Цифровой анализ сигналов

Задание интервала регистрации

Наряду с выбором шага дискретизации Т_дне менее серьезным является и вопрос определения необходимой (и/или возможной) длительности и выбора способа задания интервала регистрации Т_р. Правильная организация задания моментов начата и окончания интервала регистрации Т_р– важная составная часть подготовки эксперимента по измерительной регистрации.

Запуск в цифровых регистраторах. Запуск (Trigger) означает процедуру автоматического определения момента начала интервала регистрации по некоторым критериям (условиям), заданным опе­ратором. В средствах цифровой измерительной регистрации применяются различные способы (режимы) запуска. Существует деление возможных режимов запуска на две группы: внутреннего и внешнего запуска.

Внутренний запуск в свою очередь делится на запуск по заданному моменту времени; запуск по некоторым параметрам входно­го сигнала (например, по уровню или по скорости изменения) и комбинированный запуск. Самый простой и понятный из них – запуск по заданному астрономическому времени, который возмо­жен благодаря внутреннему энергонезависимому таймеру регистратора. При этом поведение входного сигнала не имеет значения. В заранее запрограммированный оператором день и час автоматически начинается процесс регистрации сигнала.

Цифровой запуск (Digital Trigger) по уровню подобен класси­ческому запуску развертки аналогового (электронно-лучевого) осциллографа. Разница только в том, что в данном случае происходит сравнение цифровых кодов (а не аналоговых уровней). Задание уровня может быть реализовано в единицах конкретной измеряемой физической величины (например, в вольтах), в процентах диапазона измерения, иногда – в значениях кода.

В ряде случаев удобны режимы запуска по некоторым другим параметрам исследуемого сигнала, например, по значению его первой производной dx/dt (т.е. скорости его изменения). Например, момент начала регистрации определяется условием «dx/dt > 1 В/мин», т.е. превышением скорости изменения входного напряжения зна­чения 1 В/мин.

Возможны также режимы запуска, в которых используются ком­бинации нескольких условий (признаков) запуска. Например, за­пись начинается при одновременном выполнении таких условий: астрономическое время – не ранее 12:00; значение амплитуды сигнала – положительное; производная сигнала – отрицательная и превышает по модулю значение 100 мВ/мин.

Режим внешнего запуска (Ехtеrnаl Trigger) реализуется поступ­лением на специальный вход регистратора сигнала на начало ре­гистрации извне (от внешних источников, от оператора, от других устройств/приборов). При этом поведение входного исследуемого сигнала не имеет значения. Иногда такой режим называется запус­ком по некоторому событию (Event Trigger). Этот внешний сигнал обычно является унифицированным сигналом, например, имею­щим уровень транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Такой режим аналогичен режиму внешнего запуска обычного ос­циллографа.

Цифровой запуск по уровню. Внутренний запуск по заданному уровню в цифровых регистраторах/анализаторах имеет ряд особен­ностей. Цифровой запуск начала регистрации реализуется обычно таким образом.

Допустим, требуется начать запись при выполнении следующе­го условия: уровень входного сигнала таков, что соответствующий ему код превышает заданное значение кода запуска N_зап(напри­мер, 70 % верхней границы установленного диапазона измерения N_max). Оператор задает значение кода N_зап = 0,7 N_max, превышение которого и должно определить момент запуска.

Аналого-цифровой преобразователь регистратора работает по­стоянно в заданном темпе (т.е. с заданным шагом дискретизаций Т_д), но результаты преобразования не заносятся в ОЗУ. На каждое новом шаге Т_двновь полученный код (отсчет, результат преобра­зования) сравнивается с установленным кодом запуска N_зап по средством цифрового сравнивающего устройства (компаратора кодов).

Если заданное условие N (t_i+1) ≥ N_зап наконец выполнилось (т.е. поступил код, равный или превышающий N_зап), то компаратор кодов формирует сигнал начала регистрации. И после этого все вновь поступающие от АЦП коды (отсчеты) запоминаются в па­мяти регистратора.

Интервал регистрации и объем памяти. Количество отсчетов (от­дельных результатов аналого-цифрового преобразования, слов), которые запоминаются в памяти регистратора, определяется от­ношением Т_р / Т_д. Этим же отношением, естественно, определяется и объем памяти V (в отсчетах), которую займет массив зарегистри­рованных данных по окончании записи. Окончание интервала регистрации Т_р (как и его начало) также может быть организовано по-разному. Понятный способ – задание астрономического вре­мени окончания записи. Правда, при этом необходимо всякий раз убеждаться в том, что соотношение заданных обшей длительности интервала регистрации Т_ри шага Т_ддискретизации не противоре­чит возможностям (максимальному объему V_м)памяти регистра­тора. В противном случае неизбежны потери информации.

Максимально возможное время регистрации (максимальная длительность интервала регистрации Т_р)определяется простым соотношением Т_р= Т_д V_м,где V_м – максимальный объем памяти данных в отсчетах, словах (а не в байтах, так как один отсчет часто не равен байту, а больше). Например, при объеме памяти данных V_м = 1000 отсчетов (слов) и заданном шаге дискретизации Т_д, рав­ном 1 мин, невозможна суточная запись (т.е. Т_р = 24 ч) исследуе­мого процесса, так как память будет вся заполнена уже примерно через 16 ч. При этом финальная часть процесса, естественно, не будет зарегистрирована.

Если значение шага дискретизации Т_д(или частоты дискретизации F_д)уже определено по каким-то критериям (например, исходя из максимальной скорости изменения исследуемого процесса), объем памяти регистратора V_мизвестен, то определить максимально возможное время регистрации Т_р можно, используя простые соотношения:

Т_р = V_м Т_д = V_м / F_д.

Отметим, что совсем необязательно стремиться заполнить всю память регистратора, если для задач эксперимента достаточно некоторой ее части.

Предзапуск и послезапуск. Предзапуск (Pretrigger) – важная и полезная особенность, присущая только цифровым регистрато­рам, осциллографам, анализаторам и принципиально не реали­зуемая в аналоговых регистраторах. Предзапуск означает предпус­ковую регистрацию, обеспечивающую возможность записи в па­мять и исследования фрагмента сигнала, предшествовавшего мо­менту запуска. Этот режим позволяет записать предысторию инте­ресующего фрагмента, уверенно зафиксировать начало и понять причины появления, например, аварийной ситуации.

Реализация режима предзапуска возможна благодаря непрерывно­му приему и хранению в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) регистратора достаточно большого массива цифровых данных о сигнале. Оперативное запоминающее устройство здесь играет роль реги­стра сдвига объемом m слов (отсчетов), например, m = 512. Каждое вновь поступившее от АЦП значение очередного цифрового экви­валента (отсчета) записывается в ОЗУ. При этом все предыдущие записанные отсчеты сдвигаются на один номер, а самый ранний (старый) из хранимых отсчетов N₁ исчезает (как бы «выталкивает­ся»). Таким образом, в этом регистре сдвига информация, постоянно обновляясь, содержит m последних («свежих») отсчетов.

Так может продолжаться до тех пор, пока не выполнятся уcловия запуска (например, заданное превышение уровня запуска). Компаратор кодов сравнивает поступающие от АЦП текущие результаты (коды) с заданным оператором кодом запуска N_зап. Есл вновь пришедший отсчет N_m+1, удовлетворяет условию запуска (на­пример, N_m+1 больше N_зап), то множество всех предыдущих (пред­шествовавших этому новому N_m+1) отсчетов, лежащих в памяти, как раз и представляет предысторию развития регистрируемого про­цесса, что означает запись до момента запуска. Если остановить процесс записи не сразу, а с некоторой задержкой, то можно по­лучать различные соотношения длительностей зарегистрирован­ных фрагментов до и после момента запуска. Таким образом, тре­буемую глубину предзапуска можно менять. В зависимости от уста­новленного оператором кода глубины предзапуска компаратор выдает с той или иной задержкой сигнал на прекращение записи в ОЗУ.

Числовое выражение глубины предзапуска (предыстории) по­казывает значение сдвига (отрицательного во времени) выбран­ного фрагмента по отношению к моменту запуска.

Обычно глубина предзапуска задается в процентах объема ОЗУ или в процентах части объема ОЗУ, соответствующей одному эк­ранному изображению (для цифровых осциллографов/анализато­ров). Глубина предзапуска может задаваться и в абсолютных интер­валах времени. Например – 100 %-й предзапуск означает, что будет зафиксирован фрагмент предыстории сигнала (объемом, соот­ветствующим полному объему памяти или целому экранному изобра­жению) вплоть до момента запуска. Максимальная глу­бина этой предыстории определяется объемом ОЗУ (т отсчетов). Понятие послезапуска означает запись фрагмента сигнала, за­держанного по отношению к моменту запуска на заданный интер­вал, выражаемый количественно так же, как и в случае предзапус­ка. Это также полезный режим, который позволяет в ряде экспериментов «экономить» объем памяти, если известны особенности поведения сигнала и интересующий нас фрагмент закономерно задержан по отношению к моменту запуска.

Под анализом следует понимать любое преобразование исход­ных данных в целях получения новой информации.

Широкое распространение динамических моделей объектов исследования привело к резкому увеличению потоков информа­ции, что в свою очередь потребовало автоматизированной обра­ботки. В настоящее время достаточно высокопроизводительная об­работка (анализ) сигналов возможна только цифровыми методами и средствами. Объективными предпосылками развития и ши­рокого применения цифрового анализа послужили успехи микроэлекгроники, в частности в деле создания и распространения мик­ропроцессорной и компьютерной техники и идеологии.

Методы и средства анализа все шире используют персональ­ный компьютер в качестве одного из основных элементов измери­тельно-вычислительных комплексов.