Аналого-цифровое преобразование сигнала. Цифровые анализаторы спектра

При решении задач вибродиагностики электромеханических систем очень часто простые методы спектрального анализа не позволяют осуществлять распознавание состояний объекта и поэтому широко используются более информативные, но и более сложные методики связанные с кепстральными, корреляционными и когерентными преобразованиями. Технические сложности не позволяют аналоговой аппаратуре непосредственно измерять взаимный спектр, что необходимо для определения функции когерентностии и ряда других информативных преобразований, в то же время при использовании цифровой техники проще получить эти характеристики сигналов.

Интенсивное развитие цифровой вычислительной техники, создание быстродействующих, периферийных устройств, минимизация размеров элементов устройства современных компьютеров, относительно низкая скорость распространения вибрации и ограниченный частотный диапазон анализируемых сигналов обеспечивают высокую эффективность анализа вибросигналов на цифровых вычислительных машинах (ЦВМ). Возможность гибкого изменения алгоритмов обработки сигналов и быстрота анализа при достаточно сложных алгоритмах приводит к тому, что в настоящее время цифровые анализирующие приборы вытесняют аналоговые. Более того, вся совокупность алгоритмов может быть представлена в виде пакета прикладных программ для компьютера, что позволяет отказаться от использования специализированных анализирующих приборов при научных исследованиях и разработке диагностических моделей объектов.

Анализатор такого типа включает в себя собственно компьютер с периферийными устройствами ввода-вывода информации (клавиатура, манипулятор-мышь, монитор-дисплей и т.д.), платы осуществляющие ввод и накопление цифровых данных в вычислительной машине (предпроцессорную обработку) и предусилители кондиционирующие, усиливающие аналоговые сигналы и преобразующие их в цифровую форму. Схема цифрового анализатора представлена на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Схема цифрового анализатора на базе ЦВМ.

Перевод непрерывного аналогового сигнала в цифровую форму осуществляется с помощью аналогово-цифрового преобразователя АЦП, обеспечивающего дискретизацию сигнала во времени и квантование сигнала по уровню. Основой взаимно-однозначного преобразования сигнала является правильный выбор частоты дискретизации f_д и количества уровней квантования N_max..

Согласно теории Котельникова взаимно-однозначное соответствие преобразования непрерывных сигналов в дискретную форму обеспечивается при f_д ³ 2Df _э, где Df _э - эффективная ширина полосы спектра сигнала. Снижение f _д приводит к уменьшению объема ЗУ и значит увеличивает быстродействие анализатора, обычно это достигается выделением наиболее информативной части спектра при помощи фильтров.

При квантовании по уровню, амплитуда сигнала в момент дискретизации преобразуется в цифровую форму. Диапазон квантования сигнала по уровню определяется динамическим диапазоном сигнала на выходе вибропреобразователя. Динамический диапазон АЦП определяется как D_ацп = 20 ln N_max = 20 ln(2 ^m - 1), где N_max = 2 ^m - 1 - максимальное число, вырабатываемое АЦП с двоичным разрядами.

Процесс накопления сигнала в ЦВМ включает преобразование номера слова памяти ЗУ (адрес слова), запись кода по этому адресу, и должен происходить за интервалы между выборками сигнала. Обработка массива накопленных данных производится одновременно с накоплением следующего отрезка сигнала, такой режим получил название “обработки в реальном масштабе времени”.

Наряду с анализаторами на базе ЦВМ получили развитие специализированные цифровые анализаторы с встроенным интерфейсом для цифрового обмена с ЦВМ. Такие анализаторы эффективно и быстро осуществляют цифровые преобразования Фурье и рассчитывают ряд специальных характеристик спектра сигнала и являются по своей сути узкоспециализированными ЦВМ.

В последнее время на рынке прецизионной измерительной техники появляется все больше цифровых компактных, переносных приборов с встроенным процессором и возможностью программной обработки, сохранения данных и передачи их на ЭВМ для последующей обработки. Внешний вид одного из таких приборов – шумомера типа 2237 фирмы Brüel & Kjær представлен на рис.311.

Рис. 3.11. Внешний вид компактного цифрового шумомера типа 2237 фирмы Brüel & Kjær.

Поиск по сайту: