Измерительная техника ЦИФРОВАЯ РЕГИСТРАЦИЯ И АНАЛИЗ СИГНАЛОВ

Измерительная техника ЦИФРОВАЯ РЕГИСТРАЦИЯ И АНАЛИЗ СИГНАЛОВ

                                                Общие сведения
В практических задачах электрических измерений все чаще используются динамические модели процессов и объектов.
Автономные измерительные приборы (как аналоговые, так и цифровые), предназначенные для статических измерений (вольтметры, амперметры, ваттметры, термометры, манометры и т.д.), не позволяют осуществлять длительную автоматическую регистрацию сигналов, выполнять последующий обстоятельный анализ поведения исследуемых процессов и объектов, не дают возможности определять некоторые ключевые параметры модели процесса/объекта в динамике, достаточно полно и подробно оценивать особенности процесса или объекта.
   Аналоговые регистраторы (самопишущие приборы, светолучевые осциллографы, магнитографы, запоминающие электроннолучевые осциллографы) имеют ряд существенных недостатков: сравнительно невысокую точность, не всегда достаточное число входных каналов, невысокую надежность вследствие наличия механических узлов или сложности устройства), значительные габаритные размеры и массу, создают серьезные трудности организации автоматизированной обработки результатов записи. Кроме того, их практически невозможно использовать в информационно-измерительных системах, системах автоматизированного управления.
Для решения задач динамических измерений, длительной автоматической регистрации в настоящее время широко применяются Цифровые методы и средства. Все активнее используются малогабаритные измерительные цифровые регистраторы и анализаторы, микропроцессорные и компьютерные средства измерений и регистрации. Последующий цифровой анализ сигналов базируется именно на зарегистрированных массивах цифровых данных достаточно большого объема. Одно из важных преимуществ цифровых измерительных регистраторов - легкий и естественный переход от процедуры регистрации к процедуре автоматизированного цифрового анализа.
   Современный уровень развития измерительной техники дает богатые возможности по организации сложных экспериментов.
    Цифровые средства регистрации и анализа сигналов характеризуются довольно высокими значениями точности (погрешности 1,0...0,01 %), разрешающей способности, стабильности преобразования, быстродействия, надежности; большими объемами памяти данных; при этом используются разнообразные сложные алгоритмы обработки.

                         Цифровая измерительная регистрация
В основе многих современных средств динамических измерений лежат принципы цифровой измерительной регистрации. Класс средств цифровой измерительной регистрации представлен сегодня различными типами устройств: сравнительно простыми и «медленными» накопителями данных - логгерами (Data Logger); регистраторами быстропротекающих процессов (Transient Memory); цифровыми осциллографами (Digital Storage Oscilloscope – DSO): анализаторами сигналов во временной области (Digital Signal Analyzer, Time-Domain Analyzer); анализаторами сигналов в частотной области (Frequency-Domain Analyzer); разнообразными компьютерными измерительными устройствами (Computer-Based Instrumentation). Основные формы преобразования информации, положенные в основу всех этих средств, это аналого-цифровое преобразование входных сигналов, хранение, цифровой анализ и передача больших массивов цифровых эквивалентов.
   Цифровые измерительные регистраторы не имеют недостатков, присущих аналоговым, и успешно используются в современной измерительной технике. В настоящее время в мире выпускается множество самых разнообразных автономных (малогабаритных) и специализированных (прецизионных или быстродействующих) регистраторов, компьютерных измерительных устройств для решения различных задач динамических измерений.
          Устройство цифрового измерительного регистратора
Цифровые измерительные регистраторы (ЦИР) - это измерительные преобразователи (или измерительные приборы), специально предназначенные для динамических измерений и регистрации меняющихся электрических и неэлектрических величин в течение длительного интервала времени. Объем памяти данных в ЦИР значительно больше, чем в ЦИП для статических измерений. Кроме того, аналого-цифровой преобразователь ЦИР обычно гораздо более быстродействующий, чем в структуре обычного ЦИП.

На рис. 84 приведена упрощенная структура ЦИР.
Если ЦИР многоканальный, то на входе стоит коммутатор К, который последовательно (или по определенной программе) выбирает («опрашивает») исследуемые сигналы x₁(t), x₂(t),…, x_n(t)первичных измерительных преобразователей (датчиков). Далее выбранный сигнал подвергается аналоговым преобразованиям (в общем случае это могут быть масштабирование, т.е. усиление или деление сигнала, фильтрация, линеаризация). На схеме рис. 84, например, сигнал с выхода коммутатора К усиливается усилителем Ус и поступает далее на фильтр нижних частот ФНЧ, где подавляются высокочастотные помехи и шумы. Затем, с помощью устройства выборки/хранения УВХ происходит дискретизация сигнала (переход к дискретному времени) и квантование с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП. Последовательно получаемые в результате преобразования многочисленные результаты (коды) запоминаются и хранятся в оперативном запоминающем устройстве ОЗУ достаточно большой емкости. По окончании процедуры регистрации (или в процессе ее выполнения) эти данные могут быть выведены на индикатор Инд или переданы другим (внешним) устройствам по интерфейсу.

Рис. 76. Структура цифрового измерительного регистратора
Узлы, отмеченные на рис. 76 пунктирной рамкой, могут отсутствовать в других вариантах структур ЦИР.
Цифровые измерительные регистраторы уверенно вытесняют классические аналоговые средства динамических измерений/регистрации. Сегодня они широко применяются в задачах мониторинга (длительного наблюдения) параметров технологических процессов, окружающей среды; при различных энергетических обследованиях.
Дискретизация, квантование и восстановление сигнала
Термины «дискретизация» и «квантование» – по существу синонимы, но так сложилось (и это общепринято), что используются они по-разному. Термин «дискретизация» применяется обычно для обозначения процедуры замены непрерывного аргумента (текущего времени) ограниченной последовательностью мгновенных значений, т.е. перехода к дискретному времени. Термин «квантование» означает замену бесконечного множества значений непрерывной функции (уровня сигнала) конечными значениями из ограниченного множества цифровых эквивалентов. Дискретизация и квантование реализуют аналого-цифровое преобразование, которое является основой цифровой измерительной регистрации и имеет своей целью и результатом представление фрагмента непрерывного во времени и по уровню входного сигнала конечным числом цифровых эквивалентов (кодов).
По разным причинам обработка поступающих от АЦП цифровых данных не всегда выполняется в реальном времени (в темпе поступления исходных данных), поэтому необходимо промежуточное запоминание и хранение массива кодов в некотором запоминающем устройстве. Такая последовательность процедур дискретизации и квантования входного сигнала, запоминания и хранения кодов и является цифровой регистрацией. А поскольку в измерительных экспериментах требуется вполне определенная достоверность всех преобразований, то необходимо знание метрологических характеристик основных элементов структуры и всего устройства. В этом смысле речь идет о цифровой измерительной регистрации.
В результате процедур дискретизации и квантования фрагмент непрерывного (во времени и по уровню) входного сигнала х(t)трансформируется в массив цифровых эквивалентов (кодов N_i), соответствующих дискретным отсчетам в моменты времени t₀, t₁, t₂, t₃,…,взятые с шагом дискретизации Т_д(рис. 77).
Шаг дискретизации и интервал регистрации. Конкретная форма выполнения дискретизации определяется характером сигнала, его спектральным составом, требуемой точностью последующего цифрового преобразования и/или восстановления в аналоговую форму, задачами и алгоритмами последующей цифровой обработки информации, представления и др. Наиболее простой вид дискретизации – равномерная дискретизация,при которой промежуток времени между соседними отсчетами (шаг дискретизации Т_д) постоянный в течение интервала регистрации Т_р.Равномерная дискретизация является в технической реализации наиболее простой, поэтому и применяется в большинстве случаев.

а б

Рис. 77. Дискретизация (а) и квантование (б) сигнала
В некоторых случаях используется и неравномерная дискретизация, в которой шаг дискретизации в процессе регистрации не постоянен, а определяется особенностями сигнала (например, скоростью изменения сигнала, т.е. текущим значением производной сигнала).
Рис. 78 иллюстрирует понятия шага дискретизации ^ Т_д (промежутка времени между соседними отсчетами – результатами аналого-цифрового преобразования) и интервала регистрации Т_р(общего времени записи).

а б

Рис. 78. Иллюстрация понятия шага дискретизации (а) и интервала регистрации (б)
Поскольку значение шага Т_дперед экспериментом может задаваться (программироваться пользователем) в некотором диапазоне, то возникает вопрос выбора конкретного значения шага Т_д (или частоты F_д= 1/ Т_д)дискретизации. Этот вопрос является достаточно важным. Чем меньше шаг Т_д(или, что то же, чем больше частота F_д),тем лучше с точки зрения последующей обработки и восстановления сигнала. Но, с другой стороны, высокая частота дискретизации означает высокую скорость заполнения памяти регистратора, объем которой ограничен. Для каждого отдельного эксперимента значение частоты F_д определяется максимально возможной скоростью изменения входного сигнала; способом дальнейшего использования цифровой информации; алгоритмом обработки данных; целями и задачами восстановления входного сигнала по его цифровым эквивалентам; спецификой представления графической информации; требуемой окончательной погрешностью; объемом памяти.
В практике электрических измерений есть задачи, где требуется высокая частота дискретизации F_двходных сигналов (высокое быстродействие АЦП). Например, при анализе спектрального состава электрического сигнала напряжения сети может потребоваться частота дискретизации F_д = (100...200) кГц (шаг дискретизации Т_ддолжен составлять, соответственно, 10...5 мкс). В то же время есть задачи, где достаточны сравнительно низкие частоты дискретизации (т.е. допустимы большие значения шага Т_ддискретизации). Практически все тепловые процессы – это медленно меняющиеся процессы, при изучении которых возможна низкая частота дискретизации F_д. Например, для исследования характера изменения температуры в помещении в течение трех суток (т. е. общая продолжительность записи – интервал регистрации Т_р = 72 ч) цифровым регистратором шаг дискретизации Т_дможет быть выбран равным 15 мин. Это означает, что по окончании записи будет зарегистрировано (сохранено в памяти) общее число отсчетов (результатов) N = 72 × 60/15 = 288. В некоторых случаях может оказаться достаточно информативным даже шаг дискретизации Т_д= 1 ч.
Восстановление и представление сигналов. Представление цифровых данных о зарегистрированном входном аналоговом сигнале х(t)(рис. 79, а) в графической форме возможно по-разному (рис. 79, б...г). Оно определяется требованиями задачи эксперимента, квалификацией оператора, возможностями аппаратуры и др.

а б в г

Рис. 79. Способы восстановления и представления сигнала: а – входной сигнал; б – точечное представление; в – ступенчатая аппроксимация; г – линейная интерполяция
Восстановление может происходить в самом регистраторе/анализаторе или в компьютере, который выполняет обработку и представление зарегистрированных данных. Наиболее простым и не требующим дополнительных затрат является так называемое точечное представление (рис. 79, б),применяемое в основном в цифровых осциллографах и анализаторах с матричными индикаторами и принтерами. Основанный на способности человеческого глаза сглаживать последовательность множества точек при небольших расстояниях между ними, этот способ дает удовлетворительное качество изображения уже при разрешающей способности экрана 1,5...2 точки/мм.
Несколько сложнее реализуется ступенчатая аппроксимация,однако при невысоких разрешающих способностях АЦП по времени и амплитуде может создаваться искаженное представление о входном сигнале. Между тем это наиболее распространенный способ восстановления и представления зарегистрированных сигналов.
В некоторых случаях применяется способ линейной {векторной) интерполяции (восстановление формы сигнала отрезками прямых линий), требующий определенных затрат на формирование отрезков (векторов), но дающий более гладкую кривую (см. рис. 79, г).
В любом случае, чем выше частота дискретизации в процессе регистрации и чем больше разрядность аналого-цифрового преобразования, тем точнее впоследствии может быть восстановлен сигнал по массиву зарегистрированных цифровых данных.
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.
                                         Цифровой анализ сигналов
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.
                                                                Области анализа
Зарегистрированные массивы данных могут быть подвергнуты разнообразному цифровому анализу – обработке (с помощью внутреннею микропроцессора прибора и/или внешнего персонального компьютера). В практике электрических измерений используется несколько различных форм представления обработанных данных. Обычно определяют три основные области обработки (анализа) сигналов, которые различаются представлением выходной информации, т.е. результатов анализа:
        -временная (Time-Domain Analysis),где массивы и входных, и выходных данных представлены функцией времени;
        -частотная (спектральная, Frequency-Domain Analysis),где массив выходных данных есть функция частоты;
         -амплитудная (Amplitude-Domain Analysis),где массив выходных данных есть функция уровня (амплитуды) сигнала.
Первые две области широко распространены и реализованы в многочисленных автономных и компьютерных цифровых анализаторах. Анализ во временной области позволяет извлечь из массива входных зарегистрированных данных дополнительную информацию и представить ее функцией времени. Анализ в частотной (спектральной) области подразумевает переход от привычного временногопредставления сигнала (сигнал – функция времени) к частотному представлению (сигнал – функция частоты). Эта область анализа основана на использовании известного преобразования Фурье, связывающего временное и частотное представления сигнала. В современных средствах анализа используется алгоритм дискретного преобразования Фурье (ДПФ), посредством которого массив дискретных отсчетов сигнала (временная область) преобразуется в дискретный спектр. Конкретные устройства сегодня реализуют, как правило, разновидность ДПФ – алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), который обеспечивает более высокое быстродействие.
Спектральное представление используется в различных задачах. Довольно часто требуется определять гармонический состав (т.е. спектр) сигналов в электроэнергетических установках, в цепях мощных потребителей. Типичная задача современной практики – определение (по результатам регистрации сигнала электрического тока) значений мощности определенных гармоник.
Анализ в амплитудной области дает возможность найти вероятность попадания значений входного сигнала в заданные диапазоны, оценить времена нахождения сигнала «в зоне» (или «вне зоны»). Эта область представления сравнительно мало распространена. В результате такого анализа массива кодов входного сигнала строится гистограмма распределения уровня (мгновенных значений амплитуд) исследуемого сигнала, из которой можно извлечь дополнительную полезную информацию. Подобные гистограммы часто используются в статистических исследованиях процессов (особенно случайных) и объектов.
                                                Анализ во временной области
Анализ во временной области дает возможность найти как параметры, так и функциональные зависимости входного сигнала, представленного функцией времени. Первое направление называется параметрическим анализом, второе, соответственно, функциональным. В первом случае реализуются алгоритмы вычисления различных параметров (отдельных значений) входного массива данных, например, определение максимального, минимального, среднего, среднего выпрямленного, среднего квадратического значений на заданных интервалах. Примером параметрического анализа может также служить алгоритм нахождения оценки математического ожидания (среднего значения) по массиву цифровых эквивалентов мгновенных значений случайного сигнала.
    Второе направление (функциональный анализ) позволяет получать на основе входных (исходных) массивов данных различные функциональные зависимости, например, вычисление функции произведения двух исходных массивов напряжения и тока при определении кривой мгновенной мощности.
   Автоматические измерения параметров.На основе анализа массива зарегистрированных цифровых данных довольно легко реализуются автоматические измерения параметров входных сигналов, поскольку цифровые эквиваленты мгновенных значений уже лежат готовыми кодами в памяти прибора. При этом на дисплее анализатора (или на мониторе персонального компьютера) помимо графического образа сигнала можно наблюдать числовые характеристики (параметры). С помощью курсоров (вспомогательных линий на экранном изображении, положением которых управляет оператор) можно вызвать соответствующие числовые значения параметров. Можно также измерять разницу выделенных курсорами точек по уровню и времени. И, конечно же, достаточно просто измерить период Т и частоту f повторяющихся периодических сигналов, длительности фронта Dt и среза импульсов, разницу амплитуд DU и т.п.
   Достоверность результатов таких измерений обычно довольно высока, так как определяется погрешностью аналого-цифрового канала прибора. Типичные значения предельных относительных погрешностей равны ±(0,1... 1,0) %.
Изменение масштабов изображения.Интересной и полезной особенностью цифровых анализаторов и осциллографов, не реализуемой в аналоговых регистраторах и анализаторах, является возможность растяжки (Zoom) изображения уже зарегистрированного сигнала (в том числе однократного) по одной или обеим осям.
Установив курсор (или пару курсоров) на интересующий фрагмент сигнала и совмещая режимы растяжки по осям и сдвигам, можно представить информативный участок изображения в требуемом масштабе.
Просмотр изображения. Кроме рассмотренных режимов, обычно имеется режим просмотра («прокрутки» – Scrolling Mode) длинной записи процесса с помощью окна обычного размера экранного изображения. Этот режим очень удобен при поиске информативных фрагментов на длительных (многочасовых или многодневных) записях.
Если объем памяти данных гораздо больше объема одного экранного изображения (например, такие значения, соответственно, 1 Мслов и 256 слов), то вся запись представима 4000 «экранами». При этом просмотр всей диаграммы представляет определенную проблему, которая решается в современных анализаторах либо плавным скольжением, либо дискретным перемещением окна.

Аналогичная возможность предусмотрена в некоторых сложных моделях и для просмотра изображения вдоль оси у.
Сглаживание функций. Рассмотрим возможности анализаторов по функциональному анализу на примере режима цифрового сглаживания (Digital Smoothing Mode) кривой исследуемого процесса. Процедура основана на цифровом усреднении (Digital Averaging) результатов аналого-цифрового преобразования. Этот режим позволяет успешно бороться с нежелательными шумовыми процессами (высокочастотными периодическими и случайными помехами). Кроме того, он позволяет избавиться не только от высокочастотных посторонних шумов, наложенных на исследуемый процесс, но и от неинтересных (для конкретного интервала регистрации) быстрых изменений исследуемого сигнала.
Рассмотрим действие этого режима для случая повторяющихся (в частности, периодических) сигналов. При повторяющемся сигнале усредняются синхронные (соответствующие одинаковым условиям запуска) реализации (фрагменты одинаковой длительности) исследуемого процесса. На рис. 80 показан периодический сигнал х(t). При заданном уровне (коде) запуска N_зап выделяются поочередно массивы кодов нескольких периодов сигнала (например, восьми) T1…T8.

Рис. 80. Зашумленный входной сигнал
Если поочередно усреднить (сложить и разделить на 8) коды, соответствующие одним и тем же фазам сигнала в каждом из восьми периодов, то сформируется новый массив, состоящий из усредненных значений кодов в каждой фазе. Поскольку значения высокочастотных шумов случайны в каждом отсчете каждого периода, а значения полезного сигнала не случайны, то форма усредненного сигнала будет более гладкой. На рис. 81 показаны изображения сглаженных таким образом кривых, соответствующие различным объемам выборки (разному числу усредненных М периодов).
Очевидно, что чем больше объем выборки М,тем меньше влияние шумов. Однако не следует злоупотреблять большими объемами выборки, поскольку в этом случае будет иметь место не только хорошее сглаживание шумов, но и заметное сглаживание изменений полезного сигнала (динамическая погрешность). Чем выше скорость изменения сигнала, тем больше динамическая погрешность. Надо помнить, что применение режима сглаживания эквивалентно использованию фильтра нижних частот. При этом увеличение объема выборки М соответствует увеличению инерционности регистратора/анализатора.

а б в

Рис. 81. Сглаживание при различных М: а – М = 1; б – М = 8; М = 64
Выбирая конкретный объем выборки синхронного цифрового усреднения (в зависимости от соотношения уровней сигнала и шума, их спектрального состава, требуемых метрологических характеристик, итогового быстродействия), можно достичь приемлемого подавления шума, не увеличивая значительно инерционности анализа.
Реализация процедур анализа. С точки зрения технической реализации методы и средства цифрового анализа делятся на аппаратные, программные и комбинированные. Применение тех или иных решений определяется темпом поступления входной информации (полосой частот исследуемого сигнала, точнее соотношением верхней частоты спектра сигнала и частоты дискретизации АЦП), требованиями по скорости обработки, доступными средствами и т.д.
При сравнительно невысоких частотах входного сигнала (до
1…10 кГц) целесообразна программная обработка, например использование возможностей универсального (персонального) компьютера. В этом случае можно прямо использовать большие объемы памяти компьютера для записи отсчетов исследуемого процесса (может быть в режиме прямого доступа к памяти, Direct Memory Acces – DMA); значительную вычислительную мощность и разнообразие возможных форм представления графической и знаковой входной информации и результатов анализа; различные стандарты передачи данных.
В случае небольших объемов, низкого темпа поступления информации, несложных требуемых алгоритмов обработки возможен анализ данных с помощью внутреннего микропроцессора (или микропроцессоров) анализатора. При более высокочастотных процессах или при необходимости выполнения громоздких вычислительных процедур анализа используются буферные запоминающие устройства (ЗУ), осуществляющие вспомогательную регистрацию входных данных (и/или промежуточных результатов). В этом случае объем и быстродействие ЗУ определяют возможности всего комплекса.
Аппаратная обработка, основанная на применении специализированных процессоров сигналов (Digital Signal Processor – DSP), обеспечивает значительно более высокое быстродействие. Скорость выполнения преобразований при этом может быть увели