4-4. СИГНАЛЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Общие сведения.

В средствах измерений передача, хранение и отображение информации о значениях измеряемых величин осуществляются с помощью сигналов, которые принято называть сигналами измерительной информации. Сигнал как материальный носитель информации представляет собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой величиной. Такой параметр называют информативным параметром. Остальные параметры сигнала называют неинформативными (см. § 1-1). В электрических средствах измерений наиболее часто применяют электрические сигналы, информативными параметрами которых могут быть мгновенные значения постоянных токов и напряжений, амплитудные, средневыпрямленные или действующие значения синусоидальных токов и напряжений, а также их частота или фаза и др.

При прохождении сигналов в средствах измерений они могут преобразовываться из одного вида в другой, более удобный для последующей передачи, хранения, обработки или восприятия оператором. Для иллюстрации таких преобразований на рис. 4-1 приведена структурная схема прибора, предназначенного для измерения температуры. На выходе термопары 777 возникает сигнал измерительной информации — термо-ЭДС которая зависит от измеряемой температуры Этот сигнал

Рис. 4-1. Сигналы измерительной информации в приборе для измерения температуры

преобразуется модулятором М в прямоугольные импульсы напряжении им, амплитуда которых пропорциональна термо-ЭДС. Переменная составляющая сигнала им усиливается усилителем переменного тока и преобразуется в однополярные импульсы выпрямителем В. Выходной сигнал выпрямителя подается на милливольтметр тУ, вызывая отклонение его указателя на некоторый угол а. В данной схеме сигналы им, а есть сигналы измерительной информации.

Измеряемая величина — температура в рассматриваемом примере — является входным сигналом для первичного измерительного преобразователя. Если сформулировать строже, то измеряемая величина является информативным параметром входного сигнала. Так, например, при измерении действующего напряжения силовой сети переменного тока входным сигналом является синусоидальное напряжение, а измеряемой величиной — действующее значение этого сигнала, являющееся в данном случае его информативным параметром.

Необходимым условием различных преобразований сигналов является реализация определенной (чаще линейной) функциональной зависимости между информативными параметрами сигналов у и измеряемой величиной х. Практически в средствах измерений это условие выполняется с некоторой точностью, обусловленной погрешностями преобразования звеньев и действием помех. Применение того или иного вида сигнала зависит от многих факторов: используемых принципов преобразования измеряемых величин в электрический сигнал для первичных измерительных преобразователей, требуемой точности и помехоустойчивости передачи измерительной информации, скорости изменения измеряемых величин и т. д. Существует множество различных видов сигналов. Важным классификационным признаком сигналов является характер их изменения во времени и по информативному параметру. По этому признаку различают непрерывные, или аналоговые, и дискретные сигналы. Часто изменение сигнала по информативному параметру называют изменением по уровню. Дискретные по уровню сигналы называют также квантованными сигналами.

Рассмотрим основные виды сигналов, используемых в средствах измерений.

1. Непрерывные (аналоговые) по информативному параметру и времени сигналы. Непрерывные сигналы определены в любой момент времени существования сигнала и могут принимать любые значения в диапазоне его изменения. В качестве таких сигналов нашли применение постоянные и гармонические токи и напряжения. Для постоянных токов и напряжений и информативными параметрами являются их мгновенные значения, функционально

Рис. 4-2. Измеряемая величина х (а) и сигналы измерительной информации у (б - м)

связанные с измеряемой величиной х. На рис. 4-2, б изображен непрерывный сигнал у (ток или напряжение и), связанный линейной зависимостью с измеряемой величиной х, здесь — коэффициент преобразования (см. § 4-5).

В гармонических сигналах информативными параметрами могут быть амплитуда угловая частота или фаза Изменение информативного параметра гармонического сигнала в соответствии с изменением измеряемой величины х называют модуляцией этого сигнала. Если с изменением х в гармоническом

сигнале меняется один из параметров или то говорят, что осуществляется соответственно амплитудная — AM (рис. 4-2, а, в), частотная — ЧМ (рис. 4-2, а, г) или фазовая — ФМ (рис. 4-2, а, д) модуляция. При фазовой модуляции фаза сигнала определяется относительно второго (опорного) гармонического сигнала

2. Непрерывные по информативному параметру и дискретные по времени сигналы. Такие сигналы определены на некотором конечном или счетном множестве моментов времени (или на множестве интервалов времени см. ниже). Теоретическая модель таких сигналов показана на рис. где — последовательность значений непрерывного сигнала (рис. 4-2, б), определенных в моменты времени В реальных средствах измерений подобным сигналом является периодическая последовательность импульсов постоянноготока (рис. 4-2, ж), у которых, в отличие от абстрактной модели, информативными параметрами могут быть не только амплитуда но и частота или длительность этих импульсов. При этом в зависимости от того, какой из этих параметров функционально связан с имеет место соответственно амплитудно-импульсная — АИМ (рис. 4-2, а, ж), частотно-импульсная — ЧИМ (рис. 4-2, а, з) или широтноимпульсная — ШИМ (рис. 4-2, а, и) модуляция сигнала.

3. Сигналы, непрерывные по времени и квантованные (дискретные) по информативному параметру. В таких сигналах (рис. 4-2, б, к) информативный параметр может принимать только некоторые разрешенные уровни отстоящие друг от друга на конечные интервалы (кванты) А у. Примером является сигнал на выходе цифро-аналогового преобразователя (см. § 8-3).

4. Сигналы, дискретные по времени и квантованные по информативному параметру. Теоретической моделью такого сигнала (рис. 4-2, л) является дискретная последовательность значений непрерывного сигнала (рис. 4-2, б), принимающая только разрешенные уровни и определенная в дискретные моменты времени Такому виду сигналов соответствуют, например, сигналы при кодово-импульсной модуляции, при которой в моменты времени каждому разрешенному уровню ставится в соответствие определенный код — комбинация условных сигналов (см. § 1-1, 8-1), в частности импульсов постоянного тока высокого уровня, обозначаемых 1, и импульсов низкого уровня, обозначаемых 0. Так, на рис. 4-2, м показаны две кодовые комбинации — 0101 и 1010, соответствующие уровням (рис. 4-2, л) в моменты времени .

Приведенные примеры сигналов широко используются в электрических средствах измерений. Однако следует иметь в виду, что находят применение и другие сигналы.

Для описания реальных физических сигналов применяют различные математические модели.