.

10. Габариты прибора «БУАН-2» – 90*150*35 при весе 450г.

11. Эксплуатация при температуре от –400 до +850.

Программа «Анализатор сигналов» работает в операционной системе Windows. Она оптимизирована под процессор не ниже Pentium и использует библиотеку SPL, распространяемую фирмой Intel. Программа содержит средства стандартного FFT-анализа широкополосных сигналов (временные, взаимно-спектральные, взаимно-корреляционные и кепстральные функции) и средства анализа с так называемой постоянной относительной шириной полосы (ПОШП). К последним относятся октавный, третьоктавный, 1/12-октавный и т.д. анализ.

Оператор, знакомый с двухканальными анализаторами фирмы Брюль и Къер 2032, 2034, 2148, освоит управление программой «Анализатор Сигналов» практически без ознакомления с инструкцией по эксплуатации.

Функционально программа представляет собой оболочку, реализующую функции анализа, дополнительной обработки, графического представления и сохранения сигналов. К оболочке могут быть подключены различные устройства, генерирующие сигналы: устройство «БУАН» для оперативного анализа сигналов, для обработки записанной временной реализации служит устройство «Анализ файла», устройство «Статистика Набора Спектров», выполняет статистическую обработку наборов третьоктавных/октавных спектров и построение таблиц и плоских или объемных графиков. В дальнейшем список подключаемых устройств будет расширяться. Перезагрузка параметров работы внешнего устройства осуществляется в большинстве случаев в динамическом режиме, что определяется возможностями внешнего устройства и разработанными драйверами.


Внешний вид панелей управления программных модулей «БУАН-2М» и «Анализ файла»


На рисунке представлено рабочее окно программы «Анализатор Сигналов». В четырех графических окнах представлены различные функции узкополосного анализа данных, записанных в файл. Видно «плавающее» окно устройства «Анализ файла».

Функциональные возможности анализатора.

1. Диалоговый режим и режим «мониторинга» - опрос каналов с определенными функциями обработки сигналов.

2.Фурье-преобразование и полный набор функций спектрально-кор реляционного анализа с возможностью введения функций пользователя.

3. Режим ZOOM с повышенным частотным разрешением (до 500 раз).

4. Октавный, 1/3октавный и эмуляция 1/12октавного режима.

5.Преобразование Гильберта и вычисление спектра огибающей.

6.Отображение вычисляемых функций и временного развития процессов в реальном времени по 2(4) каналам. Представление: модуля, фазы, реальных и мнимых частей сигнала, параметрических кривых Найквиста.

7.Проведение статобработки результатов.

8.Представление результатов с применением специальных шаблонов, «водопадных» частотно-зависимых функций, стыковка с Excel и Мicrosoft Office.

Программа «Анализатор сигналов» обладает открытой архитектурой. Это означает, что пользователь либо сторонний программист может разработать модуль внешнего устройства и необходимые ему дополнительные функции анализа, которые будут подгружены в меню функций.


Минимальная комплектация анализатора в сумке для переноски вместе с ноутбуком.


Аппаратно-программный комплекс анализатора совместно с пьезоэлектрическими вибропреобразователями, конденсаторным микрофоном и его предварительным усилителем, полностью обеспечивают проведение измерений вибраций в соответствии с МКШС-71Е, МКШС-80, МКИВС-80, МКСС-80, проведение измерений и контроль вибрации в соответствии с ГОСТ 12.4.012-90; 12.1.012-90, а также соответствующими санитарными нормами и другими документами, регламентирующими требования к вибрациям различных механизмов и машин, и воздушного шума в соответствии с ГОСТ 12.1.024; 12.1.026 и 12.1.028; санитарными нормами и другими документами регламентирующими требования к воздушному шуму.

Совместно с интенсиметрическим зондом полностью обеспечивает измерения интенсивности звука в соответствии с ГОСТ 30457-97.



Двухканальный анализатор сигналов.

Прибор АСД-98 для измерения вибраций и шума, ремонта и наладки р/электронной и виброакустической аппаратуры в полевых условиях, диагностических работ и научных исследований.


Режимы работы анализатора сигналов:

- спектральный анализ в полосе до 20 кГц (400 линий);

- режим запоминающего осциллографа;

- третьоктавный анализ (цифровые фильтры 1-го класса);

- полосовой фильтр с программируемой полосой пропускания;

- цифровой накопитель данных (опция - винчестер);

- динамическая балансировка;

- синхронное накопление сигналов;

- режим мониторинга, с отображением схемы оборудования и заложенной программой обхода контрольных точек с набором функций измерений;

- возможность управления от компьютера по последовательному порту.

Прибор имеет два зарядовых входа, два линейных входа, синхровход и аналоговый программируемый выход генератора. Управление осуществляется через экранное меню. Полный динамический диапазон – 120 дБ, разрядность АЦП – 16, графический ЖКэкран с подсветкой – 240*128 точек.

Исполнение прибора для диапазона температур от –200 до +450; автономность в течении 8 часов, масса – 1500г.

АСД-98 является прибором широкого профиля. Всего изготовлено пять анализаторов АСД-98 и несколько вариантов данного прибора. Два экземпляра эксплуатируются в ИПФ РАН в течении трех лет в морских экспедициях. Его внутреннее программное обеспечение может легко модифицироваться под конкретное приложение заказчика. В настоящее время в экземплярах ИПФ РАН реализован набор узкопрофильных алгоритмов, работающих в масштабе реального времени. Среди них:

- Сверхузкополосная фильтрация сигналов с шириной полосы пропускания до 10Гц в диапазоне до 20кГц, количество полос до 5, ослабление вне полосы пропускания не менее 140дБ;

- Формирование полигармонического сигнала (количество частот до 5) с отношением сигнал/шум не хуже 80 дБ;

- Алгоритм многочастотной системы звукоподводной связи;

- Алгоритм звукоподводной связи с ЧМ модуляцией кодированной М-последовательностями переменной длины;

- Алгоритм порядкового анализа.


Блок ввода сигналов.

Блок ввода сигналов многоканальный БВС64 (БВС132) принимает аналоговые сигналы нормирует, оцифровывает, фильтрует, осуществляет заданные межканальные функции (типа фазирования подключенной ко входу антенны). Управление осуществляется по последовательному, передача данных по параллельному порту. БВС132 имеет встраиваемый в блок винчестер для регистрации данных, так как параллельный порт уже не в состоянии передать весь поток данных. Перенос данных для дальнейшей обработки может осуществляться перестановкой винчестера в стандартный персональный компьютер.



Варианты исполнения блока ввода сигналов БВС: БВС64 и БВС132.



Цифровая плата БВС132, распаянная на 48 входных каналов.


На рисунке даны фотография вариантов блока ввода сигналов (для масштаба на заднем плане БВС132 лежит линейка). В блоке ввода находится аналоговая плата согласования и процессорная плата (на рис. показан внешний вид платы с тремя процессорами ADSP2189M для обслуживания 48 каналов).

Мультипроцессорная схема, примененная в блоке, позволяет обеспечить ввод по 132 каналам в реальном времени до 10кГц. Запись потока данных со скоростью до 12мБт/сек осуществляется непосредственно на винчестер по протоколу IDE с порта ведущего процессора. Сигнальные процессора выполняют предварительную обработку сигналов. В первую очередь, это цифровая фильтрация и гетеродинировании сигналов в режиме реального времени.

Блок выполнен на малопотребляющей элементной базе. Потребляемый блоком ток (без винчестера) не более 150мА при напряжении 5В.

Максимальная частота дискретизации входных сигналов при внутренней синхронизации (75МГц) - 73кГц; при внешней синхронизации (10МГц) – 39кГц. Минимальная частота задается программным делителем и неограничена снизу. Рабочую полосу частот задают цифровые фильтры, реализуемые сигнальными процессорами.

В блоке реализовано несколько вариантов предварительной обработки и записи сигналов: многочастотный узкополосный режим записи с программируемыми полосами, широкополосный режим записи и, в качестве дополнительного, режим генерации сигналов.

БВС64 используется в Морском Автономном Измерительном Комплексе (МАИК) преимущественно в режиме ШП записи – см. статью данного сборника. БВС64 обеспечивает работы с многоканальной измерительной схемой из вибродатчиков на модельных экспериментах, преимущественно в УП режиме с перестраиваемой полосой и выдачей опорного перестраиваемого сигнала на вибровозбудители – см. статью данного сборника. БВС132 явился основой экспериментальных работ с совокупностью двух 64-х элементных антенн по наблюдению за неоднородностями в мелком море в многополосном УП режиме с гетеродинным вводом и обеспечивает регистрацию сигналов с антенн в импульсных режимах локации в ШП режиме.

1.Многочастотный узкополосный режим.

Центральные частоты полос задаются с шагом равным - Fд/8196. Количество частотных полос определяется из условия максимальной производительности сигнальных процессоров блока и поэтому зависит от частоты дискретизации. При максимальной частоте дискретизации 73кГц можно назначить только одну частотную полосу с центральной частотой в пределах от 0 до 30кГц. Максимальное количество частотных полос равно 6 при частоте дискретизации менее 12кГц, при этом центральные частоты лежат в пределах от 0 до 5кГц.

Таким образом, при максимальной частоте дискретизации 73кГц единственная полоса пропускания составляет, соответственно, 763 и 191Гц. При частоте дискретизации 12кГц – 127 и 32Гц и возможна запись в шести независимых полосах шириной, соответственно, 25 и 6Гц.

Центральные частоты полос могут линейно перестраиваться в диапазоне частот от 0 до Fд/2 – режим ЛЧМ. Скорость перестройки и границы диапазона назначаются программно.

2. Широкополосный режим.

Ввод сигналов в широкой полосе ограничивается возможностью винчестера записывать поток данных и составляет примерно 9-10 МБт/с. Максимальная полоса входных сигналов при внутренней синхронизации – 12.2кГц; при внешней синхронизации – 6.5кГц при максимальном числе каналов. Минимальная полоса задается программным делителем частоты квантования и не ограничена снизу.

Регистрация данных осуществляется в открытом формате данных. Функционирование блока поддержано программным обеспечением для просмотра и предварительного анализа данных по отдельным каналам.

Программа Recorder обслуживает запись сигналов, в ней формируются параметры режима записи для загрузки в БВС и осуществляется контроль записи – отображение распределений амплитуд (или амплитуд и фаз в узкополосном режиме) по каналам.

Программа Rawplus обслуживает отображение записанных файлов.

Управление программой при отображении практически совпадает с управлением магнитофоном при воспроизведении. При этом отображаются, кроме реализации по выбранному каналу, спектр и распределение амплитуд по всем каналам.

3. Режим генератора.

Блок ввода в режиме генератора обеспечивает различные виды выходных одноканальных и многоканальных сигналов. В узкополосном режиме формируется многочастотный сигнал (пять частот), частоты которого равны центральным частотам полос входных гетеродинных фильтров.

При формировании многоканального выходного сигнала амплитуды и фазы каждой из пяти частотных составляющих по каждому каналу можно задавать программно. Генерируемые сигналы были использованы для возбуждения излучающих акустических антенн и управления их диаграммой направленности. На рисунке представлено меню программы Radiator для управления восьмиканальной линейной излучающей антенной.



Распределения амплитуд и фаз на пяти выбранных частотах для восьми элементов антенны можно задавать вручную или загружать из заранее подготовленного файла. В программу вводится скорость звука и расстояние между элементами и на меню для контроля выводится вид получаемой диаграммы направленности (на рисунке справа).

В режиме ЛЧМ частота одноканального генератора синхронно перестраивается с центральными частотами входных узкополосных фильтров. Этот режим используется для измерения АЧХ р/электронных устройств и ВАХ сложных механических систем, например, для возбуждения вибратора и как опорная частота для гетеродинного многоканального ввода сигналов с датчиков. В прогорамме Recorder предусмотрен режим отображения измеренных АЧХ (их отношений между каналами или ФЧХ).

В широкополосном режиме генератор формирует белый шум.

Для оперативного анализа многоканальных файлов с линейных антенн или любых других записей, для которых необходимо получить распределение амплитуд или фаз сразу по всем каналам, разработано специальное программное обеспечение. Программа Search и ее версии, представляет многоканальный сигнал в цвете или градациях серого и выполняет над ним операции FFT с возможностью выбора произвольных масок для фильтрации.




На рисунке показан файл из одного эксперимента – проходная характеристика тонального излучателя, двигавшегося вдоль 64-х лементной антенны, записанная в узкой полосе. Здесь даны четыре представления поля на апертуре антенны в координатах: «время - номер гидрофона (пространство)», «временная частота – пеленг антенны», «время – пеленг» и «временная частота – номер гидрофона». Справа и снизу от каждого графика – секущие трехмерных представлений, выбранные маркером. На рисунке видно также подменю стандартных операций программы: Фурье по времени и номеру канала, фильтрация по времени, нормировка распределения по апертуре, апертурное взвешивание, перестановка каналов, арифметические операции между несколькими файлами, корреляционные функции, выбор формы и типа маски, выбор масштаба и многие другие.

Разработаны сервисные программы (Sbor, RawView) для работы с многоканальными файлами большого объема (нарезка по времени, фильтрация в произвольной полосе, децимация, пересортировка каналов и т.д.), оперативный анализ и обработку данных. Авторам неизвестен аналог аппаратно-программного комплекса для многоканального ввода, отображения и оперативного анализа сигналов со столь развитыми и отработанными возможностями регистрации и средствами представления данных.

Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет