Исследование и разработка перестраиваемых рекурсивных фильтров с конечной импульсной характеристикой

• Автор: Ткаченко, Матвей Григорьевич
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 218 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ

КАНАЛЕ.

1.1. Антилайзинговые фильтры измерительных систем

1.1.1. Аналоговые фильтры нижних частот.

1.1.2. Особый случай применения принципов фильтрации в измерительном канале

1.1.3. Цифровые фильтры нижних частот

1.1.4. Совместное использование аналоговых и цифровых фильтров нижних частот

1.2. Оценка эффективности дополнительной цифровой фильтрации.

1.3. Структура канального процессора.

1.3.1. Структура канального процессора с аналоговым фильтром нижних частот.

1.3.2. Структу ра канального процессора с цифровым фильтром нижних частот.
1.4. Выводы и цели дальнейших исследований.
2. РАЗРАБОТКА ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ
2.1. Анализ управляемости известных фильтров и структур
2.1.1. Каскаднодецимарная реализация.
2.1.2. Использование интерполяции, децимации и передескритизации.
2.1.3. Применение элементарных рекурсивных фильтров с прямоугольной конечной импульсной характеристикой.
2.1.4. Применение рекурсивных фильтров с кусочнополиномиальной конечной импульсной характеристикой
2.1.5. Анализ управляемости рекурсивных фильтров с
конечной импульсной характеристикой
2.2. Разработка алгоритмов и структур быстроперестраиваемых цифровых фильтров.
2.2.1. Разработка управляемых фильтров с плавным изменением граничных частот на базе структур с октавным
переключением частот среза и передискретизацией.
2.2.1.1. Общие положения.
2.2.1.2. Структура управляемого фильтра нижних
2.2.1.3. Структура управляемого фильтра верхних
2.2.1.4. Структура управляемого полоснопропускающего фильтра.
2.2.1.5. Структура управляемого полоснозаграждающего фильтра.
2.2.1.6. Структура управляемого фильтра с произвольной частотной характеристикой.
2.2.2. Разработка структур быстродействующих управляемых фильтров на базе рекурсивных фильтров нижних частот с конечной импульсной характеристикой
2.2.2.1. Общие положения
2.2.2.2. Структура быстроперестраиваемых фильтров нижних и верхних частот.
2.2.2.3. Структура быстроперестраиваемого полоснопропускающего фильтра.
2.2.2.4. Структура быстроперестраиваемого полоснозаграждающего фильтра.
2.2.2.5. Универсальная структура
. Оптимизация структуры по вычислительным затратам и объему оперативной памяти.
2.3. Анализ погрешностей управляемых фильтров.
2.3.1. Обзор погрешностей цифровых фильтров.
2.3.2. Амплитудные и фазовые погрешности передискретизаторов на базе интерполяционных полиномов Лагранжа.
2.3.3. Амплитудные и фазовые погрешности передискретизаторов на базе ряда Котельникова, усеченного окном.
2.3.4. Анализ переходных процессов при перестройке фильтров
2.4. Оценка вычислительных затрат и сравнительный анализ
управляемых цифровых фильтров.
2.4.1. Общие положения
2.4.2. Вычислительные затраты перестройки фильтров
2.4.3. Вычислительные затраты фильтрации
2.4.4. Сравнительный анализ различных структур управляемых цифровых фильтров.
2.5. Выводы по разработке быстроперестраиваемых цифровых фильтров
3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИГНАЛОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМИ ФИЛЬТРАМИ
3.1. Определение частоты дискретизации сигнала.
3.1.1. Динамические свойства сигнала.
3.1.2. Статистические свойства сигнала.
3.2. Аналитическое моделирование методик расчета частоты дискретизации
3.2.1. Расчет по спектральным характеристикам сигнала
3.2.2. Расчет по производным сигнала.
3.2.3. Расчет по вероятностным характеристикам сигнала
3.2.4. Модификация метода расчета по производным сигнала
3.3. Разработка устройства анализа динамических свойств сигнала.
3.4. Выводы
4. РАЗРАБОТКА МНОГОКААЛЬНЫХ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ КАНАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ.
4.1. Постановка задачи.
4.2. Оценка коэффициента сжимаемости измерительных сигналов
4.3. Канальный процессор для телеметрических систем на базе программноадресного опроса
4.3.1. Построение программы опроса первичных преобразователей без учета изменения граничных частот сигнала.
4.3.2. Построение программы опроса первичных преобразователей с учетом изменения граничных частот сигнала.
4.4. Канальный процессор для телеметрических систем на базе интеллектуальных интерфейсов
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ


Так как известные каналы связи имеют ограниченную полосу пропускания, а производительность устройств первичной обработки растет, предпочтительным можно считать второй способ низкочастотная фильтрация непрерывного сигнала. Аналоговые фильтры нижних частот. В настоящее время установка фильтра низких частот перед АЦП широко используется ведущими фирмами производителями плат аналогового вводавывода, такими как i I, vi, i и др. Порядок фильтра нижних частот тем выше, чем ближе граничная частота сигнала к половине частоты дискретизации и выше разрядность АЦП. Например, если разрядность АЦП будет разрядов и более, то может понадобиться ФНЧ 8го порядка. Такие фильтры сами являются довольно сложными устройствами с присущими им недостатками аналоговых фильтров . Например, в микросхеме фирмы vi, применены два сигмадельта Л АЦП для оцифровки сигналов напряжения и тока гю двум каналам. Эти АЦП имегог очень высокое значение частоты дискретизации, составляющее 0 кГц, при том, что частота полезного сигнала не превышает частоту 2 кГц. Рис. Гц, переносятся в нижнюю часть спектра относительно частоты 0 кГц. Рис. Этот эффект происходит в любом аналогоцифровом преобразователе, независимо от его архитектуры. В данном примере видно, что только составляющие спектра с частотами, близкими к частоте дискретизации, т. Гц, будут перемещены в интересующую нас полосу, т. Гц. Это обстоятельство позволяет нам применить в данном случае очень простой фильтр низкой частоты ФНЧ для подавления высокочастотных составляющих около 0 кГц и таким образом предотвратить искажения в пределах интересующей нас полосы. Простейшая аппаратная реализация ФНЧ это ЯСцепочка. Она представляет собой однополюсный фильтр со спадом сШдекаду. Помимо амплитудночастотной характеристики АЧХ, все фильтры имеют также фазочастотную характеристику ФЧХ. АЧХ и ФЧХ ЯСфильтра Я 1 кОм, С 0,3 мкФ показаны на рис. Из графика на рис. Гц для этого простейшего ФНЧ превышает 6В. Этого достаточно, чтобы избежать эффектов наложения спектров. Рис. Рис. Если фазочастотные характеристики фильтров низкой частоты в обоих каналах не совпадают, то фазовый сдвиг может привести к значительной погрешности восстановления. Расхождение фазовых характеристик может произойти изза невысокой точности по допуску номиналов компонентов в фильтрах низкой частоты. Чем ниже частота среза антиалайзингового ФНЧ, тем большее влияние оказывает данный фактор на основной частоте сигнала частоте сети. Даже если частота среза составляет 4,8 кГц, фазовая погрешность, привнесенная расхождением значений номиналов компонентов, может быть значительной. В рассматриваемой микросхеме для реализации антиалайзинговых фильтров использованы резисторы с допуском 1 и конденсаторы с допуском , чтобы избежать возможных проблем, связанных с расхождением фаз сигналов. Многие современные интегральные схемы АЦП имеют внутренние средства фильтрации входных сигналов. В случае использования внешнего ЯСфильтра его рекомендуется включать, как показано на рис. Такое включение будет обеспечивать подавление как дифференциального, так и синфазного шума. Фильтр, включенный по схеме, показанной на рис. Рис. Если применяется внешняя фильтрация, важно помнить об ограничении величин пассивных элементов схемы. Если требуются и С больших величин, нужно использовать или активную фильтрацию, или применять АЦП с высоким импедансом. Выходной сигнал датчика и вход АЦП желательно шунтировать небольшой емкостью 1И ОнФ для подавления высокочастотных наводок. Известные реализации аналоговых фильтров микросхема ФН2У, ближайший аналог МАХ 5 фирмы xi представляет собой ФГ1Ч 8 порядка. Частота среза фильтра задается внешней тактовой частотой в диапазоне от 0,1 Гц до кГц. Для других микросхем значение частоты среза задается разрадным кодом. Применение такой элементной базы позволяет достичь аппаратной универсализации тракта датчикАЦП. Особый случай применения принципов фильтрации в измерительном
Ярким примером применения принципов фильтрации может служить аналогоцифровой измерительный тракт на основе дельтамодуляции. Традиционная структура такого измерительного тракта представлена на рисунке 1.