Теоретические основы информационно-измерительной техники




НазваниеТеоретические основы информационно-измерительной техники
страница1/6
Дата30.09.2012
Размер0.81 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4   5   6
Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ


Кафедра метрологии и стандартизации


ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

для студентов специальности

1-36 04 02 «Промышленная электроника»

заочной формы обучения


Минск 2010


УДК

ББК


Составитель: В. Г. Басов


Теоретические основы информационно-измерительной техники; рабочая программа. Методические указания. Контрольные задания для студ. спец. 1-36 04 02

«Промышленная электроника» заоч. формы обуч. / сост. В. Г. Басов. – Минск : БГУИР, 2010. – с.

ISBN


Приведена рабочая программа дисциплины, даны методические указания по ее изучению, представлены варианты заданий на контрольную работу.


УДК

ББК


ISBN


© Басов В. Г., составление, 2010

© УО «Белорусский государственный

университет информатики

и радиоэлектроники», 2010

1. ЦЕЛИ и ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕНОМ ПРОЦЕССЕ

1.1 Цель изучения дисциплины

Цель изучения дисциплины «Теоретические основы информационно-измерительной техники» состоит в ознакомлении с классификацией измерительных информационных сигналов, способов описания, получения и передачи их на фоне помех.

1.2 Задачи изучения дитсциплины

Основные задачи изучения дисциплины определяются требованиями к подготовке инженеров специальности 1-36 04 02, установленными в квалификационных характеристиках и типовой учебной программе дисциплины.

В результате изучения дисциплины студенты должны

З Н А Т Ь :

– свойства информационных сигналов и методы их математического опиcа- ния;

– принципы дискретизации сигналов и методы анализа дискретных сигналов;

– принципы цифровой фильтрации сигналов;

– принципы обнаружения и измерения параметров сигналов на фоне шумов;

У М Е Т Ь :

– использовать аналитическое описание информационных сигналов;

– определять параметры информационных сигналов при помощи спектрального и корреляционного анализов;

– рассчитывать параметры цифровых фильтров.

П Р И О Б Р Е С Т И Н А В Ы К И :

– использования существующих методов анализа характеристик и параметров информационных сигналов;

– оценки характеристик и параметров функционального преобразования измерительных сигналов при прохождении через линейные и нелинейные устройства;

–по обнаружению и и оценки параметров информационных сигналов на фоне шумов.


1.3 Содержание курса

Дисциплина «Теоретические основы информационно-измерительной техники» (ТОИИТ) методически тесно связана с другими дисциплинами для специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника».

Материал программы дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при изучении физики, высшей математики, теории вероятностей и математической статистики, теории электрических цепей,.

Основной формой изучения дисциплины является самостоятельная работа с рекомендованной литературой. Материал дисциплины следует изучать по темам в порядке, установленном в данной рабочей программе. При этом рекомендуется руководствоваться методическими указаниями к изучаемой теме, а также следующей, общей для большинства тем, методикой: вначале прорабатывается теоретический материал по указанной в конце каждой темы литературе, уделяется основное внимание сущности изучаемого вопроса и методике вывода искомых математических выражений. Необходимо также ясно представлять физическую сущность изучаемых явлений.

Проработка материала может производиться по любому из учебников, указанных в разделе литературы 3.1.

После методических указаний к каждому разделу программы предлагаются контрольные вопросы, которые являются основой для составления экзаменационных билетов. Студент может считать себя подготовленным к экзамену, если он умеет отвечать на каждый из контрольных вопросов.

Не рекомендуется приступать к изучению новой темы до полного усвоения всех предыдущих тем. Качество изучения материала следует контролировать путем ответов на вопросы для самопроверки, помещенные в конце каждой темы. При затруднениях в ответах необходимо повторно проработать соответствующий материал. После полной проработки темы следует решить соответствующие задачи контрольного задания.

Изучение материала рекомендуется сопровождать составлением краткого конспекта, фиксируя в нем основные сведения по изучаемой теме. Записи в конспект целесообразно делать только после того, как материал изучен и полностью понят. В конспект можно помещать вопросы для самопроверки и краткие ответы на них. Составление полноценного конспекта способствует качественному усвоению дисциплины, а его наличие позволяет в краткий срок восстановить в памяти основные положения и вопросы дисциплины, не прибегая к помощи учебников.

В соответствии с учебным планом дисциплины предусмотрено 12 часов лекционных занятий, 6 часов практических занятий, решение контрольной работы, 4 часа лабораторных работ, выполняемых в экзаменационную сессию.

Изучение дисциплины завершается сдачей экзамена, к которому студенты допускаются только при условии успешного выполнения контрольного задания, лабораторных работ и их защиты. Контрольные работы с отметкой о их защите студенты должны предъявить экзаменатору. На экзамене может быть проведен устный опрос по контрольной работе.


2. ПРОГРАММА КУРСА


Программа курса ТОИИТ составлена на основании типовой программы № ТД-1.357/тип., утвержденной Министерством образования Республики Беларусь в 2010 году.


ВВЕДЕНИЕ

Роль и значение средств измерений в промышленном производстве и современных исследованиях. Обобщённая структурная схема средства измерения.

Общие сведения об информационно-измерительных сигналах (ИС) и функциональных устройствах их обработки. Основные термины и определения.


Раздел 1 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ


Тема 1.1 Классификация измерительных сигналов и сигналов помех

Классификация измерительных сигналов:

– 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-импульс- ной (ШИМ или ДИМ), частотно-импульсной (ЧИМ) и фазоимпульсной (ФИМ); для несущего цифрового сигнала – с времяимпульсной (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);

– детерминированные и случайные;

– флуктуационные помехи или шумы (тепловой, дробовый и фликкер-шумы).

Тема 1.2 Математическое описание детерминированных измерительных

сигналов

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 периодического сигнала: среднее; средневыпрямленное; среднеквадратическое. Временные окна и их применение при спектральном анализе.

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.


Тема 1.3 Корреляционный анализ детерминированных измерительных

сигналов

Суть корреляционного анализа детерминированных сигналов. Взаимная корреляционная функция сигнала (ВКФ). Связь между энергетическим спектром сигнала и его ВКФ. Основные свойства ВКФ.

Автокорреляционная функция (АКФ) сигнала. АКФ сигналов: конечной длительности, периодических, неограниченно протяжённых, дискретных и сигналов Баркера. Связь между энергетическим спектром сигнала и его АКФ, соотношения Винера–Хинчина. Основные свойства АКФ. Обобщённая структурная схема коррелометра.


Тема 1.4 Модулированные сигналы

Сигнал с АМ. Временные и спектральные характеристики однотонального

АМ-сигнала, векторная диаграмма, энергетические свойства. Спектральные характеристики многотонального АМ-сигнала. АКФ АМ-сигнала.

Сигнал с УМ. Временные и спектральные характеристики однотонального ЧМ-сигнала с индексом модуляции 1, 1 и 1, векторная диаграмма. Различия между ЧМ и ФМ сигналами. Спектральные характеристики многотонального УМ-сигнала. Сравнительная оценка сигналов с АМ и УМ. Манипулированный УМ-сигнал. Сигналы с внутриимпульсной ЛЧМ и их АКФ.


Тема 1.5 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 1.6 Квантование, дискретизация и кодирование измерительных сигна-

лов

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 его временной функции и спектра. 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.

Равномерное и неравномерное квантование ИС. Погрешность квантования сигналов. Представление ИС цифровыми значениями.


Раздел 2 АНАЛИЗ ПРОХОЖДЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

ЧЕРЕЗ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ ЦЕПИ


Тема 2.1 Анализ прохождения измерительных сигналов через линейные

цепи

Методы анализа прохождения детерминированных ИС через линейные це-

пи с постоянными параметрами: классический (метод дифференциальных уравнений), временной (интеграла Дюамеля), спектральный (частотный) и операторный.

Прохождение детерминированных сигналов через апериодические цепи, дифференцирование и интегрирование сигналов.

Приближённые методы анализа прохождения радиосигналов через избирательные узкополосные цепи: метод огибающей, метод «мгновенной» частоты, спектральный. Прохождение АМ, ЧМ и широкополосных сигналов через узкополосную цепь.

Общий случай задачи анализа преобразования случайных сигналов в линейной цепи с постоянными параметрами. Определение энергетического спектра, корреляционной функции и закона распределения плотности вероятности случайного сигнала на выходе ЛЦ. Временной и частотный методы анализа. Эффект нормализации закона распределения сигнала на выходе узкополосной ЛЦ.


Тема 2.2 Анализ прохождения измерительных сигналов через нелинейные

цепи

Свойства и характеристики элементов нелинейных цепей (НЦ). Аппроксимация характеристик НЦ. Режим «слабых» сигналов и узловая аппроксимация степенным полиномом. Точность аппроксимации. Режим «сильных» сигналов и кусочно-линейная аппроксимация.

Анализ НЦ при воздействии постоянного напряжения (тока). Спектральный анализ прохождения сигналов через безинерционные и инерционные НЦ. Обобщённая структурная схема инерционных НЦ. Анализ прохождения через НЦ сигнала, содержащего одну, две и более гармонических составляющих. Анализ прохождения гармонического сигнала через НЦ при кусочно-линейной аппроксимации, метод угла отсечки (метод А.И. Берга).

Квазилинейный метод анализа для инерционной НЦ, понятие средней крутизны. Метод трёх и пяти ординат. Оценка нелинейных искажений.

Функциональные преобразования сигналов в НЦ: выпрямление; умножение частоты; амплитудная модуляция и детектирование; преобразование частоты; гетеродинирование.

Задачи преобразования случайных сигналов в НЦ. Определение закона распределения плотности вероятности выходного сигнала, когда характеристика НЦ: однозначна; неоднозначна; имеет один или более горизонтальных участков. Определение корреляционной функции и энергетического спектра сигнала на выходе НЦ.


Тема 2.3 Классификация и основные характеристики фильтров

Классификация электрических фильтров. Типы реализуемых передаточных функций линейных фильтров: Баттерворта, Чебышева, Кауэра, Бесселя. Импульсная и переходная характеристики фильтра. Критерий физической реализации фильтра. Связь частотного коэффициента передачи фильтра с его импульсной характеристикой. Способы соединения фильтров: последовательное, параллельное, каскадное, с обратной связью.




Тема 2.4 Фильтрация измерительных сигналов


Основные задачи при приёме сигналов. Приём (обработка) сигналов как статистическая задача максимизации отношения сигнал/помеха на выходе цепи. Оптимальный приёмник на основе коррелятора и его структурная схема.

Передаточная характеристика согласованного (оптимального) линейного фильтра (СФ), неравенство Коши – Буняковского. Импульсная характеристика СФ и условия её физической реализуемости. Сигнал и шум на выходе СФ.

Оптимальная фильтрация при «небелом» шуме. Структурная схема оптимального приёмника на основе СФ. Сравнение оптимального приёмника на основе СФ и коррелятора. Квазиоптимальные фильтры. Примеры синтеза СФ.

Дискретные фильтры и их построение. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и его свойства. Алгоритмы быстрого преобразование Фурье (БПФ).

Цифровые линейные фильтры (ЦФ), обобщённая структурная схема устройства цифровой обработки непрерывных сигналов. Алгоритм линейной цифровой фильтрации, импульсная характеристика ЦФ. Трансверсальные нерекурсивные и рекурсивные ЦФ. Частотные характеристики ЦФ. Нерекурсивный ЦФ аналогичный звену RC-цепи ФНЧ.


Раздел 3 УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, УМНОЖЕНИЯ И

ДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ


Тема 3.1 Преобразователи частоты

Функциональное назначение преобразователей частоты (ПЧ) и принцип работы. Классификация ПЧ: индивидуальные и групповые; резистивные (с нелинейной ВАХ) и реактивные (емкостные); транзисторные (активные) и диодные (пассивные); однотактные, двухтактные (балансные), кольцевые (двойные балансные); дискретные и интегральные. Предъявляемые к ПЧ требования.

Квазилинейная теория преобразования частоты. Последовательный диодный однотактный, двухтактный (балансный) и кольцевой (двойной балансный) ПЧ. Затухание диодных ПЧ.

Транзисторный однотактный, балансный и упрощённый вариант кольцевого ПЧ. Интегральные микросхемы аналоговых перемножителей типа К526ПС1, К140МА1 и др.


Тема 3.2 Умножители и делители частоты

Функциональное назначение и способы построения умножителей частоты (УЧ) с использованием: источника гармоник и полосовой фильтрации; «захвата» частоты вспомогательного генератора; устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ); их комбинации.

Построение УЧ с использованием в качестве источника гармоник: усилителя-ограничителя, нелинейной индуктивности, принцип их работы и недостатки. Структурная схема и принцип работы УЧ с «захватом» частоты вспомогательного генератора. Структурная схема и принцип работы УЧ с ФАПЧ или ФАП.

Функциональное назначение и способы построения делителей частоты (ДЧ): регенеративные; на основе ФАПЧ; цифровые. Структурная схема регенеративного ДЧ, его достоинства. Структурная схема ДЧ на основе ФАПЧ и принцип его работы. Структурные схемы ДЧ счётчикового типа на основе триггерных ячеек без ОС и с применением ОС, а также с использованием дешифратора двоичного кода числа сосчитанных импульсов.


Раздел 4. УСТРОЙСТВА МОДУЛЯЦИИ И ДЕМОДУЛЯЦИИ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ


Тема 4.1 Модуляторы АМ-сигналов

Функциональное назначение устройств модуляции и их виды. Способы осуществления амплитудной модуляции (АМ) с помощью линейного параметрического и нелинейного преобразований сигналов, обобщённая структурная схема.

Схемотехнические возможности осуществления АМ в транзисторных модуляторах: базовая; эмиттерная; коллекторная; комбинированная. Схема базового модулятора, принцип работы и его характеристики.

Схема балансного модулятора (БМ), принцип работы, временная функция и спектр АМ сигнала. Схема БМ на диодах. Структурная схема модулятора АМ сигнала с одной боковой полосой (ОБП), принцип работы, временная функция и спектр АМ сигнала.


Тема 4.2 Методы получения угловой модуляции

Методы осуществления угловой модуляции (УМ): прямые и косвенные. Прямой и косвенный методы осуществления частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляции.

Способы получения ЧМ и ЧМ, электрические и структурные схемы их реализации.

Метод преобразования АМ в ФМ, структурная схема ФМ по методу Армстронга, принцип работы.

Частотная манипуляция сигнала, принципы и структурные схемы её осуществления.


Тема 4.3 Демодуляция АМ-сигналов

Функциональное назначение устройств демодуляции (детектирования) и их виды. Способы осуществления детектирования АМ сигнала с помощью линейного параметрического и нелинейного преобразований сигналов, обобщённая структурная схема.

Схема последовательного диодного детектора АМ сигнала, принцип работы и его характеристики. Выбор постоянной времени цепи нагрузки и её влияние на форму сигнала. Режим квадратичного и линейного детектирования, нелинейные искажения. Влияние нагрузки детектора и глубины модуляции АМ сигнала на нелинейные искажения.


Тема 4.4 Демодуляция сигналов с угловой модуляцией

Детектирование сигналов с УМ. Принцип детектирования ЧМ сигнала путём преобразования его в АМ сигнал. Недостаток такого частотного детектора (ЧД). Схема ЧД (дискриминатора) с расстроенными контурами и принцип работы.

ЧД, использующий зависимость фазового сдвига от частоты, схема и принцип работы фазово-частотного дискриминатора, его недостаток. Схема фазово-частотного ЧМ детектора отношений и принцип его работы.

Квадратурный ЧМ детектор, структурная схема и принцип работы.

ЧМ детектор с ФАПЧ, структурная схема и принцип работы.

Детектирование ФМ сигналов, принцип работы фазового детектора (ФД) на основе операционного усилителя. Схема ФД с использованием опорного гармонического колебания, принцип его работы.

Синхронный детектор, структурная схема и принцип работы.
  1   2   3   4   5   6

Похожие:

Теоретические основы информационно-измерительной техники iconМетодические указания по оформлению учебных работ студентов кафедры Информационно- измерительной техники
Информационно-измерительной техники. Они относятся к типовым расчетам (ТР), курсовым работам (КР), выпускным работам бакалавров (врб),...
Теоретические основы информационно-измерительной техники iconПрограмма вступительных испытаний по направлению 200100 «Приборостроение»
«Приборостроение»: «Теоретические основы информационно-измерительной техники», «Компьютерные технологии в приборостроении», «Интеллектуальные...
Теоретические основы информационно-измерительной техники iconРуководство к лабораторной работе №4
Руководство к лабораторной работе №4 "Декодирование циклических кодов" по курсу "Теоретические основы информационно-измерительной...
Теоретические основы информационно-измерительной техники iconКафедра информационно-измерительной техники (иит) Факультет Автоматики и вычислительной техники (автф) Московский энергетический институт (мэи)
Малиновский В. Н., Сухоруков В. В. (медицинские приборы), Покровский А. Д. (интроскопия), Денисов В. И. (приборы диагностики производственных...
Теоретические основы информационно-измерительной техники iconМетодические указания и задания для выполнения контрольной работы по дисциплине Основы автоматики и микропроцессорной техники для специальности: 2-36 03 31 «Монтаж и эксплуатация электрооборудования»
Изучение предмета базируется на знаниях, полученных учащимися по предметам "Теоретические основы электротехники", "Основы промышленной...
Теоретические основы информационно-измерительной техники iconМетодические рекомендации по выполнению практических занятий по дисциплине «Корреляционный анализ в информационно-измерительной технике»
Корреляционный анализ в информационно-измерительной технике: методические рекомендации по выполнению практических занятий по дисциплине...
Теоретические основы информационно-измерительной техники iconМетодические указания и задания для выполнения контрольной работы по дисциплине Электрооборудование предприятий и гражданских зданий Специальность: 2-36 03 31 «Монтаж и эксплуатация электрооборудования»
«Инженерная графика», «Техническая механика», «Теоретические основы электротехники», «Электротехнические материалы», «Электрические...
Теоретические основы информационно-измерительной техники iconМетодическая разработка на тему: икт на уроках математики
Теоретические основы использования информационно-коммуникационных технологий 5
Теоретические основы информационно-измерительной техники iconЛекция № тоб теоретические основы биотехнологии как научной дисциплины
Манаков М. Н., Победимский Д. Г. Теоретические основы технологии микробных производств. – М.: Агропромиздат, 1990
Теоретические основы информационно-измерительной техники iconИсследование и разработка информационно-измерительной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона рт-70 автореферат Специальность
Специальность: 05. 11. 16 – «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)»
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница