Учебная программа для высших учебных заведений по специальности i-54 01 04 Метрологическое обеспечение информационных систем и сетей Согласована с Учебно-методическим управл
| Вид материала | Программа |
- Учебная программа для высших учебных заведений по специальности 1-45 01 01 Многоканальные, 1211.5kb.
- Грамм для высших учебных заведений по специальности i-54 01 04 метрологическое обеспечение, 855.16kb.
- Учебная программа для высших учебных заведений по специальности 1-98 01 02 Защита информации, 1150.88kb.
- Учебная программа для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям, 438.29kb.
- Типовая учебная программа для высших учебных заведений по специальности: 1-23, 794.76kb.
- Типовая учебная программа для высших учебных заведений по специальности 1-33, 400.17kb.
- Типовая учебная программа для высших учебных заведений по специальности: 1-21, 290.18kb.
- Типовая учебная программа для высших учебных заведений по специальности: 1-23, 987.19kb.
- Типовая учебная программа для высших учебных заведений по специальности 1-23, 164.64kb.
- Типовая учебная программа для высших учебных заведений по специальности 1-21, 454.66kb.
Тема 5.3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Линеаризация измерительных сигналов. Аналоговые и цифровые методы линеаризации. Структурные и принципиальные схемы. Технические параметры. Погрешности преобразования.
Фильтрация измерительных сигналов. Аналоговые и цифровые фильтры. Принципы построения. Структурные и принципиальные схемы. Погрешности преобразования.
Модуляция и демодуляция измерительных сигналов. Амплитудные, частотные, фазовые модуляторы и демодуляторы. Бесконтактная передача информации. Структурные схемы передающих и приемных устройств.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Резистивные измерительные преобразователи.
2. Емкостные измерительные преобразователи.
3. Электромагнитные измерительные преобразователи.
4. Аналого-цифровые преобразователи.
5. Цифро-аналоговые преобразователи.
6. Преобразователи частоты и фазовых сдвигов в интервал времени.
7. Электрические информационные сигналы.
8. Преобразование измерительной информации.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Исследование резистивных и емкостных измерительных преобразователей.
2. Исследование электромагнитных измерительных преобразователей.
3. Исследование динамического режима измерения температуры с применением термоэлектрических преобразователей.
4. Изучение устройства и принципа действия аналого-цифровых преобразователей.
5. Изучение устройства и принципа действия цифро-аналоговых преобразователей.
6. Измерительные преобразователи переменных напряжений в цифровой код.
7.Измерительные преобразователи частоты и интервалов времени в цифровой код.
8. Измерительные преобразователи фазовых сдвигов в цифровой код.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Аш Ж. Датчики измерительных систем: Пер. с фр. В 2 кн. - М.: Мир, 1992.
2. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов /Под общ. ред. Н.Н.Евтихиева. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
3. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. - М.: Постмаркет, 2000.
4. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи): Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1983.
5. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Под ред. Е.М.Душина. - 6-е изд.; перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1987.
6. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. / Под ред. У.Томпкинса, Дж. Уэбстера. – М.: Мир, 1992.
7 Туричин А.М. Электрические измерения неэлектрических величин. - М.: Энергия, 1966.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Атамалян Э.Т. Приборы и методы измерения электрических величин. - М.: Высш. шк., 1982.
2. Зайцев Ю.В. и др. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи. М.: Радио и связь, 1985.
3. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособия для вузов. - М.: Радио и связь, 1985.
4. Ревин В.Т., Кострикин А.М. Метрология и измерения (Генераторные измерительные преобразователи: Метод. пособие - Мн.: БГУИР, 1994.
5. Реуцкий В.С. Метрология и электрические измерения: Учеб. пособие / Под ред. А.С.Елизарова. Ч.1. - Мн.: МРТИ, 1989.
6. Сборник задач и упражнений по электрическим и электронным измерениям/ Под ред. Э.Г.Атамалян. - М.: Высш. шк., 1990.
7. Шпак И.И. Электрические измерения. Магнитные измерения: Учеб. пособие. Ч. 2. - Мн.: МРТИ, 1983.
8. Электрические измерения: Учебник для вузов / Под ред. А.В.Фремке и Е.М.Душина. - 5-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1980.
9. Малиновский В.П. Электрические измерения. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
10. Электрические измерения: Учебник для вузов / Под ред. А.В.Фремке и Е.М.Душина. - Л: Энергия, 1990.
11. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин / Под ред. Е.С.Полищука. - Киев: Вища шк., 1984.
УТВЕРЖДЕНА
УМО вузов Республики
Беларусь по образованию в области
информатики и радиоэлектроники
03.02.2006.
регистрационный № ТД- 54 - 003/тип.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ
И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ИХ ОБРАБОТКИ
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальности I-54 01 04 Метрологическое обеспечение информационных систем и сетей
Согласована с Учебно-методическим управлением БГУИР
31.01.2006.
СОСТАВИТЕЛЬ:
В.Н. Синица, доцент кафедры метрологии и стандартизации Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
П.В. Чобан, главный метролог, начальник цеха контрольно-измерительных приборов и автоматики ОАО «Белмедпрепараты», кандидат технических наук;
Кафедра радиотехники Военной академии Республики Беларусь (протокол №12-2/2005 от 15.12.2005)
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ ТИПОВОЙ
Кафедрой метрологии и стандартизации Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол № 2 от 27.10.2005)
Научно-методическим советом секции по специальности I-54 01 04 Метрологическое обеспечение информационных систем и сетей УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол № 1 от 27.10.2005)
Действует до утверждения Образовательного стандарта по специальности.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Программа учебной дисциплины «Измерительные сигналы и функциональные устройства их обработки» разработана для специальности I-54 01 04 Метрологическое обеспечение информационных систем и сетей высших учебных заведений.
Предметом изучения дисциплины являются измерительные сигналы, их прохождение через измерительные цепи, а также функциональные устройства, которые входят в средства измерений и предназначены для их обработки.
Целью изучения дисциплины является овладение теоретическими основами анализа измерительных сигналов и их преобразования, методами построения современных функциональных устройств для их обработки и использование полученных знаний в качестве базы при изучении последующих дисциплин, включая дипломное проектирование. Она является основной схемотехнической дисциплиной в учебном плане специальности I-54 01 01 Метрологическое обеспечение информационных систем и сетей.
Программа рассчитана на объём 195 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 119 часов, лабораторных работ – 51 час, практических занятий – 25 часов.
В результате освоения дисциплины «Измерительные сигналы и функциональные устройства их обработки» студент должен:
знать:
- классификацию измерительных сигналов;
- методы математического описания свойств детерминированных и случайных измерительных сигналов;
- способы преобразования измерительных видеосигналов в радиосигналы;
- способы преобразования непрерывных измерительных сигналов в дискретные во времени и квантованные по уровню, и методы их обработки;
- информационный объём измерительных сигналов и критерии качества их передачи;
- методы анализа прохождения детерминированных и случайных измерительных сигналов через линейные и нелинейные измерительные цепи;
- принципы оптимальной обработки измерительных сигналов на фоне помех и построения структуры согласованных фильтров для оптимального приёмника;
- основные характеристики квазилинейных аналоговых устройств и методы их анализа;
- схемотехнические реализации усилительных устройств с использованием различных видов обратной связи и методы анализа их характеристик;
- методы построения и анализа устройств пассивной и активной фильтрации измерительных сигналов, и коррекции их формы и спектра;
- основные схемотехнические построения пассивных и активных преобразователей спектра измерительных сигналов, включая, преобразователи частоты, умножители и делители частоты;
- основные методы построения и анализа характеристик устройств генерации измерительных сигналов, включая схемы фазовой автоподстройки частоты;
- методы построения и основные схемные решения аналоговых модуляторов и демодуляторов;
- принципы работы и методы построения акустоэлектронных устройств обработки измерительных сигналов;
уметь характеризовать:
- виды измерительных сигналов и основные показатели, определяющие качество их передачи и преобразования;
- эффективность построения структурной схемы функциональных устройств обработки измерительных сигналов;
уметь анализировать:
- свойства детерминированных и случайных измерительных сигналов;
- параметры линейных и нелинейных цепей и прохождение через них детерминированных и случайных измерительных сигналов;
- характеристики и параметры функциональных устройств обработки измерительных сигналов.
приобрести навыки:
- использования существующих методов анализа характеристик и параметров измерительных сигналов;
- оценки характеристик и параметров функционального преобразования измерительных сигналов при прохождении через линейные и нелинейные устройства;
- разработки и проектирования функциональных устройств средств измерений для обработки измерительных сигналов.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ВВЕДЕНИЕ
Значение дисциплины «Измерительные сигналы и функциональные устройства их обработки» в подготовке инженеров-метрологов как одной из базовых дисциплин, её предмет, цели, задачи и содержание, связь с другими дисциплинами учебного плана специальности. Основные термины и определения.
Роль и значение средств измерений в промышленном производстве и современных исследованиях. Обобщённая структурная схема средства измерения.
Общие сведения об измерительных сигналах (ИС) и функциональных устройствах их обработки.
Роль функциональных устройств обработки измерительных сигналов в средствах измерений. Обобщённая структурная схема функционального устройства обработки измерительного сигнала.
Раздел 1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ
Тема 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ И СИГНАЛОВ ПОМЕХ
По природе материального носителя – неэлектрические, электрические и комбинированные. По характеру изменения параметров во времени – детерминированные, квазидетерминированные и случайные, периодические и непериодические, аналоговые непрерывные (континуальные) и аналого-импульсные, цифровые, элементарные и сложные. По спектру – видеосигналы и радиосигналы. По ширине спектра – узкополосные и широкополосные. По типу модуляции информативного параметра сигнала-переносчика: для несущего аналогового гармонического сигнала – с амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) или с угловой (УМ); для несущего аналого-импульсного сигнала – с амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульсной (ШИМ или ДИМ), частотно-импульсной (ЧИМ) и фазо-импульсной (ФИМ); для несущего цифрового сигнала – с время-импульсной (ВИМ) и кодово-импульсной (КИМ). По назначению – испытательные и калибровочные.
Определение и классификация сигналов-помех. По воздействию на сигнал – аддитивные и мультипликативные. По месту возникновения – внешние и внутренние. По виду частотного спектра помехи – «белый» и «розовый» шумы. По основным свойствам – флуктуационные, импульсные, сосредоточенные. Флуктуационные помехи или шумы – тепловой, дробовый и фликкер-шумы.
Тема 1.2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ВИДЕОСИГНАЛОВ
Сигналы и их математические модели. Одномерные и многомерные сигналы. Динамическое представление сигналов в виде функций включения и дельта-функций. Принцип измерения мгновенных значений сигнала. Структурные части сигнала – постоянная и переменная, чётная и нечётная.
Геометрическая теория векторного представления сигналов в бесконечномерном линейном пространстве. Координатный базис. Нормированное и метрическое пространство. Норма и энергия сигнала. Скалярное произведение сигналов и гильбертово пространство. Ортогональные сигналы и их разложение по ортогональным базисам, ортонормированный базис. Выбор системы ортогональных базисных функций. Аппаратурная реализация ортогонального разложения сигналов. Обобщённый ряд Фурье и его геометрический смысл.
Спектральный (гармонический) анализ и синтез периодических сигналов. Ряд Фурье в комплексной форме и его векторное представление во времени и в виде годографа. Энергетический спектр и спектр мощности периодического сигнала, теорема Парсеваля. Интегральные значения периодических сигналов: среднее; средневыпрямленное; среднеквадратическое.
Спектральный анализ непериодических сигналов, спектральная плотность, прямое и обратное преобразование Фурье. Энергетический спектр и спектр мощности непериодического сигнала, равенство Парсеваля. Соотношение между длительностью сигнала и шириной его спектра. Спектральный анализ сигналов по Лапласу. Свойства преобразований Фурье и Лапласа (теоремы о спектрах сигналов). Принцип измерения спектров сигналов. Структурная схема гармонического синтеза сигналов.
Суть корреляционного анализа детерминированных сигналов. Взаимная корреляционная функция сигнала (ВКФ) и её свойства. Связь между энергетическим спектром сигнала и его ВКФ. Автокорреляционная функция (АКФ) сигнала и её свойства. АКФ сигналов: периодических, неограниченно протяжённых и дискретных (сигналов Баркера). Связь между энергетическим спектром сигнала и его АКФ, соотношения Винера-Хинчина. Обобщённая структурная схема коррелометра.
Тема 1.3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ РАДИОСИГНАЛОВ
Необходимость преобразования видеосигналов в радиосигналы и его передачи с помощью несущего колебания. Условия медленности изменения амплитуды и фазы несущего колебания.
Радиосигналы с АМ. Временные и спектральные характеристики однотонального АМ-радиосигнала, векторная диаграмма, энергетические свойства. Спектральные характеристики многотонального АМ-радиосигнала. АКФ импульсного АМ-радиосигнала.
Радиосигналы с УМ. Временные и спектральные характеристики однотонального ЧМ-радиосигнала с индексом модуляции 1, 1 и 1, векторная диаграмма. Различия между ЧМ и ФМ сигналами. Спектральные характеристики многотонального УМ-радиосигнала. Сравнительная оценка радиосигналов с АМ и УМ. Манипулированный УМ-радиосигнал. Радиосигналы с внутриимпульсной ЛЧМ и их АКФ.
Математическая модель представления узкополосных сигналов. Огибающая, частота и фаза узкополосного сигнала. Основные свойства огибающей сигнала. Реализация сигналов сопряжённых по Гильберту.
Аналитический сигнал. Основные свойства аналитического сигнала.
Тема 1.4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
Измерительный сигнал (ИС) как случайный процесс (СП). Понятие случайной функции и случайной величины, реализации и ансамбля СП. Непрерывные, дискретные и смешанные (непрерывно-дискретные) СП. Нестационарные, стационарные и эргодические случайные сигналы. Закон распределения вероятности (дифференциальный закон) и плотности вероятности (интегральный закон) случайной непрерывной, дискретной и смешанной величины. Свойства функций распределения вероятности и плотности вероятности.
Многомерный закон распределения вероятности и плотности вероятности мгновенного значения СП. Одномерная и двумерная плотность вероятности.
Начальные моментные функции для нестационарных и стационарных СП, математическое ожидание (МО) и ковариационная функция. Центральные моментные функции для нестационарных и стационарных СП, дисперсия и корреляционная функция (АКФ и ВКФ). Спектральная плотность мощности (энергетический спектр) эргодического СП и его связь с корреляционными функциями (теорема Винера-Хинчина). Средняя мощность. Эффективная ширина спектральной плотности мощности. Интервал корреляции. Связь между эффективной шириной спектральной плотности мощности и интервалом корреляции.
Тема 1.5. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ И КАЛИБРОВОЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ
Испытательные сигналы: дельта-функция, единичная функция.
Калибровочные сигналы и математическое моделирование (функция Иордана) разнообразной знакопеременной их формы: прямоугольной, пилообразной, синусоидальной и близкой к дельта-функции.
Тема 1.6. ПЕРЕДАЧА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СИГНАЛА
Необходимость дискретизации и квантования ИС. Суть процесса дискретизации ИС. Равномерная и неравномерная, физическая и аналитическая дискретизация. Погрешность датирования отсчёта (выборки). Задача восстановления исходного сигнала из дискретизированного, выбор системы базисных функций.
Дискретизация и восстановление сигнала по теореме отсчётов (теорема Котельникова). Дискретизация исходного ИС с ограниченным спектром и преобразование его временной функции и спектра. Восстановление (синтез) исходного ИС и преобразование временной функции и спектра дискретного сигнала. Погрешности восстановления исходного ИС. Уменьшение погрешности восстановления исходного ИС.
Дискретизация сигналов конечной длительности с неограниченным спектром. Понятие числа степеней свободы или базы сигнала. Дискретизация узкополосных сигналов (радиосигналов с АМ и ЧМ).
Дискретизация спектров сигналов. Преобразование дискретного сигнала в амплитудно-модулированный исходным сигналом.
Равномерное и неравномерное квантование ИС. Погрешность квантования сигналов. Представление ИС цифровыми значениями.
Информационный объём ИС. Информационный объём непрерывных и дискретных сигналов и скорость их передачи.
Логарифмические единицы передачи ИС по напряжению, току и мощности. Абсолютные уровни напряжения и мощности. Единица затухания ИС. Критерии качества передачи ИС: пик-фактор, динамический диапазон, эффективная ширина энергетического спектра, перекрёстные искажения, параметры затухания, уровень вносимых помех, диаграмма уровней, допустимые искажения.
Раздел 2. АНАЛИЗ ПРОХОЖДЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
СИГНАЛОВ ЧЕРЕЗ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ